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7강. 유전자에서 단백질까지
이 강의안은 『핵심생명과학』(2013. 바이오사이언스) 자료를 토대로 제작되었습니다.
생명과 성
DNA는 유전자의 물질적 실체이다
초기 유전학자들의 대부분은 유전자가 단백질이라고 생각했다. 그들은 단백질은 복잡하고 다양한 반면, 핵 산은 정보를 저장하기에는 너무나 간단한 분자에 불과 하다고 생각했다.
여러 실험 증거가 DNA가 유전물질임을 뒷받침하였고, 1952년 Hershey-Chase 실험 결과가 이를 결정적으로 확증하였다.
대장균 세포에 DNA와 단백질로만 이루어진 T2 박테리오파지로 감염시키면 단지 T2의 DNA만 대장균 세포 속으로 들어간다.
이 DNA는 바이러스가 증식하고 새로운 바이러스를 만드는 데 충분하다.
DNA 구조 규명-1
James Watson과 Francis Crick은 Rosalind Franklin 의 X선 회절 사진을 근거로 하여 DNA가 이중나선형 이라는 것을 추론하여 1953년 4월 25일자 Nature 학 술지에 발표하였다.
두 가닥의 당-인산사슬이 DNA구조 바깥쪽에 존재하며 나선구 조를 이루고 있다.
이중나선의 폭은 2 nm, 나선을 한 바퀴 돌면 3.4 nm이고 이 안에 10쌍의 염기결합이 있다.
DNA 구조 규명-2
아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T), 시토신(C) 4개의 질소 염기, 5탄당, 인산이 모여 뉴클레오티드(nucleotide)를 구성한다.
DNA는 이 뉴클레오티드의 중합체(polynucleotide)이 다.
각 뉴클레오티드에는 질소를 가진 염기가 있는데, 이들은 두 개 의 링 구조를 지닌 퓨린(A, G)이나 한 개의 링 구조를 지닌 피리 미딘(C, T) 중 하나이다.
각 염기는 5탄당인 디옥시리보오스와, 이 5탄당은 인산과 공유 결합하고 있다.
DNA 구조 규명-3
아데닌(A)은 티민(T)과 두 개의 수소결합을 이루고 구 아닌(G)은 시토신(C)과 세 개의 수소결합을 이룬다.
DNA의 두 가닥 사이에 상보적 염기쌍을 이루기 때문 에 만약 어느 한 가닥의 염기서열을 안다면 다른 가닥 의 염기서열을 예측할 수 있다.
각 DNA 분자는 이중나선으로 된 두 개의 폴리뉴클레 오티드 가닥이다.
두 가닥은 역평형이고, 한쪽 끝은 5′말단으로 5′ 디옥 시리보오스 탄소에 인산이 붙어 있고 다른 한쪽은 3′
말단으로 3′ 디옥시리보오스 탄소에 OH가 붙어 있다.
DNA 복제(DNA replication)
DNA 복제는 반보존적(semiconservative)이다.
부모 DNA 이중나선이 풀어지고 각각의 가닥은 염기쌍 법칙에 근거하여 새로운 가닥을 합성하는 데에 주형가닥으로 이용된다.
말단소체(telomere)
진핵세포 염색체는 말단소체라고 하는 유전정보를 암 호화하지 않고 짧은 DNA 서열의 반복으로 마무리되 어 있다.
DNA 중합효소의 DNA 복제 방식 때문에 말단소체는 세포주기마다 조금씩 짧아진다. 그러나 원형 구조의 염색체를 지닌 세균에서는 이런 일이 일어나지 않는다.
생식세포의 경우, 말단소체복원효소(telomerase)가 있어서 DNA가 짧아지는 것을 막는다.
대부분의 체세포에서는 말단소체 복원효소가 없어서 세포노화 를 일으킬 수 있고, 이로 인해 세포는 어느 정도 분열하면 분열할 수 있는 능력을 잃게 된다.
대부분의 암세포는 말단소체의 길이를 유지하고 세포괴사를 막 는 말단소체 복원효소를 가지고 있다.
중심원리(Central dogma) 유전정보의 흐름
유전자가 전사(transcription)를 거쳐 RNA의 번역 (translation)에 의해 단백질이 합성되는 과정을 중 심원리라고 한다.
전사는 DNA에서 RNA로 정보를 전달하는 과정이다(뉴클레오 티드 → 뉴클레오티드; 같은 언어 ∴ 전사).
번역은 RNA의 뉴클레오티드 서열에서 폴리펩티드의 아미노산 서열로의 정보전달이다(뉴클레오티드 → 아미노산; 다른 언어,
∴ 번역).
RNA상에서 유전정보는 겹쳐지지 않는 3염기가 하나 의 조를 이루는 서열, 즉 코돈(codon)으로 암호화되 어 있다.
20가지의 아미노산을 4가지의 염기가 담당하기 위해서는 3개의 염기가(43) 한 묶음으로 작용하여야 한다(3자 암호).
코돈: 유전암호
실험을 통해 64(4 x 4 x 4)가 지의 3염기 묶음 각각이 담 당하는 아미노산의 종류가 결정되었다.
전령 RNA(mRNA)의 코돈 은 아미노산으로 번역되거 나(61코돈) 번역(단백질합 성)종결신호(3코돈) 기능을 수행한다. 메티오닌을 암호 화하는 코돈은 번역을 개시 하는 역할도 한다.
코돈은 생성될 특정 폴리펩 티드를 위한 정확한 번역틀 을 따라 번역되어야 한다.
전사: DNA 정보를 이용한 RNA 합성
RNA 합성은 티민(T)이 우라실(U)로 치환되는 것을 제 외하고는 DNA 복제와 똑같은 염기쌍 형성규칙을 따 른다.
번역: RNA 정보를 이용한 폴리펩티드 합성
점돌연변이와 단백질
1개의 DNA 염기쌍의 변화이다 점돌연변이는 기능을 못하는 단백질을 만들거나 단백질을 아주 만들지 못하 게 할 수 있다.
염 기 쌍 치 환 은 미 스 센 스 (missense) 돌 연 변 이 나 넌 센 스 (ninsense) 돌연변이를 일으킬 수 있다.
염기쌍 삽입이나 결실은 번역틀이 바뀌는 돌연변이(frameshift mutation)를 일으키게 된다.
자연발생 돌연변이는 DNA 복제, 재조합, 수선과정에 서 일어날 수 있다. 화학적, 물리적 돌연변이 유발원 역 시 유전자를 변화시킬 수 있다.
주요 개념 확인
DNA가 유전물질인 논리적 증거와 실험적 증거를 설 명해 보자.
생식세포에 말단소체복원효소가 없다면 어떤 일이 생 길지 설명해 보자.
중심원리의 의미를 설명해 보자.
유전암호의 단위가 3개의 뉴클레오티드인 논리적 이 유 설명해 보자.
점돌연변이 중 염기쌍 삽입이나 결실에 의한 돌연변이 가 치환에 의한 돌연변이보다 단백질 구조에 훨씬 심 각한 결과를 초래하는 이유를 설명해 보자.
