DNA, RNA 유전물질의 특성

유전 물질의 특성에 대해 알아보자!!

 

 

 

이미 지난 일은 쉽게 이해할 수 있다는 말이 있듯이 형질전환 실험의 결과와 Hersh-Chase 실험 및 그에 뒤이은 실험들로 DNA가 살아있는 유기체의 유전물질임이 명백해졌다. 과학자들이 Chargaff의 DNA 염기 조성에 대한 연구를 재고하고 DNA의 물리 화학적 성질을 재검토하기 시작하면서 모든 것이 쉽게 이해되기 시작하였으며 곧 DNA는 유전물질로서의 역할에 특별히 잘 맞는 여러 특성들을 갖고 있다는 것이 명확해졌다.

 

1. DNA는 필요에 따라 세포 내에서 발현되는 유전정보를 저장하는 능력이 있다.

2. 이 정보는 최소한의 오류와 함께 딸세포에 전달될 수 있다.

3. DNA는 물리 화학적으로 안정하므로 그 정보는 오랜 세월이 지나도 소실되지 않는다.

4. DNA는 부모의 정보를 많이 손실하지 않고도 유전적으로 변화할 수 있는 능력을 갖는다.

 

자 그럼 이러한 DNA의 각 특성을 조사해 보고 이 각각의 성질들이 DNA가 유전 정보로서의 기능을 수행하는데 어떻게 기여하는지를 살펴보자.

 

 

 

DNA에 의한 유전 정보의 저장과 전달

 

DNA는 여러 형태의 정보를 저장하고 전달한다.

 

1. 세포에서 합성된 모든 RNA 분자의 염기서열

2. 세포에서 합성된 모든 단백질의 아미노산의 서열

3. 각 RNA의 합성, 가공 및 단백질 합성을 위한 개시와 종료 신호

4. 세포의 구성물질과 상호작용을 하여 특정한 RNA나 단백질의 합성여부, 합성시기 및 합성량을 결정하는 일련의 신호들

5. DNA 복제시, 복제 개시 부위와 종결 부위로 작용하는 신호들.

6. 염색체 구조의 필수적 특징을 제공하는 신호들

 

이런 정보는 DNA 염기서열에 저장되어있다. DNA는 기본적으로 전사체라고 불리는 특이적인 RNA 분자를 합성하기 위한 주형으로 사용된다. 각 DNA의 염기서열은 특정부위의 DNA와 상보적이다. 상보적 RNA는 리보누클레오타이드를 새로이 합성되는 RNA 분자 끝에 붙이는 효소반응에 의해 만들어진다. 이때 이 새로 더해지는 리보누클레오타이드의 염기는 반드시 주형으로 사용되는 DNA 염기와 수소결합을 이룰 수 있어야 한다.(A:U or G:C) 이처럼 합성된 RNA 가닥은 그다음 가공된다. 이 가공과정에 의해 RNA는 양끝이 일부 잘라지거나 변경되고 한정된 수의 조각으로 나뉘어 내부 일부 조각은 없어지거나 또는 각각의 조각들이 세포의 RNA 가공공정에 의해 결합되어 하나의 RNA가 되기도 한다. RNA 가공은 원핵세포에서 보다 진핵세포에서 훨씬 더 심하게 일어난다.

 

가공된 RNA는 다양한 세포 내 기능에 사용된다. 가공된 RNA의 대부분-mRNA-은 합성되는 단백질의 아미노산 서열을 결정하는 정보를 가지고 있다. 이를 위하여 RNA의 염기서열은 리보솜 상에서 한번에 세 개씩 읽히며 이 세 개의 연속된 염기서열을 삼중자(triplet) 또는 코돈(codon)이라고 부른다. 각 코돈은 특정 아미노산을 지정하거나 단백질 합성의 시작 또는 종료 신호로 사용된다. 이렇게 두 단계로 나누어진 과정은 다음의 이점을 가진다. 즉 유전정보를 가진 DNA 분자는 불필요하게 자주 사용되거나 단백질 합성에 직접적으로 관여할 필요가 없다. 진핵 생물에서 DNA는 핵 내의 보호적인 환경 속에서 복제(Replication)되고 전사(Transcription)되며 RNA 분자는 핵 밖으로 나가 단백질 합성(Translation 해독)에 사용되는 것이 가능한다. 게다가 하나의 DNA 분자를 이용하여 많은 동일한 RNA를 만들게 되므로 단백질 합성은 더욱 신속하고 효율적으로 이루어질 수 있다.

 

DNA의 특정 부위는 세포의 구성성분과 상호 작용하여 인접한 유전자의 전사를 조절하며 다른 부분들은 다른 단백질과 상호작용하여 DNA 복제를 개시하고 종결할 수 있도록 해준다. 세포가 특정한 양상의 수소결합을 이용하여 유전정보를 저장. 이용하게 진화됨에 따라 반 데르 발스 인력을 이용하는 경우보다 유전정보를 저장하는데 더 적은 양의 유전물질을 사용할 수 있게 하였다. 반 데르 발스 인력은 너무 약해서 더 많은 염기나 또는 다른 분자들을 사용하지 않으면 정보를 전달하는 동안 너무 많은 오차가 일어날 것이기 때문이다.

 

 

DNA에 의한 부모로부터 자손으로의 정보 전달

 

세포가 분열할 때 각 딸세포는 동일한 유전정보를 받아야만 한다. 즉 각 DNA 분자는 복제되어 동일한 2개의 분자가 되고 이 두 DNA는 원래 DNA의 분자에 포함된 것과 같은 정보들을 운반해야 한다. 이렇게 2분자로 복사되는 과정을 DNA 복제라고 한다. 여기서 다시 한번 DNA에 있는 핵산의 염기 간에 특이적인 수소결합을 하는 능력이 중요하다는 것을 알 수 있다. 전사에서와 마찬가지로 DNA 복제 체계는 복제될 특정 염기와 수소결합이 가능한 염기만을 신생 DNA 가닥 끝에 첨가시켜야 한다. 그러나 DNA 복제는 전사보다 더 정확히 일어나야 한다. 이따금씩 하나의 단백질이 잘못 합성되는 것은 세포에 큰 영향을 주지 않는다. 왜냐하면 정상적으로 합성된 단백질들이 많이 있고 또 대부분의 mRNA는 그 세포 내 수명이 짧아 대부분의 mRNA는 비교적 빨리 분해되기 때문에 결과적으로 불완전한 mRNA 분자는 새로 합성된 정상 mRNA로 치환될 것이기 때문이다. 그러나 유전자가 복제되는 동안 어떤 유전자에 우연히 발생된 오류는 매우 치명적일 수 있는데, 그 원인은 이 불완전한 유전자를 받은 딸세포는 이 유전자의 정상적인 기능이 손상될 수도 있기 때문이다.

 

따라서 세포들은 유전자 복제가 정확하게 수행되도록 특별한 기작을 발전시켜왔다. DNA 복제에 관여하는 효소들은 자라고 있는 DNA 사슬에 방금 삽입된 누클레오타이드가 정확한가를 다시 한번 점검하고 만일 잘못되었을 경우에 이 누클레오 타이드를 제거할 수 있는 편집 기능을 갖고 있다. 이 과정으로 초기단계의 삽입 과정에서 낮은 빈도지만 발생하는 오류의 99.9% 정도를 제거한다. 또한 세포들은 일정 시간 동안 이미 존재하던 DNA 가닥과 새롭게 합성된 DNA 가닥을 구분시킬 수 있는 방법도 가지고 있다. 특별한 효소들이 항상 DNA를 감시하여 잘못된 염기 간의 결합을 찾아낸다. 만일 이런 잘못된 결합이 새로 합성된 DNA 가닥에서 발견되었을 경우 오래된 DNA를 주형으로 사용하여 오류를 정정한다. 이러한 오류를 정정하는 기작들의 협동 작용에 의해 세포 내에서 DNA가 복제하는 동안에 일어나는 복제 오차율을 10의 9 제곱 개 내지 10의 10 제곱 개의 염기쌍 당 1개의 비율로 감소시킨다.

 

 

 

DNA의 물리적 화학적 안정성

 

긴 수명을 가진 생물들의 경우 유전물질의 단일분자는 100년 이상 유지되어야 한다. 더욱이 이 분자에 포함된 정보는 단지 약간의 변화만을 일으킨 채로 수백 만년 동안 다음 세대로 전달되어야 한다. 따라서 DNA 분자는 매우 안정해야 한다. DNA의 당-인산 골격은 매우 안정한다. 당에 있는 C-C 결합은 고온 강산성인 조건을 제외하면 모든 화학적 공격에 견딜 수 있다. 인산디에스터 결합은 당의 C-C 결합보다는 약간 덜 안정하다. 이 결합은 상온에서 pH2일 때는 가수 분해될 수 있지만, 그러나 이런 조건은 정상적인 생리 조건이 아니다. 인산 디에스 터 결합을 고려해 보면 왜 리보스 대신 2'-디옥시 리보스가 DNA를 구성하고 있는 가를 쉽게 알 수 있을 것이다. DNA 상의 인산 다이 에스터 결합은 염기성 조건에서 쉽게 분해되어 버린다. 이 화학반응을 위해서는 당의 2'-탄소에 있는 하이드록실(-OH)기가 필요하다. 디옥시 리보스를 함유하고 있는 DNA의 경우 2'-OH기가 존재하지 않으므로 이 분자는 염기성 가수분해에 대한 내성이 매우 강하다. 또 염기가 소수성 고리 구조를 하고 있기 때문이지만 염기와 당의 5'-탄소를 연결하는 N-클리코 시드 결합 또한 매우 안정적이다.

 

염기의 화학적 변화는 곧 유전정보의 소실을 의미한다. 세포에는 유리 염기를 공격할 수 있는 화학물질이 매우 많이 있다. 이 문제를 생각해 보면 DNA의 이중나선 구조의 가치를 곧 알 수 있을 것이다. 동일한 정보가 양쪽 가닥에 존재한다는 관점에서 보면 DNA 분자는 중복되어 있다고 할 수 있다. 다시 말하자면 한 가닥의 염기서열은 다른 가닥과 상보적이고 따라서 한 가닥의 염기서열은 다른 가닥으로부터 유추할 수 있다. 실제로 세포에는 변화된 염기를 제거하고 상보적 가닥의 서열을 읽어서 원래의  염기로 복귀시킬 수 있는 정교한 회복 시스템이 있다.

 

이중나선구조의 또 다른 장점은 DNA의 염기들이 화학적 공격에서 보호될 수 있다는 점이다. 염기들은 극성기를 가진 소수성 고리들이며 이  속에 유전정보가 포함되어 있다. 특별히 보호가 필요한 것이 이 극성기들이다. 염기의 소수성 구조 때문에 염기들은 서로 매우 단단하게 쌓여져서 물분자는 이러한 층 구조에서 거의 완전히 배제되어 버린다. 결과적으로 수용성 물질들은 건조 한 염기의 층에 가깝게 접근할 수 없게 되어 수소 결합한 극성기에 접근할 수 있는 가능성은 희박해진다. 염기 그 자체는 시토신을 제외하고 매우 안정적이다. 그러나 매우 적은 빈도로 시토신이 탈아민 되어 우라실이 되기도 한다.