[理知논술/대입논술 실전 특강]고려대 2008 수시 2학기

입력 2008년 1월 7일 02시 53분

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[이지논술/대입논술 실전 특강]고려대 2008 수시 2학기

[자연계 문제 Ⅰ,Ⅱ]

저항 계속 붙여나갈 대 합성 저항은?

[자연계 문제 Ⅴ]

생물·화학 통합… 훨씬 어려워져

■특징

자연계 논술 마지막 문항인 이 문제는 제시문 (사)와 (아)를 활용하여 해결하라고 요구한다. 산화환원 반응에 의한 포도당과 포도당산화효소와의 반응을 이해하고, 이 산화환원 반응을 이용해 고안된 ‘자가혈당측정기’의 원리를 이해해서 문제를 해결해야 한다. 이 문제는 생물과 화학의 통합교과적 사고를 요구한다. 기존에 출제됐던 고려대 모의고사 등과 비교했을 때 문제 형식에서는 크게 달라진 것이 없지만, 문제의 수준은 월등히 높아졌다. 이러한 추세라면 고려대 정시 문제도 쉽게 다가갈 수 있는 낮은 난도의 문제보다는 탄탄한 기초지식을 바탕으로 깊이 생각해야 풀 수 있는 다소 높은 난도의 문제들이 출제될 것이라 생각된다.

■해설

이 문제는 고등학교 화학 교과서에 나오는 기본적인 산화-환원 반응이 생체 내 반응계, 즉 효소 반응에서도 일어난다는 것을 보여주고자 한다. 실제로 이런 효소를 ‘산화 환원 효소’라고 하며, 에탄올을 분해하여 아세트산으로 바꾸어주는 과정도 여러 가지의 산화 환원 효소에 의해 일어나는 대사 경로(metabolic pathway) 중 하나다.

또한 중요한 개념이 포도당산화효소에 존재하는 조효소(coenzyme)다. 조효소는 단백질로 이루어지지 않은 소유기분자(small organic non-protein molecule)다. 이 조효소는 원래의 효소에 결합하여 그 효소의 3차원 구조를 변화시켜 주고, 동시에 그 효소의 정전위 분포(electrostatic potential distribution)에 영향을 준다. 따라서 그 효소가 특정 기능 기(functional group)를 인식하여 반응을 촉진시키게 만든다. 실제로 같은 조효소를 쓰는 효소들끼리는 비슷한 반응을, 비슷한 메커니즘(mechanism)을 통해서 촉진한다. 더 생각해볼 수 있는 학생들은 조효소와 보조인자(cofactor), 보결 분자단(prosthetic group) 등을 비교 분석해 보기 바란다.

이제 문제에 대한 답을 해보자. 여기서 포도당산화효소 자체는 반응 전후에 변하지 않는다.

포도당산화효소(+FAD)+C6H12O6→포도당산화효소(+ FADH2)+C6H10O6

그런데 이런 산화 환원 효소(이 경우에는 포도당산화효소)에 의한 산화 환원 반응에서 생겨난 FADH2는 반응이 끝난 후에 효소에서 잘 떨어질 수 있다. 이것은 조효소가 효소에 대부분 느슨하게 결합하기 때문이다. 그런데 이렇게 떨어지고 난 FADH2는 전자 전달계를 통해 최종적으로는 산소에게 전자를 전달한다. 이 과정은 다음 그림을 통해 도식적으로 알 수 있다.

여기서는 조효소가 NADH로 쓰인 경우만 다루었지만 FADH2의 경우도 거의 유사하다. 이러한 전자 전달계를 통해 수소이온(H+)의 농도 경사(concentration gradient)가 생기고, 이러한 농도 경사가 추진력이 되어 ATP 합성에서 ADP + pi 를 ATP로 합성시켜 준다. 이렇게 생긴 ATP는 열역학적으로 꺼려지는 반응, 즉 ΔG가 0보다 큰 반응에서 인산결합을 끊음으로써 총 깁스 자유에너지 변화(net gibbs free energy change)를 0보다 작게 하여 열역학적으로 용이한 반응으로 만들어주고, 이는 실제로는 고온 고압이 필요한 반응을 생체 내에서 상온 1 기압하에서 가능하게 한다.

이러한 반응의 예로는 아래와 같은 반응이 있다.

다시 문제로 돌아가서, 최종 전자 수용체인 O2에게 전자와 양자(proton)가 전달된 경우를 생각하자.

이것을 화학 반응식으로 작성한다면 FADH2+O2→FAD+H2O2가 된다. 위의 포도당산화효소(+FAD)+C6H12O6→포도당산화효소(+ FADH2)+C6H10O6와 합치면, 전체 반응은 포도당산화효소+C6H12O6+O2→포도당산화효소+H2O2+C6H10O6이 된다.

이제 자가 혈당 장치의 원리에 대해 알아보자. 이 자가 혈당 장치는 생체 내 반응계(in vivo system)가 아니기 때문에 위와 같이 생체 막 공간에서 반응이 일어나지는 않는다. 따라서 위와 같은 전자 전달계를 통한 반응은 일어나지 않는다.

참고자료를 보고 밑에 표에 나온 사이토크롬(cytochrome) 계열의 표준 환원 전위(Standard reduction potential)에 주의하라. 농도 감소의 산화된 형태에 의해 영향을 받는다.

蕙撰