신생아의 체온 유지 방법(2014, 고3, 4월B)*

일반적으로 어른은 추위를 느끼면 몸을 떠는 등의 행동을 통해 열을 발생시켜 체온을 유지한다. 세포의 구성 물질인 미토콘드리아에서는, 음식물을 통해 얻은 포도당을 아데노신삼인산(ATP)의 형태로 바꾸어 저장해 둔다. 이후 체온이 내려가면 근육을 떠는 과정을 통해 ATP가 분해되어 열이 발생되는 것이다. 

그러나 신생아는 성인만큼 근육이 발달되어 있지 않아 체온을 유지할 정도로 근육을 떨 수 없어, 등뼈나 신장 주변에 분포한 갈색 지방 조직을 통해 체온을 유지한다. 갈색 지방 조직을 구성하는 갈색 지방 세포는 지방산이 포함된 기름방울과 미토콘드리아로 구성되어 있다. 일반 세포의 미토콘드리아는 기질, 내막, 외막, 내막과 외막 사이의 막간 공간 등으로 이루어져 있는데, ㉠갈색 지방 세포의 미토콘드리아 역시 그 구조는 같다. 하지만 열 발생 과정에서 내막에 있는 특정 단백질이 작용한다는 점이 다르다. 그 단백질이 작용하여 신생아가 체온을 유지하는 과정은 다음과 같다. 

신생아의 체온이 내려갔을 때, 뇌의 시상하부에서 신호를 보내면 교감 신경 말단에서 노르아드레날린이 분비된다. 이로 인해 갈색 지방 세포의 세포막에 있는 β 수용체가 자극을 받으면, 갈색 지방 세포 안에 존재하고 있던 지방산이 미토콘드리아의 외막과 내막을 거쳐 기질로 운반된다. 이후 지방산의 분해로 발생한 전자가 조효소에 의해 내막에 존재하는 막관통 단백질로 전달된다. 이로 인해 막관통 단백질들은 자신을 통로로 하여 기질에 이미 존재하고 있던 수소 이온(H+)을 막간 공간으로 이동시킨다.

그런데 수소 이온이 기질에서 막간 공간으로 이동하면, 막간 공간과 기질에 존재하는 수소 이온의 농도 차이가 발생한다. 이와 같은 농도 차이로 인해 양성자 이동력이라 부르는 에너지가 형성되고, 이 힘에 의해 수소 이온은 농도가 낮은 기질로 되돌아가게 된다. 그러나 내막은 수소 이온과 같은 양성자에 대해 불투과성이기 때문에 막간 공간으로 이동될 때와 같은 방식으로 내막에 존재하는 특정 단백질 통로를 거쳐야 한다.

이때 중요한 점은 수소 이온이, 갈색 지방 세포의 미토콘드리아에만 존재하는 ‘써모제닌’이라는 단백질 통로를 거쳐 이동한다는 점이다. 일반 세포의 미토콘드리아에서는 수소 이온이 기질로 되돌아갈 때 ATP 합성효소를 통과하게 되는데, 이때 양성자 이동력을 ATP 합성에 사용한다. 이와 달리 갈색 지방 세포의 경우 써모제닌은 양성자 이동력을 ATP 합성에 사용하지 않는다. 따라서 수소 이온은 양성자 이동력에 의해 가속도가 붙어서 기질의 수분 등과 부딪히게 되고 그 결과 열이 발생하게 되는 것이다. 

― 강해묵 외 옮김, 「생명-생물의 과학」

29.  <보기>는 ㉠의 일부를 나타낸 것이다. 윗글을 바탕으로 ⓐ~ⓒ를 이해한 내용으로 적절하지 않은 것은? [3점]

<보기>

① ⓐ와 ⓑ를 거친 지방산이 ⓒ에서 분해되면, ⓒ의 수소 이온이 ⓐ로 이동하게 될 것이다.

② ⓒ의 전자가 막관통　단백질에 전달되면, ⓐ에서 수소 이온이 생성될 것이다.

③ ⓐ와 ⓒ의 수소 이온 농도 차로 인해 ⓐ의 수소 이온은 써모제닌을 통과한다.

④ ⓐ의 수소 이온이 ⓒ로 이동할 때에는 일반 세포에서와 달리 가속도가 붙는다. 

⑤ ⓐ의 수소 이온과 ⓒ의 수소 이온은, 서로 다른 단백질 통로를 거쳐 각각 ⓒ와 ⓐ로 이동한다.

<보기>는 갈색 지방 세포의 미토콘드리아 일부로 ⓐ는 막간 공간, ⓑ는 내막, ⓒ는 기질이다. 3문단의 ‘막관통 단백질들은 자신을 통로로 하여 기질에 이미 존재하고 있던 수소 이온을 막간 공간으로 이동시킨 다.’를 통해 수소 이온은 전자가 막관통 단백질에 전달됨으로써 생성되는 것이 아니라 기질에 이미 존재 하고 있는 것임을 확인할 수 있다. 정답 ②.

① 3문단에서 ‘지방산이 미토콘드리아의 외막과 내막 을 거쳐 기질로 운반’되면 ‘이후 지방산의 분해로 발 생한 전자’가 ‘막관통 단백질로 전달’된다고 제시되어 있다. 또한 “이로 인해 막관통 단백질들은 자신을 통 로로 하여 기질에 이미 존재하고 있던 수소 이온을 막간 공간으로 이동시킨다.”라고 제시되어 있으므로 이를 통해 확인할 수 있다. ③ 4문단에서는 수소 이 온이 막간 공간으로 이동하면 막간 공간과 기질의 ‘수소 이온의 농도 차이로 인해 양성자 이동력이라 부르는 에너지가 형성’된다고 했으며, 5문단에서는 수소 이온이 ‘써모제닌이라는 단백질 통로를 거쳐 이 동’한다고 했으므로 이와 같은 내용들을 통해 확인할 수 있다. ④ 5문단의 ‘수소 이온은 양성자 이동력에 의해 가속도가 붙어서’라는 부분을 통해 확인할 수 있다. ⑤ 4문단에서 막간 공간의 수소 이온은 양성자 이동력에 의해 “농도가 낮은 기질로 되돌아가게 된 다.”라고 제시되어 있다. 또한 5문단에서 ‘갈색 지방 세포의 미토콘드리아에만 존재하는 써모제닌이라는 단백질 통로를 거쳐 이동’한다는 부분과, 3문단의 “막관통 단백질들은 자신을 통로로 하여 기질에 이미 존재하고 있던 수소 이온(H + )은 막간 공간으로 이동 시킨다.”라는 부분을 통해 확인할 수 있다.