Chapter 10

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Lectures for

Campbell Essential Biology with Physiology, Third Edition – Eric Simon, Jane Reece, and Jean Dickey

Chapter 10

DNA의 구조와 기능

우리와 함께하는 생물학:

살인범 추적하기

• 독감 바이러스는 세상에서 가장 치명적인 병원체 중의 하나임 [그림 10.0]

• 미국에서 매년 20,000명 이상이 독감 감염으로 사망함.

• 1918년과 1919년 사이 꼭 18개월 동안 전 세계적으로 약 4,000만 명이 사망함

• 독감백신이 공중보건을 지키는 최선의 방법임

• 독감 바이러스는 돌연변이가 신속하게 일어나므로, 매년

새로운 백신이 만들어져야만 함

그림 10.0 독감 바이러스

사람을 죽일 수도 있지만 독감은 단백질과 핵산으로 이루어진 상대적으로 아주 단순한 바이러스에 의해 일어난다.

DNA: 구조와 복제

• DNA가

– 세포에 있는 화학물질이라는 것이 1800년대 말엽에 알려졌으며 – 유전정보를 저장하고 능력을 가지며

– 복제되고 그런 다음 세대로 전달될 수 있다

10.1 DNA와 RNA의 구조

• DNA와 RNA는 핵산임

– 이들은 뉴클레오티드(nucleotide)라 부르는 화학적 단위(단량체)로 이루어져 있다[그림 10.1]

– 이들 뉴클레오티드는 당-인산 골격(sugar-phosphate backbone)에 의해 서로 연결되어 있다

허시와 체이스의 실험(Animation: Hershey-Chase Experiment) DNA와 RNA의 구조 (Animation: DNA and RNA Structure)

당-인산 골격 인산기

질소성염기

DNA 뉴클레오티드

뉴클레오티드 티민(T)

당

폴리뉴클레오티드 이중나선DNA

(디옥시리보오스)당 인산기

질소성 염기

(A나 G나 C나 T일 수 있다) 그림 10.1 DNA 폴리뉴클레오티드의 화학구조

• DNA를 구성하는 네 종류의 뉴클레오티드는 질소성 염기만 서로 다른데, 이들 염기는

– 티민(thymine, T) – 시토신(cytosine, C) – 아데닌(adenine, A)

– 구아닌(guanine, G) 이다

• RNA는 티민 대신 우라실(uracil, U)을 갖는다

10.2 왓슨과 크릭이 발견한 이중나선

• 왓슨과 크릭은 DNA가 이중나선(double helix)으로 되어 있음을 밝혀 냄

• 왓슨과 크릭은 DNA의 기본구조를 밝히기 위해 X선- 결정사진 자료를 사용하였음

– 이 X선-결정사진은 로잘린 프랭클린이 찍은 자료였다

• 이 DNA 모델은 단단한 나무 가로발판이 매달려 있는 줄사다리가 나선으로 꼬여 있는 것과 같은 구조인데,

– 양쪽에 있는 밧줄은 당-인산골격을 나타내며

– 각 나무 가로발판은 수소결합으로 연결된 염기쌍을 나타낸다

• DNA 염기는 상보적인 방식으로 쌍을 이루는데, [그림 10.2]

– A는 T와 쌍을 이루며 – G는 C와 쌍을 이룬다

DNA 이중나선(Animation: DNA Double Helix)

DNA에서 수소결합(Blast Animation: Hydrogen Bonds in DNA)

DNA 이중나선의 구조(Blast Animation: Structure of DNA Double Helix)

(c)

(b)

(a)

수소결합 그림 10.2 DNA를 표현하는 세 가지 방법

10.3 DNA 복제

• 세포가 생식할 때 완전한 DNA 복사본이 한 세대에서 다음 세대로 전달되어야 함

• DNA에 대한 왓슨과 크릭의 모델은 즉시 각 DNA 는 주형 메커니즘에 의해 복제하리라는 것을 암시하고 있었음[그림 10.3]

DNA 복제의 복습(Animation: DNA Replication Review) DNA 복제의 개관(Animation: DNA Replication Overview)

어버이(헌) DNA 분자

딸(새)가닥

딸 DNA 분자 (이중나선) 그림 10.3 DNA 복제

• DNA는 자외선에 의해 손상될 수 있음

• DNA 중합효소(DNA polymerase)는

– 효소이며

– 새로운 DNA 가닥의 뉴클레오티드 사이에 공유결합을 만들고 – 손상된 DNA의 수선에도 관여한다

• 진핵생물에서 DNA 복제는

– 복제기점이라고 불리는 이중나선의 특정 위치에서 시작되며 – 양방향으로 진행된다

선도가닥(Animation: Leading Strand) 지연가닥(Animation: Lagging Strand)

DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 유전정보

• DNA가 세포와 생물에 유전지령으로써 기능을 함

• 이들 지령이 어떻게 수행되는가?

10.4 생물의 유전자형이 표현형을 어떻게 결정하나

• 생물의 유전자형은 그 생물의 유전자 구성, 즉 DNA에 있는 뉴클레오티드 염기의 서열을 말함

• 표현형은 그 생물의 물리적인 형질을 말하는데, 그것은 다양한 단백질의 작용에 의해 생김

• DNA는 두 단계를 통해 단백질을 만들어 내는데, [그림 10.4]

– DNA의 유전정보를 RNA 분자로 옮기는 전사(transcription)와 – RNA에 있는 정보를 단백질로 옮기는 해독(translation)이다

• 한 유전자의 기능은 하나의 폴리펩티드의 생산을 명령하는 것임

• 단백질이 두 개 이상의 폴리펩티드 사슬로 이루어질 수도

있음

해독 단백질

RNA

전사 DNA

세포질 핵 그림 10.4 진핵세포에서 유전정보의 흐름

10.5 뉴클레오티드에서 아미노산으로: 개관

• DNA에 있는 유전정보가

– RNA로 전사되고

– 그런 다음 폴리펩티드로 해독된다

• 무엇이 핵산의 언어인가?

– DNA에서 그것은 한 줄로 된 뉴클레오티드 염기의 서열임[그림 10.5]

– 보통 유전자는 수천 개의 뉴클레오티드로 되어 있음 – DNA 한 분자는 수천 개의 유전자를 가지고 있음

• DNA의 한 부분이 전사되면, 그 결과로 얻어지는 것은 RNA 분자임

• 그런 다음 RNA는 폴리펩티드의 아미노산 서열로 해독됨

해독

아미노산

RNA

전사 DNA 가닥

폴리펩티드

코돈 유전자 1

유전자 3

유전자 2 DNA 분자

그림 10.5 코돈의 전사와 해독

• RNA 메시지가 폴리펩티드로 해독되는 규칙은 어떤 것인가?

• 코돈(codon)이라는 것은 3개의 염기로 이루어진

3염기조를 말하는 것인데, 이것은 한 아미노산의 암호에

해당함

10.6 유전암호

• 유전암호(genetic code)는

– 뉴클레오티드 서열과 아미노산 서열 사이를 연결하는 한 세트로 된 규칙을 말하며, [그림 10.6]

– 모든 생물에서 같이 사용된다

• 64개의 3염기조 중에서

– 61개가 아미노산을 지정하는 아미노산의 맘호에 해당하고 – 다른 3개는 폴리펩티드의 끝을 나타내는 종결코돈이다

RNA 코돈의 두 번째 염기

RN A 코돈의 첫 번째 염기

페닐알라닌 (Phe)

류신 (Leu)

Cysteine (Cys)

류신(Leu)

이소류신 (Ile)

발린 (Val)

메티오닌 또는 개시

세린(Ser)

프롤린 (Pro)

트레오닌 (Thr)

티로신 (Tyr)

히스티딘(His)

글루타민 (Gln)

아스파라긴 (Asn)

알라닌(Ala)

종결 종결

종결

아스파르트 산(Asp) 리신 (Lys)

아르기닌(Arg) 트립토판 (Trp)

아르기닌(Arg) 세린 (Ser)

글리신(Gly)

RN A 코돈의 세 번째 염기

그림 10.6 RNA 코돈으로 표시된 유전암호 사전

10.7 전사: DNA에서 RNA로

• 전사는

– DNA 주형으로부터 RNA를 만드는 것을 말하며[그림10.7a]

– DNA 복제와 닮은 과정을 사용하는데 – U가 T를 대신하고 있다

• RNA 뉴클레오티드는 RNA 중합효소(RNA polymerase)에 의해 연결됨

• 한 유전자의 전사과정[그림 10.7b]

만들어진새로 RNA

RNA 뉴클레오티드 RNA 중합효소

DNA의 주형가닥

전사의 방향

RNA 중합효소 완성된 RNA

신장 중인 RNA 종결

신장

개시 종결신호 DNA

왼쪽의 (a)에서 보았던 부분 RNA

프로모터 DNA

RNA 중합효소

유전자의 DNA

그림 10.7 전사

전사의 개시

• “전사 시작”을 알리는 신호에 해당하는 뉴클레오티드 서열을 프로모터(promoter)라 부름

• 전사의 첫 번째 단계는 개시 단계인데, 여기에서

– RNA 중합효소가 프로모터에 부착하여 – RNA 합성의 시작된다

RNA 신장

• 전사의 두 번째 단계인 신장 단계에서

– RNA가 점점 길어지며

– RNA 가닥의 그 부위는 DNA 주형으로부터 떨어져 나온다

전사(Blast Animation: Transcription)

전사의 종결

• 전사의 세 번째 단계인 종결 단계에서

– RNA 중합효소가 주형에 있는 종결신호(terminator)라고 부르는 특정 DNA 염기서열에 도달하게 되면

– RNA 중합효소는 RNA로부터 떨어져 나오고 – DNA 가닥은 다시 재결합한다

10.8 진핵세포 RNA의 가공

• 전사 후에

– 진핵세포의 경우에는 RNA 가공이 일어나지만 – 그러나 원핵세포에서는 가공이 일어나지 않는다

• RNA 가공과정에서는 [그림 10.8]

– 모자(cap)와 꼬리(tail)가 첨가되며 – 인트론(intron)들이 제거되고

– 엑손(exon)이 서로 연결되어 mRNA가 만들어진다

전사모자와 꼬리의 첨가

암호서열 mRNA

DNA

세포질 핵

엑손이 서로 연결

제거된 인트론 꼬리 모자와 모자

꼬리를 가진 RNA전사체 모자

그림 10.8 진핵세포에서 전령 RNA(mRNA)의 생산

전령 RNA(mRNA)

• 해독에 필요한 성분은

– mRNA와 – ATP와 – 효소와 – 리보솜과

– 운반 RNA(tRNA)이다

10.9 해독: 선수들

• 해독은 핵산 언어를 단백질 언어로 전환하는 것에 해당함

운반 RNA(tRNA)

• 운반 RNA(tRNA)는 [그림 10.9]

– 분자통역자로 행동하며 – 아미노산을 운반하고

– 안티코돈(anticodon)을 사용하여 mRNA의 코돈과 아미노산을 서로 맞물리게 만들어준다

tRNA 폴리뉴클레오티드

RNA 폴리뉴클레오티드 사슬

안티코돈 수소결합

아미노산 부착 부위

tRNA 그림 10.9 tRNA의 구조

리보솜

• 리보솜은 세포소기관인데, [그림 10.10a]

– mRNA와 tRNA의 기능을 조정하는데

– 두 개의 단백질 소단위로 이루어져 있으며 – 리보솜 RNA(rRNA)를 포함하고 있다

• 완전히 조립된 리보솜은 해독에 사용할 mRNA와 tRNA를

붙잡음[그림 10.10b]

폴리펩티드에 첨가될 다음 아미노산 신장 중인

폴리펩티드

tRNA mRNA

tRNA 결합 부위

코돈 Ribosome

(b) 해독에서“선수들”.

(a) 리보솜의 단순한 그림

큰소단위 작은소단위 P 자리

mRNA 결합부위

A 자리 그림 10.10 리보솜

10.10 해독: 과정

• 해독과정은 전사와 마찬가지로 3단계로 나눌 수 있는데,

– 개시와 – 신장과 – 종결이다

개시

• 개시는

– mRNA와 [그림 10.11]

– 첫 번째 아미노산인 Met가 결합되어 있는 tRNA와 – 리보솜의 두 소단위들을 함께 모이게 된다

• mRNA 분자는 리보솜에 결합하도록 돕는 모자와 꼬리를 가지고 있음

• 개시는 두 단계로 일어나는데, [그림 10.12]

– 먼저 mRNA 분자는 작은 리보솜 소단위와 결합하고, 그런 다음 개시 tRNA가 개시코돈(start codon)에 결합한다

– 그 다음 큰 리보솜소 단위는 작은 소단위와 결합하여 기능을 갖춘 리보솜이 만들어지게 된다

유전정보의 시작

꼬리

끝 모자

그림 10.11 mRNA 분자

개시 tRNA

mRNA

개시코돈 Met

P 자리

리보솜의작은 소단위

A 자리 리보솜의큰 소단위 그림 10.12 해독의 개시

신장

• 신장은 세 단계로 일어나는데, [그림 10.13]

– 1단계 코돈인지(codon recognition):

– 들어오는 tRNA분자의 안티코돈은 리보솜의 A자리에 있는 mRNA 코돈과 염기쌍을 이룬다

– 2단계 펩티드결합 형성(peptide bondformation):

– P자리에 있는 tRNA에 붙어 있던 폴리펩티드는 분리되어 A자리에 있는 tRNA에 붙어 있는 아미노산에 부착되는데 – 이때 리보솜은 두 아미노산 사이에 펩티드결합의 형성을

촉매한다

새로운펩티드 결합 종결코돈

mRNA 이동

mRNA P 자리

펩티드결합 형성 폴리펩티드

신장 코돈인지

A자리 코돈

안티코돈

아미노산 그림 10.13 폴리펩티드의 신장

– 3단계 전이(translocation):

– P자리의 tRNA는 리보솜을 떠나가고

– 폴리펩티드를 지닌 tRNA는 A자리에서 P자리로 이동하여 옮겨 간다

해독(Animation: Translation)

종결

• 신장은

– 리보솜이 종결코돈(stop codon)에 이르게 되고 – 완성된 폴리펩티드가 떨어져 나오고

– 리보솜은 소단위로 해체될 때까지 계속된다

10.11 복습: DNA → RNA → 단백질

• 진핵세포에서 유전정보는, 핵 안에서는 DNA로부터 RNA로, 그리고 세포질에서 RNA로부터 단백질로 흐름

• 일단 폴리펩티드가 만들어지면, 그것은

– 꼬이고 접혀져서

– 3차원의 형태, 즉 3차구조를 만든다

• 여러 개의 폴리펩티드가 함께 모여 4차구조를 갖는 단백질을 만들기도 함

• 전사와 해독은 유전자가

– 세포의 구조와

– 활동을 조절하는 방법이다

10.12 돌연변이

• 돌연변이(mutation)는 DNA 뉴클레오티드 서열에서 어떤 변화가 생긴 것을 말함

• 돌연변이는 한 단백질에 아미노산을 바꿀 수도 있음

• 돌연변이는

– 염색체의 큰 부위가

– 또는 낫적혈구병에서처럼 단 하나의 뉴클레오티드 쌍만 관련될 수 있다

돌연변이의 유형

• 한 유전자 내에 일어나는 돌연변이는 [그림 10.14]

– 하나의 염기가 다른 염기로 대체되는 염기치환이나 – 뉴클레오티드를 잃게 된 뉴클레오티드의 결실이나

– 뉴클레오티드가 첨가되는 뉴클레오티드 삽입의 결과로 일어난다

• 삽입 또는 결실된 돌연변이는

– 유전메시지의 해독틀이 변할 수 있어서 – 심각한 결과를 초래할 수 있다

정상 유전자의 mRNA와 단백질

결실된 (a) 염기치환

(b) 뉴클레오티드 결실삽입된 그림 10.14 두 종류의 돌연변이와 그 영향

돌연변이원

• 돌연변이는

– DNA 복제과정에서 실수나

– 돌연변이원(mutagen)이라는 물리적 그리고 화학적 요인에 의해 일어난다

• 돌연변이는 자주 해로운 영향을 미치지만, 이것은

생물계에서 자연선택에 의한 진화에 필요한 유전자

다양성의 출처가 됨

바이러스와 그 밖의 다른 비세포성 감염체

• 바이러스는 살아 있는 생물체의 특성 전부는 아니지만 몇몇 특성을 보여주는데, 바이러스는

– 핵산 형태의 유전물질을 가지고 있으며

– 세포로 되어 있지 않으며 스스로 생식할 수는 없다

10.13 박테리오파지

• 박테리오파지(bacteriophage) 또는 간단히

파지(phage)라고도 부르는 이것은, 세균을 공격하는 바이러스를 말함[그림 10.15]

• 파지는 두 가지 생활사를 가짐

(1) 용균성 생활사(lytic cycle)에서는

– 복제된 많은 파지가 세균세포 안에서 만들어진 다음 – 세균은 용해(부수어져 열리게)된다

(2) 용원성 생활사(lysogenic cycle)에서는

– 파지 DNA가 세균의 염색체에 삽입되며

– 매 세포분열마다 파지가 복제되면서 세균은 정상적으로 생식한다

T2 파지의 증식생활사(Animation: Phage T2 Reproductive Cycle)

세균세포

머리

꼬리 꼬리섬유

바이러스의 DNA

박테리오파지

그림 10.15 세균세포에 감염하는 박테리오파지(바이러스)

10.14 식물바이러스

• 식물세포에 감염하는 바이러스는

– 식물의 성장을 저해하며 – 생산량을 감소시키고 – 식물 전체로 퍼져나간다

• 식물 바이러스병은

– 치료방법이 없고

– 바이러스 감염에 내성을 갖는 식물 품종을 개발하는 것이 최선의 예방법이다

T4 파지의 용균성 생활사(Animation: Phage T4 Lytic Cycle) 람다 파지의 용원성 및 용균성 생활사

(Animation: Phage Lambda Lysogenic and Lytic Cycles )

10.15 동물바이러스

• 동물세포에 감염되는 바이러스는

– 질병의 보통의 원인이며 [그림 10.16]

– RNA나 DNA 게놈을 가질 수 있다

• 일부 동물바이러스는 보호외피막으로서 약간의 숙주세포막을 차용함

• 외피막바이러스의 증식생활사는 7단계로 나눌 수 있음

단백질 외투

RNA

단백질 돌기

외피막 그림 10.16 독감 바이러스

과학연구의 과정:

독감백신이 과연 노인을 보호하는가?

• 관찰: 노인의 백신 접종이 1980년에 15%이던 것이 1996년에는 65%로 증가되었다

• 의문: 독감백신이 백신접종을 받은 노인들의 사망률을 감소시키는가?

• 가설: 면역이 된 노인에서는 백신접종 후에 맞이한 겨울에 병원입원과 사망이 더 적을 것이다

• 실험: 1990년대 10번의 독감계절 동안에 65세 이상의 사람

수만 명을 추적하였다.

• 결과: 백신을 접종한 사람은 [그림 10.17]

– 다음 독감계절에 병원에 입원할 가능성은 27% 이하였고 – 사망할 가능성은 48% 이하였다

입원 사망

백신접종그룹에서 심각한병과사망의백분율감소

(독감 계절)겨울기간 여름기간 (비독감 계절)

16

0 27

50 48

20 40 30

10 0

그림 10.17 노인에서 독감백신의 효과

10.16 에이즈 바이러스인 HIV

• HIV는 DNA 분자를 재생산하는 RNA 바이러스, 즉 레트로바이러스(retrovirus)임 [그림 10.18]

• 레트로바이러스는 RNA를 주형으로 하여 DNA를 합성하는 역전사효소(reverse transcriptase)를 사용함

• HIV는 보호 외피막으로서 숙주의 세포막을 차용함

• 감염된 세포에서 HIV 핵산의 행동을 6단계로 나눔

에이즈 치료전략(Blast Animation: AIDS Treatment Strategies)

외피막

역전사효소 표면단백질 단백질 외투

RNA (2개의 동일한

가닥)

그림 10.18 에이즈 바이러스인 HIV

• 에이즈(AIDS, [acquired immunodeficiency syndrome, 후천성면역결핍증])는

– 에치아이비(HIV, 사람면역결핍 바이러스) 감염이 그 원인이며 – 모두 바이러스의 증식을 방해하는 약제로 치료한다 [그림 10.19]

T 뉴클레오티드 한 부분 티민(T)

AZT 그림 10.19 AZT와 T 뉴클레오티드

10.17 비로이드와 프리온

• 바이러스는 작고 단순하지만 그러나 이들보다 더 작은 두 종류의 병원체인 비로이드와 프리온이 있는데,

– 비로이드는 단백질을 암호화하지 않는 작은 원형 RNA 분자이고 – 프리온(prion)은 정상 단백질 분자를 잘못 접힌 프리온 버전으로

전환시키는 잘못 접힌 단백질 분자를 말한다

• 프리온은 퇴행성 뇌질환을 일으키는데, 여기에는

– 광우병과

– 양과 염소의 스크래피와

– 사슴과 엘크에서 만성쇠약병과

– 사람의 크로이츠펠트야콥병이 있다