이화여대 2010학년도 수시 자연계열 5번 · mathesis.kr/archive/ewha/2010su/jayeon_5
문제
인체의 후각 감지 메커니즘에 관해 주목할 만한 연구 성과를 얻은 미국 컬럼비아대학의 리처드 액셀(Richard Axel) 교수와 워싱턴대학의 린다 벅(Linda Buck) 교수가 2004년도 생리학/의학 분야 노벨상을 수상하였다. 이들은 공기를 통해 코로 전달되는 수많은 냄새성분들이 생명체 내에 있는 다양한 냄새수용체와 조합적으로 결합하는 메커니즘을 최초로 규명하였다. 이들의 연구결과로 인체에 존재하는 제한된 개수의 냄새수용체로도 10,000여개의 서로 다른 냄새성분들을 구별할 수 있는 메커니즘이 설명될 수 있다.
(1) 어떤 생명체에 서로 다른 5가지 종류의 냄새수용체가 각각 하나씩 있으며, 공기 중에는 한 종류의 냄새성분 X가 3개 있다고 가정하자. 각각의 냄새성분 X는 적어도 어느 하나의 냄새수용체와 반드시 결합하여야 하며, 하나의 냄새수용체에는 냄새성분 X가 최대 2개까지 결합이 가능하다. 이 경우 냄새성분 X와 냄새수용체간에 가능한 모든 결합의 수를 구하시오.
(2) 위와 다른 생명체에는 서로 다른 7가지 종류의 냄새수용체(1∼7)가 각각 하나씩 있으며, 이들은 서로 다른 복수의 냄새성분들과 선택적으로 결합할 수 있다고 가정하자. 공기 중의 냄새성분 A∼D는 각각 3개씩 있고, 이들 모두는 반드시 냄새수용체와 결합하여야 한다. 이들이 결합할 수 있는 냄새수용체는 다음 표와 같다.
| 냄새성분 / 냄새수용체 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ||
| B | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ||
| C | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ||
| D | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
즉, 냄새성분 A는 1, 2, 4, 6, 7번 냄새수용체와, 냄새성분 B는 1, 3, 4, 5, 6번 냄새수용체와, 냄새성분 C는 1, 2, 3, 4, 5번 냄새수용체와, 냄새성분 D는 1, 2, 5, 6, 7번 냄새수용체와 결합이 가능하다.
모든 냄새수용체들이 최대 3개까지의 냄새성분들과 결합할 수 있고, 한 종류의 냄새성분은 하나의 냄새수용체와 최대 1개까지만 결합할 수 있다고 가정한다. 이들 냄새성분과 냄새수용체 간에 가능한 결합의 수는 얼마인지 설명하시오.
(3) (2)에서 새로운 냄새성분 E가 2개 추가되어 각각 냄새수용체와 결합하였는데, 냄새성분 A∼E와 냄새수용체 1∼7간에 가능한 결합의 수는 (2)의 결과와 동일하였다. 이 때 냄새성분 E가 어느 냄새수용체들과 결합하였는지 추론하시오.
이화여대 2010학년도 수시 자연계열 5번 · mathesis.kr/archive/ewha/2010su/jayeon_5
(1) 3개의 냄새성분 X가 5개의 냄새수용체와 결합하는 방법은 다음과 같다.① (2, 1) 결합: 두 개의 수용체에 성분 X가 2개, 1개씩 결합하는 경우의 수는 ② (1, 1, 1) 결합: 세 개의 수용체에 성분 X가 1개, 1개, 1개씩 결합하는 경우의 수는 ∴ 가지
(2) 이 문제 상황에서 주어진 가정은 다음과 같다.1) 냄새성분 A, B, C, D가 각각 세 개씩 총 12개 있다.2) 각 냄새성분은 냄새수용체(1∼7)의 다섯 개 중 하나와 반드시 결합한다.3) 하나의 냄새수용체에 같은 종류의 냄새성분 2개가 결합할 수 없다.4) 하나의 냄새수용체는 최대 3가지 냄새성분과 결합가능하다.5) 냄새수용체 1번만이 냄새성분 A, B, C, D와 결합이 가능하다.
위 조건을 이용하여 다음을 추론할 수 있다.① 12개의 냄새성분 A, B, C, D가 5개의 냄새수용체들과 결합하는 모든 경우의 수:② 냄새성분 A, B, C, D가 각각 하나씩 냄새수용체 1번과 결합하는 경우의 수:(즉, 냄새성분 A, B, C, D의 한 개씩 냄새수용체 1번과 결합하고, 나머지 두개의 냄새성분은 1번 이외의 냄새수용체와 결합하는 경우이다.)
∴ 냄새성분 A∼D가 냄새수용체 1∼7과 결합하는 방법은 ①에서 ②를 제외한 경우이다.① - ② = 10000 - 1296 = 8704
(3) 냄새수용체 3번은 냄새성분 B, C와 결합이 가능하고, 냄새수용체 7번은 냄새성분 A, D와 결합이 가능하다. 따라서 새로운 냄새성분 E가 3, 7번과 결합해도 최대 3개까지만 결합할 수 있다는 조건을 벗어나지 않아 경우의 수는 달라지지 않는다. 즉, 냄새수용체 3번의 (B, C) 결합이 (B, C, E) 결합으로, 냄새수용체 7번의 (A, D) 결합이 (A, D, E) 결합으로 변경될 뿐 전체 경우의 수는 변하지 않는다.
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