올림피아드 생물예비문제-2

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1. 아미노산의 Carboxyl group과 amino group의 이온화는 용액의 pH 증가에 무슨 영향을 끼치는가?

 

2. Polypeptide chain의 1차구조를 결정짓는 두 요인은 무엇인가?

 

3. Membrane에서 phospholipid의 방향에 대해 설명하여라.

 

4. 막의 유동성에 영향을 주는 plasma membrane 구성 요소는 무엇인가?

 

 

5. 세포 사이에서 발견되는 세 가지 유형의 junction 구조와 기능을 설명하여라.

 

 

6. Ribosome의 위치와 기능을 설명하여라.

 

 

7. Granular endoplasmic reticulum(조면소포체)과 agranular endoplasmic reticulum(활면소포체)의 구조와 기능을 구분하여라.

 

 

8. Ribosome의 구성요소(subunit)를 설명하고, 원핵생물과 진핵생물의 차이점을 설명하여라.

 

9. 단백질의 합성 과정에서 tRNA의 기능을 설명하여라.

 

10. 위에서 산의 분비를 조절하는 다양한 화학적 신호들은 산을 분비하는 세포의 원형질막에 있는 단백질과 결합한다. 이런 결합반응의 일부는 산의 분비를 증가시키고, 다른 것들은 산의 분비를 감소시키기도 한다. 그렇다면 산의 분비를 억제하는 약은 이런 세포에 어떻게 작용하는가?

 

 

11. 다음에서 주어지는 세포의 기질과 그들의 상호작용에서 화합물 A의 증가에 의한 화합물 H의 변화를 예측하여라.

보기 : 화합물 A는 단백질 B의 활성을 allosteric 작용에 의해 조절하는 분자이다.

단백질 B는 단백질 C를 활성화시키는 protein kinase 효소이다.

단백질 C는 기질 D를 생성물 E로 변화시키는 효소이다.

화합물 E는 단백질 F를 allosteirc 작용으로 억제하는 조절 분자이다.

단백질 F는 기질 G를 생성물 H로 전환시키는 효소이다.

 

 

12. 만약 100개의 amino acid를 가지고 있는 단백질이 있다면, 이 단백질을 code하는 유전자에 나타나는 뉴클레오티드는 얼마나 있는가?

 

 

13. Cofactor과 coenzyme의 차이점은 무엇인가?

 

 

 

14. 지방산의 대사에 의해 CO2가 형성되는 과정을 설명하여라.

 

 

15. Resting membrane potential을 일으키는 상태를 설명하여라. 막의 투과성은 이러한 potential에 어떤 영향을 미치는가? Membrane potential에서 Na, K pump의 역할은 무엇이며, 직접적으로 작용하는가? 아니면 간접적으로 작용하는가?

 

 

 

 

 

 

 

1. Carboxyl group과 amino group의 이온화는 용액의 pH 증가에 무슨 영향을 끼치는가?

먼저 pH를 정의하면 hydrogen-ion concentration의 음의 상용로그값(pH=-log[H+])이다. 따라서 10-7M의 hydrogen-ion concentration은 pH7이다. Carboxyl group와 amino group은 각각 체내에서 hydrogen ion을 방출하고 포획하는 기능을 하며 약산과 약염기를 나타낸다. Carboxyl group과 amino group의 분자를 포함하는 용액의 산성은 이들 분자가 ionization 또는 unionization에 의해 결정된다. 따라서 carboxyl group가 이온화하면 hydrogen ion을 방출하므로 hydrogen-ion concentration은 증가하고 pH는 낮아진다. 반면 amino group이 이온화하면 hydrogen ion을 포획하기 때문에 hydrogen-ion concentration은 감소하고 pH는 높아진다.

 

2. Polypeptide chain의 1차구조를 결정짓는 두 요인은 무엇인가?

Polypeptide의 primary structure를 결정짓는 요인에는 첫째, 사슬에 존재하는 amino acid의 수이고 둘째, 사슬을 따라 위치하는 각 amino acid의 특별한 형태이다. 사슬을 따라 위치하는 각 amino acid는 20개의 다른 amino acid 중에서 하나를 위치시킨다. 따라서 20개의 다른 이미노산은 아미노산의 서열과 사슬 내의 amino acids 수를 변화시키므로써 거의 제한이 없는 다양한 polypeptide를 만들 수 있다.

 

3. Membrane에서 phospholipid의 방향에 대해 설명하여라.

Phospholipid는 amphipathic molecule로 한쪽 끝에는 하전된 부위를 갖고, 분자의 나머지 부분은 비극성인 두 개의 fatty acid chain으로 구성된다. 세포막의 phospholipid는 비극성의 fatty acid가 막의 중앙을 향해 배열하여 2중층을 이룬다. Phospholipid의 극성부위는 막의 표면을 향하고, 이 때문에 extracellular fluid와 cytosol의 극성 물 분자를 끌어 당긴다.

 

4. 막의 유동성에 영향을 주는 plasma membrane 구성 요소는 무엇인가?

Plasma membrane은 지질층을 구성하는 phospholipid, cholesterol, integal membrane protein, peripheral membrane protein 그리고 carbohydrate(glycocalyx) 등으로 구성된다. 이 들 중에서 막의 유동성에 관계하는 분자는 phospholipid와 cholesterol이다. 각 phospholipid은 서로 결합할 수 없고, 또한 막의 protein과도 화학적 결합을 할 수 없기 때문에 plasma membrane의 각 분자들은 독립하여 자유롭게 움직일 수 있다. 이런 이유 때문에 평행한 두 층의 표면은 옆으로 움직일 수 있다. 즉, 긴 fatty acid chain은 구부러지고 앞뒤로 움직일 수 있기 때문에 지질 이중층은 유동성을 갖는다. Cholesterol 은 비극성의 고리 구조에 극성 hydroxyl group을 하나 가지고 있기 때문에 약한 amphipathic을 띤다. 이러한 cholesterol은 van der Waals force에 의해 서로 결합되어 있는 긴 fatty acid chain의 상호결합을 방해하여 지질 이중층의 유동성 유지에 중요한 역할을 수행한다.

 

5. 세포 사이에서 발견되는 세 가지 유형의 junction 구조와 기능을 설명하여라.

Membrane junction에는 desmosome, tight junction, gap junction 세 종류가 있다. Desomosme은 근접한 두 세포 사이에서 형성되며, 마주보는 두 plasma membrane은 약 2nm 정도 분리되어 있고, 각 cytoplasmic membrane surface, 그리고 두 membrane 사이의 공간에서 protein이 빽빽하게 축적되어 형성된다. 게다가 fibers가 cytoplasmic surface에서 세포 내부로 뻗어 있어 반대편 세포의 desmosome과 연결되어 있다. Desmosome의 기능 은 인접한 세포들을 한 지역에 견고하게 고정하는 것이며, 피부처럼 늘어날 수 있다고 여겨진다. Desmosome이 있는 막의 특수화된 부위는 대개 원반형이며, 이러한 membrane junction은 접합 부위를 연결시킬 수 있다.

Membrane junction의 두번째 형태는 tight junction이다. Tight junction은 인접한 두 plasma membrane의 extracellular surface가 인접한 두 세포 사이의 extracellular space없이 결합되었을 때 형성된다. Desomosome과 달리 원반 형태의 막 부위는 제한적이며, 세포의 원주 전체에서 발생한다. Tight junction은 결합된 세포 사이의 extracellular space를 통 과하는 대부분의 유기 분자는 한정되어 있다. 하지만 작은 ion과 물은 통과할 수 있다.

Junction의 세번째 형태는 gap junction으로 인접한 세포의 cytoplasm을 연결시키는 protein channel을 포함한다. Gap junction은 두 개의 마주보는 plasma membrane 사이에서 결합되어 작은 channel을 형성한다. 이러한 channel은 세포 사이를 가로질러 뻗어 있어 cytoplasm을 연결시킨다. Channel의 직경이 약 1.5nm로 한정되어 있기 때문에 Na, K와 같은 이온이나 작은 분자들은 통과시키고, 커다란 단백질 분자의 교환은 차단한다.

 

6. Ribosome의 위치와 기능을 설명하여라.

Ribosome은 핵에 있는 DNA에서 형성된 mRNA 분자에 의해 전달된 유전 정보에 의해 amino acid를 protein으로 합성하는 부위이다. Ribosome은 직경이 약 20nm인 커다란 분자로 많은 protein과 몇 개의 RNA 분자로 이루어져 있다. Ribosome은 granular endoplasmic reticulum이라는 기관에 붙어 있거나 cytoplasm에서 자유롭게 존재한다.

 

7. Granular endoplasmic reticulum(GER)과 agranular endoplasmic reticulum(AER)의 구조와 기능을 구분하여라.

Endoplasmic reticulum은 가장 광범위한 세포소기관으로 membrane의 망을 형성한다. 두 형태의 ER에는 granular와 agranular가 있는데, granular는 rough endoplasmic reticulum (RER)이고, agranular는 smooth endoplasmic reticulum(SER)이다. GER은 세포질(ctosol)에서 ribosome과 부착되어 있다. 또한 핵막의 바깥쪽 표면에도 ribosome이 부착되어 있고, 핵 막 사이는 GER로 연장되어 있다. AER은 표면에 ribosome 입자가 없으며, 분지 되어 있고 관상 구조를 하고 있다. 이 두 형태의 ER은 같은 세포에 동시에 존재하지만 매우 다른 기능을 수행한다. GER은 세포나 다른 세포소기관에 의해 분비된 protein을 포장한 다. AER은 지질 분자가 합성되는 부위이며, 또한 다양한 세포의 활동 조절에 관여하는 Ca2+의 저장과 방출 기능을 담당한다.

 

8. Ribosome의 구성요소를 설명하고, ribosomal subunit 집합의 부위를 설명하여라.

Ribosome은 cytoplasm에 위치하는 작은 알갱이로 cytosol에 자유롭게 존재하거나 ER에 붙어 있다. 단백질을 합성하는 자유로운 ribosome은 cytosol로 방출되는 반면, ER에 결합하고 있는 ribosome은 ER의 막을 통과해 끼워져 있어서 ER의 기질(lumen)로 분비한다. 이렇게하여 세포에서 분비되거나 많은 기관들로 수송된다. 각 ribosome은 ribosomal RNA(rRNA)라고 알려진 RNA의 한 형태와 집합을 이루는 많은 단백질을 포함한다. rRNA는 인에서 합성된다. Ribosome은 번역 과정 동안만 물리적으로 결합하는 두 종류의 ribosomal subunit로 되어 있다. 원핵생물의 ribosome은 50S 대단위와 30S 소단위로 구성되어 있고, 진핵생물의 ribosome은 60S 대단위와 40S 소단위로 이루어져 있다. 결합된 ribosome은 tRNA가 결합하는 2개의 binding site와 mRNA가 결합하도록 단위체 사이에 홈을 가지고 있다. 또한 리보솜에는 아미노산을 서로 연결시키는 효소인 펩티드전이효소를 위한 자리가 있다.

 

9. 단백질의 합성 과정에서 tRNA의 기능을 설명하여라.

tRNA는 특별한 tRNA 유전자의 DNA 뉴클레오티드와 염기쌍을 형성하여 핵에서 합성된 다음 cytoplasm으로 이동한다. 단백질 합성 과정에서 tRNA의 임무는 ribosome과 결합한 mRNA의 codon과 특별한 아미노산을 결합시켜준다. 이러한 tRNA는 아미노산과 아미노산을 지정하고 있는 mRNA의 codon 사이의 결합을 형성한다. Transfer RNA는 aminoacyl-tRNA synthetase라는 효소에의해 아미노산과 공유결합한다. Aminoacyl- tRNA synthetase은 20여 종류가 있어 특별한 형태의 tRNA와 아미노산과의 결합을 촉매한다. tRNA의 loop 중 한 끝에 있는 3개의 뉴클레오티드 서열은 mRNA에 있는 codon과 상보적으로 결합할 수 있다. 이러한 tRNA의 triplet 서열을 anticodon이라 한다.

 

10. 위에서 산의 분비를 조절하는 다양한 화학적 신호들은 산을 분비하는 세포의 원형질막에 있는 단백질과 결합한다. 이런 결합반응의 일부는 산의 분비를 증가시키고, 다른 것들은 산의 분비를 감소시키기도 한다. 그렇다면 산의 분비를 억제하는 약은 이런 세포에 어떻게 작용하는가?

약이 산의 분비를 억제할 수 있는 요인에는 다음 세 가지가 있다. 첫째, 약이 산의 분비를 억제하는 세포의 막에 결합하여 신체에서 합성하는 산 분비 억제물질과 똑같은 기능을 수행하는 것이다. 둘째, 산의 분비를 일으키지 않으면서 분비세포의 막 단백질에 결합함으로써 신체 분비 신호의 결합을 억제하는 것이다(경쟁). 셋째, 약이 세포의 binding site에 allosteric 효과를 가지고 있어 binding site의 친화력이 커지면 억제물질과 결합하고, binding site의 친화력이 작아지면 산의 분비를 자극하는 물질과 결합한다.

 

11. 다음에서 주어지는 세포의 기질과 그들의 상호작용에서 화합물 A의 증가에 의한 화합물 H의 변화를 예측하여라.

보기 : 화합물 A는 단백질 B의 활성을 allosteric 작용에 의해 조절하는 분자이다.

단백질 B는 단백질 C를 활성화시키는 protein kinase 효소이다.

단백질 C는 기질 D를 생성물 E로 변화시키는 효소이다.

화합물 E는 단백질 F를 allosteirc 작용으로 억제하는 조절 분자이다.

단백질 F는 기질 G를 생성물 H로 전환시키는 효소이다.

연속적인 단백질의 활성화와 억제는 생리적 조절기작에서 자주 사용되는 것으로, 화합물 A의 농도가 증가하면 아래 흐름도에서처럼 화합물 H의 농도는 감소된다.

 

 

 

allosteric 활성화  

 

 

 

효소 C  

 

 

 

화합물A 증가 Portein kinase B 활동  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

효소 C의 활동  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

기질 D 화합물E 증가  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

allosteric 억제  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

효소F 활동 저하  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

기질G 생성물H 감소  

 

 

12. 만약 100개의 amino acid를 가지고 있는 단백질이 있다면, 이 단백질을 code하는 유전자에 나타나는 뉴클레오티드는 얼마나 있는가?

만약 유전자가 exon으로만 구성되어 있다면 하나의 아미노산을 code하는 뉴클레오티드는 3개이므로 300개의 뉴클레오티드가 있게된다. 그러나 유전자에 있는 뉴클레오티드의 70~90%는 intron으로 구성되어 있기 때문에 유전자에는 900~2700개의 뉴클레오티드가 있게 된다. 따라서 유전자의 정확한 크기는 유전자에 의해 code된 단백질에 있는 아미노산 수를 결정할 수 없다.

 

13. Cofactor과 coenzyme의 차이점은 무엇인가?

Cofactor는 Mg, Fe, Zn, Cu와 같은 소량의 금속이며, 효소와 결합하여 효소의 조성을 변화시킨다. 그래서 효소는 기질과 상호작용을 할 수 있게 된다. 효소분자는 많은 양의 기질을 생산하는데 촉매하기 때문에 이런 미량의 금속들은 적은 양으로도 효소의 활성을 유지시킬 수 있다. Cofactor 중에 촉매반응에서 기질처럼 직접 반응에 참여하는 유기 분자가 있는데 이를 coenzyme이라 한다. 효소는 수소, acetyl, methyl group과 같은 일부 원자를 기질에 제거하거나 첨가하는 촉매반응에 coenzyme을 필요로 한다.

 

14. 지방산의 대사에 의해 CO2가 형성되는 과정을 설명하여라.

지방산 대사의 시작은 지방산에 coenzyme A가 결합하면서 개시된다. 이 과정에서는 ATP가 분해되어 AMP와 2Pi가 형성된다. 지방산으롭터 유도된 coenzyme A는 beta oxidation이라 알려진 일련의 반응을 진행하며, FADH2와 NADH+H+ 각 한 분자씩을 형성하고 acetyl CoA를 형성한다. 여기서 생성된 FADH2와 NADH+H+는 oxidative phosphorylation으로 들어가 각각 2ATP와 3ATP를 생산한다. Acetyl CoA는 Krebs cycle로 들어가 2분자의 CO2를 형성한다. 한 분자의 지방산이 분해되면 9개의 acetyl CoA와 16개의 coenzyme-2H가 형성된다.

 

15. Resting membrane potential을 일으키는 상태를 설명하여라. 막의 투과성은 이러한 potential에 어떤 영향을 미치는가? Membrane potential에서 Na, K-ATPase pump의 역할은 무엇인며, 직접적인가? 아니면 간접적인가?

Resting membrane potential은 ion channel에 의해 extracellular fluid로부터 세포질로 유입되는 Na+의 수가 Na, K-ATPase pump에 의해 extracellular fluid로 나가는 Na+의 구가 같고, ion channel을 통해 나가는 K+의 수와 Na, K-ATPase pump에 의해 들어오는 K+의 수가 같은 상태에서 일어난다. 따라서 막의 투과성이 사라지면 resting membrane potential 상태를 유지할 수 없게 된다. Na, K-ATPase pump의 역할은 ATP를 소모하면서 ion channel을 통해 들어오는 Na+ 또는 밖으로 유출되는 K+의 수 만큼 밖으로 밀어내거나 끌어들인다. 그리고 Na, K-ATPase pump에 의한 ion의 이동은 직접적이다.

조상환

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