6. 핵산
핵산은 유전정보의 저장, 전달 및 사용에 특화된 중합체이다. 핵산에는 2종류, DNA와 RNA가 있는데 DNA는 유전정보를 암호화하고 있으며 이 정보를 세대 간에 전달하는 역할을 가진 거대분자이다. DNA에 암호화되어 있는 정보는 매개 RNA를 통해서 단백질의 아미노산 서열을 정하고 다른 RNA의 발현을 유도한다. 핵산은 뉴클레오타이드라 부르는 단량체로 구성되며, 각각 염기, 오탄당, 인산기로 구성된다. 오탄당과 염기로만 구성되어 있고 인산기가 없는 분자는 뉴클레오사이드라고 부른다. 핵산을 구성하는 뉴클레오타이드는 단지 1개의 인산을 포함하며 이들은 뉴클레오사이드 단일인산염이다. 핵산의 염기는 두 가지의 화학적 형태인 피리미딘이라고 부르는 6각형의 단일 고리구조 또는 퓨린이라 부르는 융합된 이중 고리구조 중 하나를 가진다. DNA에서 오탄당은 데옥시리보스이며, 이는 산소 원자 1개가 없다는 점에서 RNA에서 발견되는 리보스와는 다르다. 뉴클레오타이드 단량체가 한 번에 1개씩 기존 사슬에 첨가될 때 핵산이 형성된다. 사슬에 있는 마지막 뉴클레오타이드의 오탄당과 새로운 뉴클레오타이드의 인산 사이에 축합반응이 일어나고 결과적으로 인산디에스터 결합이 형성된다. 이 결합은 첨가되는 뉴클레오타이드 오탄당의 5번 탄소에 붙어있는 인산과 사슬의 마지막 오탄당의 3번 탄소 사이에서 일어난다. 각각의 뉴클레오타이드는 마지막 오탄당의 3번 탄소에 첨가되기 떄문에, 핵산은 5’에서 3’ 방향으로 진행된다고 말한다. 탄수화물과 마찬가지로 핵산 또한 크기 적인 면에서 다양하다. 올리고뉴클레오타이드는 상대적으로 짧아 약 스무개의 뉴클레오타이드를 가지고 있지만, 폴리뉴클레오타이드는 훨씬 더 많은 뉴클레오타이드를 가져 더 길다는 특징을 가진다. 올리고뉴클레오타이드는 DNA 복제를 시작하는 ‘프라이머’의 기능을 가지는 RNA 분자, 유전자 발현을 조절하는 RNA 분자, 뉴클레오타이드 서열을 증폭하고 분석하는 DNA 분자 등을 포함한다. 핵산이라는 명칭으로 알려진 폴리뉴클레오타이드는 DNA와 일부 RNA를 포함한다. 폴리뉴클레오타이드는 매우 길어질 수 있으며 사람의 어떤 DNA 분자는 수억 개의 뉴클레오타이드를 포함한다.
DNA와 RNA는 오탄당, 염기, 그리고 나선구조에서 약간 다르며 아데닌(A), 사이토신(C), 구아닌(G), 티민(T)이 4종류의 염기로 DNA에서 발견된다. RNA도 4개의 서로 다른 단량체로 구성되지만 티민(T) 대신 유라실(U) 염기를 포함한다. 핵산의 구조와 기능을 이해하는 핵심은 상보적 염기쌍 형성의 원리다. DNA는 이중가닥이기 때문에 염기끼리 짝을 이루는데, A-T, G-C 이렇게 항상 짝을 이룬다. RNA에서는 A-U, G-C 식으로 티민 대신 유라실이 아데닌과 짝을 이룬다. 염기쌍은 주로 수소결합을 통해 서로 연결된다. 각각의 수소결합은 상대적으로는 약하지만 DNA와 RNA 분자에는 매우 많이 있기 때문에 전체적으로 보았을 때 2개의 폴리뉴클레오타이드 가닥을 결합하거나 단일 가닥이 스스로 접힐 수 있게 하는 힘은 상당하다. 하지만 적당한 에너지를 가하면 각 염기쌍이 비교적 쉽게 깨지기 때문에 수소결합의 당기는 힘은 공유결합만큼 강하지는 않다. 핵산에서 수소결합이 형성되고 깨지는 것을 통해 생명 계에서 핵산의 역할은 매우 중요하다. RNA는 일반적으로 단일 가닥 형태이지만, 분자 내 서로 다른 부위 사이에 염기쌍이 형성될 수 있다. 단일 가닥 RNA의 일부가 접혀서 서로 짝을 이루는 형태이다. 따라서 리보뉴클레오타이드 사이의 상보적인 수소결합은 일부 RNA 분자의 3차원 모양 결정에 중요한 역할을 가진다. 상보적인 염기쌍 형성은 데옥시리보뉴클레오타이드와 리보뉴클레오타이드 사이에서도 일어난다. RNA 사슬에 있는 아데닌은 유라실 또는 타이민과 짝을 이룬다. 유사하게 DNA 사슬에 있는 아데닌은 타이민과 유라실과 짝을 이룰 수 있다. DNA는 이중나선 모양이다. DNA는 염기쌍 사이의 수소결합에 의해 서로 결합한 것은 길이의 개별 폴리뉴클레오타이드 가닥 2개로 구성된다. 다양한 RNA 3차원 구조는 놀랄 만큼 일정하다. A-T와 G-C 염기쌍은 크기가 거의 같고 2개의 폴리뉴클레오타이드 가닥은 꼬여서 ‘사다리’ 모양의 이중나선을 형성하게 된다. 오탄당-인산기는 사다리의 바깥을 구성하고 수소결합을 형성한 염기들은 사다리 안에서 가로장을 형성한다. DNA는 3차원 구조가 아니라 염기쌍의 서열에 유전정보를 가지고 있다. DNA 분자들 사이의 핵심적인 차이는 서로 다른 뉴클레오타이드의 염기서열에 있다.
DNA는 정보 분자이다. 이 정보는 DNA 가닥에 염기서열 형태로 암호화되어 있다. ATGCTA의 서열에 암호화된 정보는 TAGCAT의 서열에 암호화된 정보와 다르다는 특징을 가진다. DNA는 두 가지 방법으로 정보를 전달한다. 첫 번째, DNA는 스스로 자신을 정확히 복제한다. DNA 복제라고 하는 이 과정은 기존 가닥을 염기쌍 형성 주형으로 이용하는 중합반응을 통해 이루어진다. 두 번째, DNA는 자신의 정보를 ‘전사’라고 부르는 이 과정을 통해 RNA로 복사한다. 그런 후에 RNA의 뉴클레오타이드 서열은 ‘번역’이라고 불리는 과정을 통해 폴리펩타이드의 아미노산 서열을 지정한다. 전사와 번역의 전체적인 과정을 유전자 발현이라고 한다. DNA 복제와 전사는 핵산의 염기쌍 형성 특성에 의해 좌우된다. 수소결합을 하는 염기쌍은 DNA에서 A-T, G-C이며 RNA에서 A-U, G-C이다. DNA 복제는 보통 전체 DNA 분자가 관여한다. DNA는 필수적인 정보를 가져 새로운 세포나 생물은 부모로부터 유전되는 과정에서 완전한 DNA 세트를 받기 위해서 모두 정확하게 복제될 필요가 있다. 이를 유전체라고 하고 유전체의 모든 정보가 항상 모든 조직에서 필요한 것은 아니고 DNA의 매우 작은 부분만이 RNA로 전사된다. RNA로 전사되는 DNA 서열을 유전자라고 한다.
댓글