Ⅲ-1. 신경계

05. 자극의 전달

정답과 해설

[정답] ➄

㉠은 Na+ 통로, ㉡은 K+ 통로이다. 구간 I에서는 휴지 전위가 유지되고 있고, 구간 Ⅱ에서는 자극을 받아 탈분극이 일어나고 있으며, 구간 Ⅲ에서는 재분극이 일어나고 있다.

해설

➄ 재분극은 Na+ 통로(㉠)가 닫히고, K+ 통로(㉡)가 열려 K+이 세포 안에서 밖으로 확산되면서 일어난다.

➀ 자극을 받지 않았을 때는 Na+-K+ 펌프에 의해 세포 밖으로 Na+이 운반되고, 세포 안으로 K+이 운반되고 있으므로, Na+의 농도는 세포 안보다 밖에서 더 농도가 높고, K+의 농도는 세포 밖보다 안에서 더 높다.

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➁ 구간 Ⅱ에서는 세포 안이 양전하, 세포 밖이 음전하로 전위가 역전되는 탈분극이 일어나고 있다.

➂ 탈분극이 일어날 때는 Na+ 통로(㉠)가 열려 세포 밖에서 안으로 Na+이 확산된다.

➃ 재분극 시에는 Na+ 통로(㉠)가 닫히고, K+ 통로(㉡)가 열려 K+이 세포 안에서 밖으로 확산되면서 일어난다.

[정답] ➁

d1은 휴지 상태, d2는 탈분극 상태, d3은 과분극 상태, d4는 과분극이 끝난 휴지 상태이다. 따라서 흥분이 d4 → d3 → d2 → d1의 순서로 진행되었음을 알 수 있다.

해설

ㄴ. d2에서는 Na+가 세포 밖에서 안으로 확산되면서 탈분극이 일어나고 있다. 따라서 Na+ 농도는 축삭 돌기 안보다 밖에서 더 높다.

ㄱ. 흥분의 전도는 Y → X 방향으로 진행된다.

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ㄷ. d3에서는 K+가 세포 안에서 밖으로 확산되면서 과분극이 일어나고 있다.

[정답] ➃

ㄴ. 구간 Ⅱ는 Na+ 통로가 닫혀 Na+의 유입이 줄어드는 시기로, 이때 K+ 통로를 통한 K+의 투과성이 높아진다. 이는 재분극을 나타내는 것으로 이때 K+의 농도는 세포 안이 바깥보다 높다.

해설

ㄷ. 구간 Ⅲ은 Na+-K+ 펌프에 의해 이온이 재배치되어 다시 휴지막 전위를 이루는 상태로, 이때 이온은 ATP를 사용하는 능동 수송에 의해 이동된다.

ㄱ. 역치 이상의 자극을 받으면 Na+ 통로가 열려 Na+의 투과도가 높아져 세포 밖에서 안으로 Na+가 확산된다.

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[정답] ➁

ㄴ. [eqn: rmt _{2}]은 재분극 시기이다. 재분극 시기에는 [eqn: RMK ^{+}] 통로를 통해 [eqn: RMK ^{+}]이 세포 안쪽(㉠)에서 세포 바깥쪽(㉡)으로 확산된다.

해설

ㄱ. 구간 Ⅰ는 휴지 전위이다. 이 시기에는 [eqn: RMNa ^{+}]-[eqn: RMK ^{+}] 펌프에 의해 [eqn: RMNa ^{+}]은 세포 밖으로, [eqn: RMK ^{+}]은 세포 안으로 능동 수송된다.

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ㄷ. [eqn: rmt _{1}]은 탈분극 시기이다. 탈분극 시기에는 [eqn: RMNa ^{+}] 통로를 통해 [eqn: RMNa ^{+}]은 세포 바깥쪽(㉡)에서 세포 안쪽(㉠)으로 확산된다.

[정답] ➂

분극 상태의 뉴런에 역치 이상의 자극이 주어지면 흥분이 발생하는데, 이는 분극 → 탈분극 → 재분극의 순으로 진행된다. 탈분극은 Na+ 통로가 열려 세포막 밖에 있던 Na+이 세포막 안으로 빠르게 확산되어 들어와 세포막 안쪽이 양전하(+), 세포막 바깥쪽이 음전하(-)를 띠게 되는 것이다. 탈분극 후 일어나는 재분극은 Na+ 통로는 닫히고, K+ 통로가 열려 K+이 세포막 밖으로 빠져나가 세포막 안쪽이 음전하(-), 세포막 바깥쪽이 양전하(+)로 되돌아가는 것이다. 따라서 t1일 때 막 투과도가 높은 ㉠은 Na+이고, t2일 때 막 투과도가 높은 ㉡은 K+이다.

ㄱ. t1일 때 Na+(㉠)은 세포 밖에서 안으로 빠르게 확산되어 들어오므로 Na+의 농도는 세포 안보다 밖이 높은 상태이다. 이때 K+(㉡)은 세포 안에서 밖으로 확산되어 나가기 전이므로, K+의 농도는 세포 안보다 밖이 낮은 상태이다. 따라서 t1일 때 [eqn: {세포~안의~농도} over {세포~밖의~농도}]는 Na+(㉠)보다 K+(㉡)이 크다.

해설

ㄴ. t2일 때는 K+(㉡)이 Na+(㉠)보다 막 투과도가 높다. 따라서 [eqn: {\K ^{+} 의~막~투과도} over {\Na ^{+} 의~막~투과도}]는 t1일 때보다 t2일 때가 크다.

ㄷ. t2일 때 이온 통로를 통한 K+(㉡)의 이동은 확산(촉진 확산)에 의해 일어나므로 ATP가 사용되지 않는다.

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[정답] ➀

i) 신경 B의 경우 Ⅱ는 이미 재분극 과정에 있으므로 가장 먼저 자극이 지난 Q1에 해당한다. Ⅰ은 탈분극 과정에 있거나 재분극 과정에 있고, 그 중간에 Ⅲ이 존재하므로 B 신경에서 흥분의 전도는 Ⅱ→Ⅰ→Ⅲ 또는 Ⅱ→Ⅲ→Ⅰ의 순으로 일어난다고 볼 수 있다.

ii) 신경 A의 경우 t1에서 측정한 막전위로 보아 Ⅰ은 Ⅱ와 Ⅲ 사이에 존재하므로, A 신경에서 흥분의 전도는 (Ⅱ 또는 Ⅲ)→Ⅰ→(Ⅲ 또는 Ⅱ)의 순으로 일어난다고 볼 수 있다.

iii) 흥분의 전도 속도는 A보다 B가 빠르고, I은 Ⅱ와 Ⅲ 사이에 존재하므로 자극의 전도는 Ⅱ(Q1)→Ⅰ(Q2)→Ⅲ(Q3)의 순으로 일어남을 알 수 있다.

ㄱ. Ⅲ은 자극이 가장 늦게 도착하는 Q3에 해당한다.

해설

ㄴ. t1일 때 A의 Q3(Ⅲ)에서 막전위는 –60mV이므로 탈분극이 일어나는 과정에 해당한다.

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ㄷ. Na+의 농도는 항상 세포 밖이 세포 안보다 높다. 따라서 역치 이상의 자극을 받으면 Na+이 세포 안으로 유입(확산)되어 활동 전위가 발생하며, Na+이 세포 밖으로 확산되는 일은 일어나지 않는다.

[정답] ➀

역치 이상의 자극이 주어지면 뉴런에서 활동 전위가 발생한다. 활동 전위는 막전위가 상승하는 탈분극과 막전위가 하강하는 재분극으로 나눌 수 있다. 막전위가 상승할 때는 주로 Na+ 통로가 열리고, 막전위가 하강할 때는 주로 K+ 통로가 열린다.

해설

ㄱ. (가)에서 [eqn: t _{1}]일 때는 탈분극이 일어나고 있고, [eqn: t _{2}]일 때는 재분극이 일어나고 있다. 탈분극이 일어날 때보다 재분극이 일어날 때 K+의 막투과도는 증가하고 Na+ 막투과도는 감소하므로 [eqn: {rm K ^{+} 의`막`투과도 it} over {rm Na ^{+} 의`막`투과도 it}]는 [eqn: t _{2}]일 때가 [eqn: t _{1}]일 때보다 크다.

ㄴ. X를 처리하여 이온 통로를 통한 특정 이온의 이동을 막았을 때 활동 전위가 발생하지 않았으므로, X는 Na+의 이동을 억제하는 물질이다.

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ㄷ. Na+의 농도는 항상 세포 안이 세포 밖보다 낮다.

[정답] ➃

A와 B의 P 지점에 역치 이상의 자극을 주고 5ms이 경과되었을 때 A는 [eqn: d _{1}]이 -80mV이고 B는 [eqn: d _{2}]가 -80mV인 것을 통해 A의 [eqn: d _{1}]과 B의 [eqn: d _{2}]에서 동시에 활동 전위가 발생하였음을 알 수 있고, 흥분의 전도 속도는 A보다 B에서 빠르다는 것을 알 수 있다. 뉴런의 한 지점에서 활동 전위가 발생할 때 막전위가 –80mV에 도달하기까지 3ms이 걸리므로 A의 P에서 [eqn: d _{1}]까지 흥분이 이동한 시간과 B의 P에서 [eqn: d _{2}]까지 흥분이 이동한 시간은 2ms이다. A의 P에서 [eqn: d _{1}]까지의 거리가 4cm이고 P에서 [eqn: d _{2}]까지의 거리가 6cm이므로 A의 흥분 전도 속도는 2cm/ms, B의 흥분 전도 속도는 3cm/ms이다.

해설

ㄱ. 흥분의 전도 속도는 A보다 B에서 빠르다.

ㄷ. 5ms일 때 A의 [eqn: d _{3}]에서 활동 전위가 발생하고 1ms이 지났으므로 이 때 막전위는 약 –60mV이다. 5ms일 때 B의 [eqn: d _{3}]에서 활동 전위가 발생하고 [eqn: {7} over {3}]ms이 지났으므로 이 때 막전위는 –50mV이다. 그러므로 [eqn: rm {A의`막전위} over {B의`막전위}]의 값은 1보다 크다.

ㄴ. A의 흥분 전도 속도는 2cm/ms이므로 A의 [eqn: d _{2}]에서 활동 전위는 P에 자극을 준 후 3ms 후이다. 그러므로 5ms일 때, A의 [eqn: d _{2}]에서는 활동 전위가 발생한지 2ms이 지났으며 이 때는 재분극이 일어나고 있는 시점이다.

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[정답] ➄

막전위가 -80㎷인 경우는 재분극 과정에서 막전위가 가장 낮을 때(과분극)이다. 신경 A와 B의 막전위 Ⅱ가 모두 -80㎷이므로 Ⅱ는 A와 B에서 동시에 활동 전위가 발생한 지점인 지점 [eqn: d _{1}]에서 측정한 막전위이다. 신경 전도 속도가 A보다 B에서 빠르므로 만약 A의 [eqn: d _{2}]에서 측정한 막전위가 Ⅰ(-55㎷)이라면 t1에서 A의 [eqn: d _{2}]는 탈분극 중이어야 한다. 그렇다면 A의 [eqn: d _{2}]에서 측정한 막전위는 -55㎷보다 낮으면서 탈분극 중이어야 하는데 +30㎷이므로 조건에 맞지 않다. 즉 A의 [eqn: d _{2}]에서 측정한 막전위는 Ⅰ(-55㎷)이 아니라 Ⅲ(+30㎷)이다.

해설

ㄱ. Ⅲ은 [eqn: d _{2}]에서 측정한 막전위이다.

ㄴ. 자극을 주고 3ms이 지났을 때 B의 [eqn: d _{4}]와 A의 [eqn: d _{3}]에서 활동 전위가 발생하기 시작한다. 그러므로 [eqn: f _{1}]일 때, A의 [eqn: d _{3}]에서의 막전위와 ㉠은 서로 같다.

ㄷ. [eqn: f _{1}]일 때, B의 [eqn: d _{3}]의 막전위는 -20㎷이고, 탈분극 중이다. 탈분극이 일어날 때는 Na+가 세포 안으로 유입된다.

[정답] ➂

(가)의 t1은 탈분극이 일어나는 시점이고, t2는 재분극이 일어나는 시점이다. 탈분극일 때는 세포막의 Na+ 통로가 많이 열려 있어 Na+에 대한 막투과도가 크고, 재분극일 때는 세포막의 K+ 통로가 많이 열려 있어 K+에 대한 막투과도가 크다. (나)에서 Na+은 이온 통로를 통해 확산되고 있으므로 ㉠은 Na+ 농도가 낮은 세포 안이고, ㉡은 Na+ 농도가 높은 세포 밖이다.

해설

ㄱ. Na+의 막투과도는 탈분극 시점인 t1일 때가 재분극 시점인 t2일 때보다 크다.

ㄴ. 재분극 시점인 t2일 때 K+은 K+ 통로를 통해 세포 안(㉠)에서 세포 밖(㉡)으로 확산된다.

ㄷ. Na+의 농도는 항상 ㉠에서보다 ㉡에서 높고, K+의 농도는 항상 ㉠에서보다 ㉡에서 낮다. 그러므로 이온의 [eqn: {㉡에서의`농도} over {㉠에서의`농도}]는 K+이 Na+보다 낮다.

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[정답] ➂

구간 Ⅰ은 짧은 거리를 가는 데 긴 시간이 걸리는 흥분 전도 속도가 느린 부분이고, 구간 Ⅱ는 긴 거리를 가는 데 짧은 시간이 걸리는 흥분 전도 속도가 빠른 부분이다. 그러므로 Ⅰ은 말이집으로 싸여 있지 않은 부분이고, Ⅱ는 말이집으로 싸여 있는 부분이다.

해설

ㄱ. Na+□의 농도는 항상 세포 안 보다 세포 밖이 높고, K+의 농도는 세포 밖보다 세포 안이 높다. 그러므로 이온의 [eqn: {세포`안의`농도} over {세포`밖의`농도}]는 K+가 Na+보다 크다.

ㄴ. Ⅰ은 말이집으로 싸여 있지 않은 부분이므로 활동 전위가 발생했다.

ㄷ. Ⅱ는 말이집으로 싸여 있는 부분이므로 슈반 세포가 존재한다.

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[정답] ➁

만약 자극을 준 지점이 P이면 B에서 Ⅳ의 막전위가 -80이므로 Ⅰ~Ⅲ의 막전위는 -70~-80 사이의 값이어야 한다. 그러나 +30~-70 사이의 값이므로 자극을 준 지점은 Q이다. A에서 Ⅳ는 가장 먼저 활동 전위가 발생하였으므로 Ⅳ의 막전위는 재분극 과정에서의 막전위이다. 막전위는 흥분의 전도 속도는 B에서가 A에서보다 빠르므로 A에서 Ⅰ과 Ⅲ의 막전위는 탈분극 과정에서의 막전위이다. 그러므로 활동 전위가 발생한 순서는 Ⅳ→Ⅱ→Ⅰ→Ⅲ 순이다.

해설

ㄴ. 자극을 준 지점은 Q이다.

ㄱ. Ⅱ는 [eqn: rm d _{1}]이 아닌 [eqn: rm d _{ 3}]이다.

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ㄷ. [eqn: rm t _{1}]일 때 B의 [eqn: rm d _{1}](Ⅲ)에서 막전위가 +20이므로 막전위가 +15인 B의 [eqn: rm d _{2}](Ⅰ)에서 막전위는 재분극 과정에서의 막전위이다.

[정답] ③

자극을 받은 뉴런의 세포막 한 지점에서는 [eqn: RMNa ^{+}]의 막 투과도가 빠르게 상승하고 바르게 하강하며, [eqn: RMK ^{+}]의 막 투과도는 [eqn: RMNa ^{+}]보다 상대적으로 느리게 상승하고 느리게 하강한다. 그러므로 ㉠은 [eqn: RMNa ^{+}]이고, ㉡은 [eqn: RMK ^{+}]이다.

해설

ㄱ. ㉠은 [eqn: RMNa ^{+}]이다. [eqn: RM`Na ^{+}]의 막투과도는 [eqn: t _{1}]일 때가 [eqn: t _{2}]일 때보다 크다.

ㄴ. [eqn: RMK ^{+}]의 농도는 세포 안이 세포 밖보다 높고 [eqn: t _{2}]일 때 [eqn: RMK ^{+}]의 막 투과도가 높으므로 [eqn: t _{2}]일 때, [eqn: RMK ^{+}]은 [eqn: RMK ^{+}]통로를 통해 세포 밖으로 확산된다.

ㄷ. 구간 Ⅰ에서 [eqn: RMNa ^{+} -K ^{+}] 펌프를 통해 ㉠은 세포 밖으로 유출된다.

[정답] ④

(가)에서 ㉠이 3 ms일 때 A와 B의 d1은 막전위가 각각 -80 mV가 되므로 신경 Ⅰ과 Ⅲ은 A와 B 중 하나이고, 신경 Ⅱ

해설

는 C이다. A의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms이므로 흥분이 2 cm

이동하는 데 1 ms가 걸린다. 따라서 A의 d1이 -80 mV일 때 A의 d3는 -80 mV가 되기 2 ms 전이므로 막전위가 -60 mV이다. 신경 Ⅰ과 Ⅲ 중에서 d3가 -60 mV인 것은 Ⅰ이므로, 신경 Ⅰ이 A이고, Ⅲ은 B이다.

ㄴ. A의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms이므로 (가)를 보면 ㉠이 3ms일 때 Ⅰ(A)의 d1에서 2 cm 떨어진 d2는 -80 mV가 되기 1 ms 전이므로 재분극 상태이다. 따라서 ㉠이 3 ms일 때 Ⅰ(A)의 d2에서 K+이 K+ 통로를 통해 세포 밖으로 확산된다.

ㄷ. ㉠이 3 ms일 때 B(Ⅲ)의 d3는 막전위가 최고점(+30 mV)이므로 막전위가 -60 mV인 d4는 탈분극 상태이다. (가)에서 d4와 같이 막전위가 -60 mV인 탈분극 시점은 -80 mV가 되기 2 ms 전이다. 따라서 ㉠이 3 ms일 때에서 2 ms 후인 ㉠이 5 ms일 때 B(Ⅲ)의 d2는 -80 mV가 된다. 한편, (나)를 보면 C의 d1는 ㉠이 2 ms일 때 -80 mV가 되는데 ㉠이 3 ms일 때 C(Ⅱ)의 d2가 -80 mV이므로, 흥분이 d1에서 d2까지 2 cm 전도되는데 1 ms 걸린 것이다. 따라서 C의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms이며, ㉠이 3 ms일 때 d2에서 4 cm 떨어진 d4는 -80 mV가 되기 2 ms 전이다. 따라서 2 ms 후인 ㉠이 5 ms일 때 C의 d4는 -80 mV가 된다.

ㄱ. C에서의 흥분 전도 속도와 A에서의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms로 동일하다.

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[정답] ④

자극을 1회 주었으므로 신경 A의 d2에서의 막전위를 비교하면 과분극 상태인 Ⅱ가 자극을 준 후 시간이 가장 많이 경과된 시점인 [eqn: t _{4}]이다. 이때 A는 -80 mV로 과분극 상태인데 B는 +10 mV로 재분극 상태이다. 따라서 흥분의 전도 속도는 A가 B보다 빠르다. [eqn: t _{4}]일 때 B에서의 막전위가 +10 mV이므로 Ⅲ일 때의 -65 mV, Ⅳ일 때의 -60 mV는 모두 탈분극 상태이다. 막전위가 휴지 전위인 -70 mV에 가까울수록 시간이 적게 경과한 것이므로 Ⅲ이 [eqn: t _{1}], Ⅳ가 [eqn: t _{2}], Ⅰ이 [eqn: t _{3}]이다.

해설

ㄱ. Ⅲ은 자극을 주고 시간이 얼마 경과되지 않아 A와 B의 d2에서 탈분극이 일어나는 [eqn: t _{1}]이다.

ㄷ. [eqn: t _{4}](Ⅱ)에 A에서는 과분극이 일어나 막전위가 -80 mV이므로 자극이 d2에 도달하고 3 ms가 지났지만, B에서는 재분극이 일어나는 중으로 막전위가 +10 mV이므로 자극이 d2에 도달하고 2 ms가 지났다. 즉, 자극이 d1에서 d2에 도달하기까지 A는 B보다 1 ms가 적게 걸린 것이므로 흥분의 전도 속도는 A에서가 B에서보다 빠르다.

ㄴ. [eqn: t _{2}]는 Ⅳ이며, Ⅳ일 때 A의 d2에서 막전위는 +10 mV이고 B의 d2에서는 -60 mV이다. 흥분의 전도 속도가 A에서 더 빠르므로 B의 d2에서는 탈분극이 일어나고 있다.

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[정답] ⑤

자극을 준 지점 X가 d4라면 4 cm 떨어진 B의 d2에 흥분이 도달하는 데 걸리는 시간이 2 ms이므로 ㉠이 2 ms, 3 ms, 5 ms, 7 ms일 때 B의 d2에서의 막전위는 -70 mV, -60 mV, -80 mV, -70 mV으로 표와 일치한다. 따라서 자극을 준 지점 X는 d4이다.

해설

ㄴ. Ⅱ일 때 A의 막전위는 -60 mV로 탈분극이나 재분극 중이고, B의 막전위는 -80 mV로 과분극 상태이므로, 역치 이상의 자극을 주었을 때 발생한 흥분은 A의 d2보다 B의 d2에 먼저 도달하였다. 따라서 A의 흥분 전도 속도는 1 cm/ms이고, B의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms이다.

ㄷ. A의 흥분 전도 속도는 1 cm/ms이므로 d4에 자극을 주면 3 cm 떨어진 d3에 흥분이 도달하는 데 걸리는 시간은 3 ms이다. ㉠이 4 ms이므로 d3의 막전위는 흥분이 도달한 후 1 ms가 지났을 때로 -60 mV를 나타낸다.

ㄱ. Ⅳ일 때 B보다 흥분 전도 속도가 느린 A의 d2의 막전위가 -80 mV이므로 B의 d2의 막전위 -70 mV는 탈분극, 재분극을 거쳐 막전위가 분극 상태로 회복된 상태이므로 Ⅳ는 7 ms이다. 따라서 Ⅰ은 3 ms, Ⅱ는 5 ms, Ⅲ은 2 ms, Ⅳ는 7 ms이다.

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[정답] ➄

ㄴ. Ⅱ에서 구간 a는 ㉣이 분극 상태에 있는 시기이므로 Na+-K+ 펌프에 의해 막 안팎의 이온 농도차가 유지되고 있는 상태이다.

해설

ㄷ. Ⅲ에서 ㉠에 역치 이상의 자극 B가 주어졌으므로 구간 b 동안 시냅스 이전 뉴런의 축삭 돌기 말단에서는 신경 전달 물질이 분비된다. 그러나 시냅스 ㉢에 처리한 물질 Y에 의해 신경 전달 물질의 작용이 억제되어 ㉣에서 활동 전위가 발생하지는 않는다.

ㄱ. ㉡은 말이집으로, 이 부분에서는 막 안팎으로 이온이 출입할 수 없어 ㉠에 역치 이상의 자극 B를 주더라도 활동 전위가 나타나지 않는다.

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[정답] ➀

ㄱ. 시냅스 소포는 신경 전달 물질이 들어 있는 소포로, 주로 축삭 돌기 말단에 존재한다. ⓐ는 시냅스 후 뉴런의 가지 돌기이고, ⓑ는 시냅스 전 뉴런의 축삭 돌기 말단이다. 따라서 시냅스 소포는 ⓐ보다 ⓑ에 많다.

해설

ㄴ. 뉴런의 세포막에 존재하는 Na+-K+ 펌프는 ATP를 이용하여 3분자의 Na+을 세포 밖으로 운반하고 2분자의 K+을 세포 안으로 운반한다. 이 때문에 Na+의 농도는 항상 세포 안보다 세포 밖이 높고, K+의 농도는 항상 세포 밖보다 세포 안이 높다. 구간 ㉠은 재분극이 일어나는 구간이다. 재분극이 일어날 때에는 세포막에 존재하는 K+ 통로가 열려 K+이 세포 안에서 밖으로 유출되고, 막전위가 휴지막 전위로 떨어진다.

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ㄷ. C는 말이집 뉴런이다. 말이집은 축삭 돌기의 일부를 절연시켜 도약 전도가 일어나게 한다. 도약 전도의 경우 민말이집 뉴런에서 일어나는 전도보다 흥분 이동 속도가 더 빠르다. 그러므로 C의 막전위 변화는 (나)의 Ⅰ에 해당한다.

[정답] ②

그림에서 A～C의 각 지점에서 활동 전위가 발생하였을 때 막전위가 -80 mV가 되는 데 걸리는 시간은 3 ms이다.

해설

㉠이 6 ms일 때 B의 d2의 막전위가 -80 mV이므로 A의 d1에서 A와 B 사이의 시냅스를 통과해 B의 d2에 흥분이 도달하기까지 걸린 시간은 3 ms이다. ㉠이 6 ms일 때 C의 d3의 막전위가 -80 mV이므로 C에서는 3 ms 동안 흥분이 3 cm 이동한 것이며, C의 흥분 전도 속도는 1 cm/ms이다. B와 C의 흥분 전도 속도는 각각 1 cm/ms, 2 cm/ms 중 하나라고 하였으므로 B의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms이다.

ㄴ. C 의 흥분 전도 속도가 1 cm/ms이므로 d1에서 3 cm 떨어진 d3에 흥분이 도달하는 데 걸리는 시간이 3 ms이고, ㉠이 4 ms일 때는 자극을 받은 후 1 ms가 지났을 때이므로 C의 d3의 막전위는 약 -60 mV로 탈분극이 일어나고 있다. 따라서 C의 d3에서는 Na+이 Na+ 통로를 통해 세포 밖에서 세포 안으로 확산된다.

ㄱ. d1에서 발생한 흥분이 B의 d2에 도달하는 데 3 ms가 걸리고, B의 흥분 전도 속도는 2 cm/ms이므로 d2에서 2 cm 떨어진 d4까지 흥분이 이동하는 데 1 ms가 걸린다. 따라서 d1에서 발생한 흥분이 B의 d4에 도달하는 데 걸리는 시간은 4 ms이다. C의 흥분 전도 속도는 1 cm/ms이므로 d1에서 발생한 흥분이 4 cm 떨어진 d4에 도달하는 데 걸리는 시간은 4 ms로 흥분이 B의 d4에 도달하는 시간과 같다.

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ㄷ. A의 d1에 자극을 주었을 때 B의 d2에 흥분이 도달하기까지 걸리는 시간이 3 ms이고, ㉠이 5 ms일 때는 자극을 받은 후 2 ms가 지났을 때이므로 B의 d2의 막전위는 +10 mV로 재분극이 일어나고 있다. 따라서 B의 d2에서는 K+이 K+ 통로를 통해 세포 안에서 세포 밖으로 확산되고 있다.

[정답] ➂

a는 액틴 필라멘트로만 구성된 I대(명대)와 액틴 필라멘트와 마이오신이 겹쳐진 A대(암대)를 포함하므로, 근수축이 일어날 때 액틴 필라멘트와 마이오신이 겹치는 부분이 증가하면서 길이가 짧아진다.

해설

b는 액틴 필라멘트와 마이오신이 겹쳐져 있어 어두워 보이는 A대(암대)로, 근수축이 일어나더라도 마이오신의 길이는 변하지 않으므로 b의 길이도 변하지 않는다.

c는 액틴 필라멘트만 있어 밝게 보이는 I대(명대)로, 근수축이 일어날 때 액틴 필라멘트가 마이오신과 겹치는 부분이 증가하면서 길이가 감소한다.

[정답] ➀

근육 ㉠은 팔을 구부릴 때 수축하는 이두박근이다.

해설

ㄱ. 팔을 구부릴 때 근육 ㉠이 수축하므로, 근육 ㉠의 길이는 팔을 구부렸을 때가 팔을 폈을 때보다 짧다.

ㄴ. 근육이 수축할 때 마이오신이나 액틴 필라멘트 자체의 길이는 변하지 않는다. 단지 마이오신과 액틴 필라멘트가 겹치는 부분이 늘어나 액틴 필라멘트만 있는 I가 짧아지게 된다.

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ㄷ. 근육이 수축하면 액틴 필라멘트가 아이오신 사이로 미끄러져 들어가면서 액틴 필라멘트와 액틴 필라멘트 사이의 H대가 짧아진다.

[정답] ➀

근육 원섬유 마디가 수축하면 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끄러져 들어가므로 근육 원섬유 마디가 짧아진다. 따라서 ㉠이 근육 원섬유 마디 X가 수축했을 때이고, ㉡이 근육 원섬유 마디 X가 이완했을 때이다.

해설

(가)는 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 함께 있는 곳의 단면이고, (나)는 아이오신 필라멘트(굵은 것)만 있는 곳의 단면이며, (다)는 액틴 필라멘트(가는 것)만 있는 곳의 단면이다.

ㄱ. 근육 원섬유 마디가 수축할 때 ATP가 소모된다.

ㄴ. H대는 마이오신 필라멘트만 있는 곳이므로, H대의 단면은 (나)이다.

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ㄷ. 근육 원섬유 마디가 수축할 때 길이가 짧아지는 것은 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끄러져 들어가기 때문으로, 근육 원섬유 마디가 수축해도 필라멘트 자체의 길이는 변하지 않는다.

[정답] ➂

ㄱ. 골격근은 다핵 세포로 이루어진 가로무늬근이다.

해설

ㄴ. 구간 ㉠은 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹쳐지는 부분이다. X의 길이가 시점 ⓐ에서 2.2 [eqn: rm mu m], ⓑ에서 2.0 [eqn: rm mu m]이므로 ⓑ에서 근육이 수축하였음을 알 수 있다. 근육이 수축하면 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹쳐지는 부분이 증가하므로 구간 ㉠의 길이도 길어진다.

2015 개정 교육과정

ㄷ. 근수축의 여부와 관계 없이 마이오신 필라멘트의 길이는 일정하다. 따라서 X의 길이 2.2 [eqn: rm mu m]에서 액틴 필라멘트만 있는 ㉡과 ㉢의 길이의 합인 0.6 [eqn: rm mu m]을 뺀 1.6 [eqn: rm mu m]가 마이오신 필라멘트의 길이이다.

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[정답] ➂

ㄱ. ㉠은 가느다란 섬유인 액틴 필라멘트이고, ㉡은 굵은 섬유인 마이오신 필라멘트이다.
ㄴ. C는 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 함께 있으므로 A대 중 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹치는 부분의 단면이다.

해설

ㄷ. 근육이 수축하면 H대의 길이는 짧아지지만 A대의 길이는 변하지 않는다. 따라서 근육이 수축하면□[eqn: {RMH대`길이} over {RMA대`길이}]의 값은 작아진다.

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[정답] ➀

ㄱ. 시점 ⓑ에서 X의 길이가 3.2 ㎛이고, Z선의 한 쪽 편에 연결된 액틴 필라멘트의 길이가 1.0 ㎛이며, A대의 길이가 1.6 ㎛이므로 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹쳐진 ㉠의 길이는 0.2 ㎛이다. 시점 ⓐ에서 X의 길이는 2.4 ㎛이고, 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트 자체의 길이는 변하지 않으므로 ㉠의 길이는 0.6 ㎛이다. 그러므로 구간 ㉠의 길이는 ⓑ일 때보다 ⓐ일 때가 0.4 ㎛ 더 길다.

해설

ㄴ. H대는 마이오신 필라멘트로만 이루어진 부분이다. ⓐ일 때 H대의 길이는 0.4 ㎛이다.

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ㄷ. ⓑ에서 ⓐ로 될 때는 골격근이 수축할 때이다. 골격근이 수축할 때는 마이오신 필라멘트와 액틴 필라멘트가 겹치는 길이, I대의 길이, H대의 길이만 변한다. 마이오신 필라멘트나 액틴 필라멘트 자체의 길이는 변하지 않는다.

[정답] ➁

근육 원섬유 마디 X의 길이로 보아 시점 ⓐ는 수축, ⓑ는 이완 과정임을 알 수 있다. ⓑ 시점의 경우 마이오신 필라멘트가 있는 부분인 A대의 길이는 1.6㎛이고, 액틴 필라멘트가 있는 부분의 길이는 1.0㎛이며, X는 좌우 대칭이다. 따라서 ⓑ 시점에서 구간 ㉠의 길이는 0.8㎛, ㉡의 길이는 0.2㎛, ㉢의 길이는 1.2㎛이다. ⓐ 시점의 경우 X의 길이는 2.4㎛로 ⓑ 시점일 때에 비해 0.8㎛ 짧아졌으므로, 액틴 필라멘트가 양쪽에서 각각 0.4㎛씩 마이오신 필라멘트 사이로 들어왔음을 알 수 있다. 따라서 ⓐ 시점에서 구간 ㉠의 길이는 0.4㎛, ㉡의 길이는 0.6㎛, ㉢의 길이는 0.4㎛이다.

ㄴ. H대는 마이오신 필라멘트만 있는 부분(㉢)이므로, ⓐ일 때 H대의 길이는 0.4㎛이다.

해설

ㄱ. 근육을 구성하는 단위 세포는 근육 섬유이고, 근육 섬유는 여러 가닥의 근육 원섬유로 구성된다. 근육 원섬유는 굵은 마이오신과 가는 액틴 필라멘트가 겹쳐진 근육 원섬유 마디로 구성된다.

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ㄷ.

㉡의 길이

㉠의 길이+㉢의 길이

는,

ⓑ일 때

0.2㎛	= 0.1
0.8㎛+1.2㎛

이고,

0.6㎛	= 0.75
0.4㎛+0.4㎛

이므로, ⓑ일 때보다 ⓐ일 때가 크다.

[정답] ⑤

근육 원섬유 마디 X의 길이가 d만큼 증가할 때, ㉢의 길이는 d만큼, ㉠의 길이는 [eqn: {rm d} over {2}]만큼 증가하고 ㉡의 길이는 [eqn: {rm d} over {2}]만큼 감소한다. ⓑ일 때 ㉢의 길이가 0.2㎛이므로 ㉠과 ㉡의 합은 1.0㎛이다.

해설

ㄱ. 시점 ⓑ에서 ⓐ로 될 때 X의 길이가 0.8㎛ 증가하므로 H대(㉢)의 길이도 0.2㎛에서 1.0㎛로 0.8㎛ 증가한다.

ㄴ. X의 길이는 ⓑ일 때가 ⓐ일 때보다 0.8㎛ 더 짧으므로, ㉡의 길이는 ⓑ일 때가 ⓐ일 때보다 0.4㎛ 더 길다.

ㄷ. ㉠의 길이와 ㉡의 길이의 합은 액틴 필라멘트의 길이와 같고 1.0㎛로 일정하다. ⓑ일 때 ㉢의 길이가 0.2㎛이고 ⓐ일 때 ㉢의 길이가 1.0㎛이므로 [eqn: {㉠의`길이`+`㉡의`길이} over {㉢의`길이}]는 ⓑ일 때가 ⓐ일 때의 5배이다.

[정답] ①

자극을 준 후 3ms이 지났을 때 A의 Ⅲ에서 측정한 막전위가 –0mV이므로 Ⅲ은 자극을 준 지점이다. A의 흥분 전도 속도가 2cm/ms이므로 막전위가 +10mV인 지점은 Ⅲ에서 2cm나 3cm가 떨어진 지점이다. 막전위가 +10mV인 지점이 2군데 이상 나타나므로 자극을 준 지점인 Ⅲ은 d□와 d□ 중 하나이다. A의 지점 Ⅰ의 막전위가 +10mV이고, 흥분 전도 속도가 빠른 B의 지점 Ⅰ의 막전위가 –0mV이므로 3ms 일 때, B의 Ⅰ 지점은 탈분극 중이며, 지점 Ⅱ(+30mV)과 Ⅳ(+10mV)는 Ⅰ보다 모두

해설

먼 지점이다.

ㄱ. 지점 Ⅲ에 자극을 주고 3ms이 지난 후의 막전위이므로 ㉠은 –0 이다.

ㄴ. 자극을 준 지점은 [eqn: d_3]가 아닌 [eqn: d_4]이다.

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ㄷ. 자극을 준 지점 B의 [eqn: d_4]에서 흥분이 발생하여 B의 [eqn: d_2]까지 전도되는데 1ms가 걸리므로 3ms일 때 B의 [eqn: d_2]는 활동 전위가 발생한지 2ms이 지난 시점이다. 그러므로 탈분극이 아닌 재분극이 일어나고 있다.

[정답] ④

ⓑ에 액틴 필라멘트가 있고 마이오신 필라멘트가 없으므로 ⓑ는 ㉠이다. ⓒ가 ㉡이 라면 ⓑ+ⓒ는 액틴 필라멘트의 길이로 [eqn: t _{1}]과 [eqn: t _{2}]에서 변하지 않는다. ⓑ+ⓒ의 값이 [eqn: t _{1}]과 [eqn: t _{2}]에서 서로 다르므로 ⓒ는 ㉢이고, ⓐ는 ㉡이다.

해설

ㄱ. H대는 액틴 필라멘트가 없고 마이오신 필라멘트로만 이루어진 부위이다. ⓒ는 ㉢이므로 H대이다.

ㄴ. ⓐ의 길이와 ⓒ의 길이를 더한 값은 [eqn: t _{1}]일 때가 [eqn: t _{2}]일 때보다 길다.

ㄷ. X의 길이가 P만큼 증가하면 ⓑ(㉠)의 길이는 [eqn: {1} over {2} rmP]만큼 증가하고 ⓒ(㉢)의 길이는 P만큼 증가한다. ⓑ+ⓒ의 길이는 [eqn: t _{1}]일 때가 [eqn: t _{2}]일 때보다 1.2㎛길므로 X의 길이는 [eqn: t _{1}]일 때가 [eqn: t _{2}]일 때보다 0.8㎛ 길다.

[정답] ⑤

골격근이 수축하여 X의 길이가 P만큼 감소하면 ㉠-㉡은

해설

P만큼 증가하고, ㉢의 길이는 [eqn: {1} over {2}]P만큼 감소한다.

ㄴ. t2에서 t3로 될 때 ㉢의 길이는 0.2 μm 감소하였으므로 ㉠-

㉡은 0.4 μm 증가하고, X의 길이는 0.4 μm 감소한다. 따라서

X의 길이는 t2일 때가 t3일 때보다 0.4 μm 길다.

ㄷ. t2에서 t1으로 될 때 ㉠-㉡이 0.6 μm 감소하였으므로, ㉢의 길이는 0.3 μm 증가한다. 따라서 t1일 때 ㉢의 길이는 0.8 μm이고, ㉠의 길이는 3.2—2×0.8=1.6(μm), ㉡의 길이는 ㉠-0.4=1.6-0.4=1.2(μm)이다. 따라서 t1일 때

[eqn: {㉠의`길이`+`㉢의`길이} over {㉠의`길이`+`㉡의`길이} = {1.6+0.8} over {1.6+1.2} = {6} over {7}]이다.

ㄱ. 근수축 과정에서 액틴 필라멘트의 길이는 변하지 않는다.

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[정답] ③

㉠은 마이오신 필라멘트만 있는 H대이고, ㉢은 액틴 필라멘트만 있는 I대이다. 마이오신 필라멘트가 있는 A대의 길이는 ‘㉠+㉡×2’의 길이로 나타낼 수 있다. A대의 길이는 근수축 과정에서 변하지 않으므로 [eqn: t _{1}]과 [eqn: t _{2}]에서 1.6 ㎛로 일정하다. 따라서 ㉠+㉡×2=1.6 ㎛인데, ㉠+㉡=1.3 ㎛이므로 ㉡의 길이는 0.3 ㎛이고, ㉠의 길이는 1.0 ㎛이다.

해설

[eqn: t _{1}]일 때 X의 길이는 ‘㉠+(㉡+㉢)×2’의 길이이므로 1.0+(0.3+0.7)×2=3.0 ㎛이다. [eqn: t _{2}]일 때 X의 길이는 ‘A대+㉢×2’의 길이이므로 1.6+0.5×2=2.6 ㎛이다.

ㄱ. [eqn: t _{1}]일 때 X의 길이는 ‘㉠+(㉡+㉢)×2’의 길이이므로 1.0+(0.3+0.7)×2=3.0 ㎛이다.

ㄷ. ‘㉡의 길이+㉢의 길이’는 한쪽 액틴 필라멘트의 길이로, [eqn: t _{1}]과 [eqn: t _{2}]에서 1.0 ㎛로 일정하다. H대는 ㉠이므로 [eqn: t _{2}]일 때 H대의 길이는 X의 길이-(㉡+㉢)×2=2.6-1×2=0.6 ㎛이다. 따라서 [eqn: t _{2}]일 때

[eqn: rm {H대의길이} over {㉡의길이+㉢의길이} = {0.6} over {1.0} = {3} over {5}]이다.

ㄴ. X의 길이에서 ㉠의 길이를 뺀 값은 ‘(㉡＋㉢)×2’의 길이, 즉 액틴 필라멘트의 길이이다. 액틴 필라멘트의 길이는 근수축 시 변하지 않으므로 X의 길이에서 ㉠의 길이를 뺀 값은 [eqn: t _{1}]일 때와 [eqn: t _{2}]일 때가 같다.

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