3-④. ⓐ 핵산은 유전 정보를 저장하고 전달한다

만약에 폴리펩타이드의 1차 구조가 단백질의 구조를 결정한다면, 1차 구조를 결정하는 것은 과연 무엇일까? 폴리펩타이드의 아미노산 서열은 유전자(gene)로 알려진 유전 단위에 의해 프로그램화되어있다. 유전자를 구성하는 DNA는 핵산(nucleic acid)이란 화합물 종류에 속하는 중합체이다.

[핵산의 역할]

두 종류의 핵산인 데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid,DNA)과 리보핵산(ribonucleic acid, RNA)은 살아 있는 생명체가 자신의 복잡한 구성성분을 한 세대에서 다음 세대로 복제 가능케 하는 분자이다. 분자 중 유일하게, DNA는 자기 자신의 복제를 지시하고 RNA 합성을 지휘하기도 하며, RNA를 통해 단백질 합성을 통제한다. DNA는 생명체가 부모로부터 물려받는 유전물질이다. 각 염색체는 보통, 몇백 개에서 천 개 이상의 유전자로 구성된 하나의 긴 DNA 분자를 갖고 있다. 세포가 분열에 의해 증식할 때. 세포의 DNA 분자는 복제되어 세포의 한 세대에서 다음 세대로 전해진다. DNA 구조에 세포 활동의 모든 것을 프로그램하는 정보가 암호화되어 있다. 하지만 DNA는 세포의 운명에 직접 관여하지는 않는데, 이는 컴퓨터 소프트웨어 자신이 은행 예금 명세를 인쇄하거나, 시리얼 상자에 있는 바코드를 읽을 수 없는 것과 유사하다. 예금 명세서를 출력할 때 프린터가 필요하고 바코드를 읽을 때 스캐너가 필요한 것처럼, 유전 프로그램을 수행할 때는 단백질이 필요하다. 세포의 분자 하드웨어는, 즉 대부분의 생물학적 기능을 수행하는 도구는 단백질로 구성되어 있다. 예를 들어, 혈액 내 산소 운반자는 헤모글로빈 단백질이지, 단백질의 구조를 지정하는 DNA가 아니다. 핵산의 또 다른 종류인 RNA는 어떻게 DNA부터 단백질까지의 유전 정보 흐름에 관여하는가? DNA 분자에 있는 각 유전자는 전령 RNA(mRNA)라는 RNA 유형의 합성을 지시한다. mRNA 분자는 전체 단백질 혹은 단백질의 부분으로 접히는 폴리펩타이드 생산을 지시하기 위해 세포의 단백질 합성 장치와 상호작용한다. 우리는 유전 정보의 흐름을 DNA → RNA → 단백질로 요약할 수 있다. 단백질을 합성하는 장소는 리보솜이라는 작은 세포 구조물이다. 진핵 세포에서 리보솜은 세포질 내에 있지만 DNA는 핵 내에 있다. 따라서 전령 RNA는 단백질을 합성하라는 유전적 지시를 핵으로부터 세포질로 전달한다. 원핵세포에는 핵은 없지만, 암호화된 정보를 아미노산 서열로 번역하는 리보솜과 세포의 다른 장치로 DNA 메시지를 전달할 때 RNA를 사용한다. RNA는 세포에서 여러 다른 역할도 수행한다.

[핵산의 구조]

핵산은 폴리뉴클레오타이드(polymucleolide)라는 중합체 형태로 존재하는 고분자이다. 이름에서 나타나듯이 각 폴리뉴클레오타이드는 뉴클레오타이드(nucleotide)라는 단위체들로 구성되어 있다. 뉴클레오타이드는, 질소 염기, 탄소 5개로 이루어진 당인 오탄당 그리고 인산기의 세 부분으로 구성되어 있다. 인산기가 제외된 기본단위의 부분을 뉴클레오사이드(nudeoside)라 한다. 

뉴클레오타이드 단위체: 뉴클레오타이드를 만들기 위해 먼저, 뉴클레오사이드의 두 구성요소인 질소 염기와 당을 검토해보도록 한다. 질소 염기에는 두 집단이 있는데, 이는 피리미딘과 푸린이다. 피리미딘(pyrimidine)은 탄소와 질소원자로 구성된 육각형 고리를 갖고 있다. 질소 원자는 용액으로부터 H+을 취하는 경향이 있는데, 이는 어떤 이유에서 질소 염기라 하는지를 설명해 준다. 피리미딘 집단에는 시토신(cytosine, C), 티민(thymine, T), 우라실(uracil, U)이 있다. 푸린(purines)은 피리미딘보다 크고, 육각형 고리가 오각형 고리와 합쳐져 있다. 푸린에는 아데닌(adenine, A)과 구아닌(guanine, G)이 있다. 특정 피리미딘과 푸린은 고리에 붙어 있는 작용기에 차이가 있다. 아데닌, 구아닌 그리고 시토신은 두 총류 핵산 모두에서 발견되지만, 티민은 DNA에서만, 우라실은 RNA에서만 각각 발견된다. 질소 염기와 연결된 당은, RNA 뉴클레오타이드에서는 리보스(ribose)고, DNA에서는 데옥시리보스(deoxyribose) 이다. 두 당 사이의 유일한 차이는 데옥시리보스의 경우 고리의 두 번째 탄소에 산소 원자가 없다는 것이다. 따라서, 그 이름이 데옥시리보스이다. 질소 염기와 당에 있는 원자 모두에 번호가 매겨져 있어, 둘을 구분하기 위해서 당 원자 번호 뒤에 표시한다. 따라서 당 고리의 두 번째 탄소는 2, 당에 막대처럼 튀어나온 탄소는 5' 탄소이다. 이제까지 뉴클레오사이드를 만들어 보았다. 뉴클레오타이드를 완성하기 위해서는 인산기가 당의 5' 탄소에 붙어야 한다. 그러면 분자는 뉴클레오타이드로 더 잘 알려진, 뉴클레오사이드 단 인산염이 된다.

뉴클레오타이드 중합체: 이제 뉴클레오타이드가 어떻게 연결되어 폴리뉴클레오타이드를 만드는지를 살펴보자. 인접한 두 뉴클레오타이드는 한 뉴클레오타이드의 3 탄소에 있는 -0H기와 다음 뉴클레오타이드의 5 탄소에 있는 인산기 사이의 인산 다이에스터결합으로 연결된다. 이런 결합은 당, 인산 단위의 반복되는 패턴을 갖는 골격을 만든다. 중합체의 두 자유 말단은 확연하게 서로 다르다. 한쪽 말단은 5' 탄소에 붙어 있는 인산기를 갖고 있고, 다른 쪽 말단은 3 수산기를 갖고 있다. 이것을 5' 말단과 3' 말단이라고 각각 부르기도 한다. 그러므로 DNA 가닥은 일방통행 차로처럼, 당-인산 골격을 따라 5'→ 3' 쪽으로 고유의 방향성을 갖고 있다고 할 수 있다. 이런 당-인산 축을 따라서 질소 염기로 구성된 첨가물이 위치한다. DNA(흑은, mRNA) 중합체를 따라 배열된 염기서열은 유전자마다 독특하며, 아주 특이적인 정보를 세포에 제공한다. 유전자는 수백부터 수천 개의 뉴클레오타이드로 되어 있어, 가능한 염기서열의 수는 거의 무한대이다. 세포에 대해 유전자가 의미하는 것은 네 가지 DNA 염기의 특정 서열에 암호화되어 있다. 예를 들어, AGGTAACTT 서열과 CGCTTTAAC 서얼이 의미하는 것은 서로 다르다. 물론, 실제 유전자는 훨씬 길다. 한 유전자에 있는 선형 염기서열은 단백질의 아미노산 서열, 즉 1차 구조를 지정하며, 이는 세포에서 단백질의 3차 구조와 기능을 지정한다.

 

참고문헌: 전상학, 생명과학8판, 바이오사이언스, 2009