고분자 상호 작용과 복합체의 구조에 관한 이해

고분자 상호 작용과 복합체 구조에 대해 알아보자!!

 

 

 

고분자들의 상호작용은 대부분의 생물학적 현상의 기조를 이룬다. 개개의 세포들 내부나 다양한 조직 기관들을 구성하는 세포들 사이의 구조적 요소들은 모두 고분자들로 구성되어 있다. 예를 들면 핵산은 단백질과 결합하여 염색체가 되며 바이러스의 핵산은 단백질로 된 껍질 속에 들어 있으며 뼈와 연골들은 단백질과 다른 고분자들이 복합하게 얽힌 복합체들이다. 또한 단백질은 지질과 상호작용하여 막을 이루며 세포 내용물들을 환경으로부터 분리하는 역할 세포 내용물들 간에도 구획을 이루어 분리시키는 역할을 한다. 마지막으로 다당류들은 세균이나 식물의 세포벽과 같은 대단히 복잡한 구조를 형성한다. 이와 같은 복합체 구조와 그 형성을 연구하는 것을 구조 생물학이라고 한다. 일부 구조들은 거의 완벽하게 밝혀졌으며 많은 부분들이 활발히 연구되고 있다. 이들 주제는 다음의 두 가지 점에서 선택하였다. 첫째로 이들은 일반적으로 중요한 것이거나 일반적인 원리로 설명되어질 수 있기 때문이며 다른 하나는 그 구조가 비교적 잘 밝혀졌기 때문이다. 이와 같은 예는 전형적인 것으로 살아있는 세포에서 대부분 단백질의 기능은 단독으로 작용하기 보다는 다른 단백질이나 고분자들과 상호작용으로 이루어진다. 그러면 먼저 E.coil의 염색체라는 하나의 고분자 복합체의 구조를 살펴보는 것으로 이 포스팅을 시작하겠다.

 

 

 

DNA 복합체의 구조 : E.coli 염색체

 

대부분의 세균들이 그렇듯이 E.coil의 모든 유전자들은 하나의 초나선 환상 DNA분자에 포함되어 있다. 이 원형의 총 길이는 약 1300um이다. 원통형의 균체는 반지름이 1um 길이가 3um이므로이 DNA가 균체내에 있으려면 고도로 접혀 있을 것이 분명하다. 실험 과정에서 분자가 파괴되거나 단백질이 변성되지 않도록 하여 E.coil DNA를 분리하면 박테리아 염색체 또는 핵양체라고 하는 구조를 볼 수 있다. 이 구조는 단백질과 한 가닥의 초나선 DNA분자로 구성되어 있다. 분리한 이 핵양체에는 약간의 RNA도 포함되어 있지만 이는 아마도 분리 과정헤서 핵양체에 결합하여  생긴 것으로 주요 구성 성분은 아닌 것으로 보인다. 위 그림에서 주목할 구조적인 특징은 DNA가 무수한 고리들 모양을 취하고 있다는 것이다. 이 고리들은 초나선으로 되어있으며 조밀한 단백질을 함유한 비계라고 하는 구조로부터 뻗어 나와 있다. 분리한 염색체의 물리적인 크기는 다양한 요인들에 의해서 결정되며 세포내에서 핵양체의 상태에 대해서는 약간의 논란이 있다. 핵양체를 단백질 분해 효소로 처리하거나 단백질간의 상호작용을 파괴하는 다양한 세제들로 처리하면 유리된 DNA 분자보다 더 응축되어 있지만 염색체가 눈에 띄게 팽창된다. 단백질을 제거하면 비계가 파괴되며 염색체는 응축정도가 다른 형태들 사이에서 계속적인 전환을 한다. 이 사실과 또 다른 과찰의 결과 염색체는 DNA의 여러 다른 지역이 비계와 결합함으로서 응축되어 있을 것이라는 결론에 도달하였다. 그러나 비계가 잘 정의된 조직으로서 진정한 구조물인지 여부는 알려져 있지 않다.

 

 

 

염색체의 거대 구조는 효소 처리로 밝혀졌다.

 

염색체를 극소량의 DNase로 처리하여 외가닥 사슬을 절단하고 원심분리하여 침강시키면 염색체의 물리적인 구조를 어느정도 알아볼 수 있다. 순수한 DNA가 전형적인 초나선 구조를 띄고 있을 때 DNA 한 사슬을 절단하면 반대편 사슬의 당인산 결합의 자유로운 회전으로 모든 초나선이 즉시 소실된다는 사실이 설명되어 있다. 동일한 분자량일 때 외사슬에 끊김이 있는 환상 분자는 초나선에 비하여 꼬임이 느슨하기 때문에 끊김이 있는 분자는 더 천천히 침강된다. 그러므로 끊김은 침강계수 S의 비약적인 감소를 일으킨다.

 

그러나 핵산분해효소 처리로 E.coil의 염색체에 단 하나의 끊김이 만들어 진 경우에 S는 단지 몇 퍼센트 정도만 감소하게 된다. 이에 더하여 두 번째 끊김이 생기면 S값은 두 번째 감소를 불러일으키면 추가적인 끊김이 증가하는 데 따라서 침강계수는 단계적 변화를 일으킨다. 약 45개 정도의 끊김이 생긴 뒤에는 염색체의 형태가 일정하게 유지된다. 이로 보아 단 하나의 끊김만으로는 전체적인 DNA분자의 자유로운 변환이 일어날 수 없다는 것이 명백하다. 이와 같은 실험 결과로부터 추정되는 E.coli 염색체의 구조를 나타내었다. DNA는 100여개의 자리가 비계에 고정되어 있어 자유로운 회전이 억제되어 있는 것으로 보이며 이는 DNA에 약 100개 정도의 초나선 고리가 있음을 의미한다. 그러므로 사슬 끊김 하나는 하나의 초나선 고리를 열리게 하며 추가적인 끊김은 평균적으로 다른 고리들을 풀리게 한다. 이와 같은 사실은 하나 또는 2개의 끊김을 가진 염색체를 전자현미경으로 관찰함으로써 확인될 수 있었다. DNA의 복제에서 중요한 역할을 하는 DNA 선회효소가 초나선을 형성하는데 기여한다. E.coli DNA 선회 효소의 억제제인 쿠머마이신을 E.coli배양액에 첨가하고 약 한 세대만 지나면 염색체의 초나선 구조가 사라져버린다. 염색체에서 선회효소의 결합부위를 간접적으로 측정하면 대략 45개 자리가 있는 것을 알 수 있다. 이 결합 부위의 공간적인 분포는 알려져 있지 않지만 각각의 초나선 고리에 하나의 결합 부위가 있을 것으로 추정된다. 

 

 

 

염색체와 염색질

 

진핵생물의 모든 DNA는 염색체라고 하는 형태적으로 분명한 단위로 구성되어 있다. 각각의 염색체는 단지 하나의 거대한 DNA를 포함하고 있다. 예를 들면 초파리에서 하나의 염색체 DNA는 분자량이 10의 10제곱 이상이고 길이는 1.2cm나 된다. 이들 DNA분자는 너무나 길기 때문에 전자현미경으로 전체를 다 볼 수 없는데 이는 최소 배율로 본다 하더라도 현미경의 시야가 대략 0.01cm에 불과하기 때문이다. 염색체는 DNA 분자보다 더 조밀하다. DNA 분자는 매우 심한 제한을 받기 때문에 스스로 접혀서는 염색체만큼 그렇게 조밀해질 수가 없다. 그 대신 DNA는 다단계 접힙 유형에 의해서 조밀하게 되며 그 각 단계는 하나 또는 여러 단백질 분자들에 의해 매개된다.