DNA란 무엇인가? - 2

 

DNA이중나선의 종류

DNA 이중나선은 절대적인 구조는 아니지만 보통 오른쪽 나사 방향으로 휘어지는 B형이 일반적입니다. 일반적인 유형에는 A-DNA, B-DNA, Z-DNA가 있습니다. DNA 이중나선은 나선 사이에 홈이 있어 넓게 파인 주홈과 좁게 파인 부홈을 구별할 수 있습니다. 가장 일반적인 B-DNA의 경우 나선형으로 감긴 하나당 10쌍의 염기쌍이 배치됩니다. 그러나 나선의 기울기가 수직축에 대해 약 30도 경사져 있기 때문에 A-DNA는 더 큰 폭으로 회전합니다. 이 경우 나선 간 홈이 똑같이 파여 주홈과 부홈을 구별하기 어렵고, B형보다 하나 많은 11개의 나선에 배치된 베이스 쌍이 있습니다. 한편 Z-DNA에서는 나사의 회전방향이 B-DNA와 경면대칭이며, 1개의 스파이럴 상에 12개의 베이스 쌍이 재치 되어 있습니다. 그 결과 Z-DNA는 B-DNA보다 길고 가늘어 보입니다.

DNA는 주로 B형이지만 매우 긴 DNA 사슬은 여러 형태의 DNA 사슬 구조와 혼합됩니다. 구아닌과 시토신을 반복 배열하면 Z형 나선을 형성하는 경향이 있으며, 유전자에 인접한 Z형 나선은 유전자 발현에 영향을 미칩니다.

 

 

환형 DNA와 초나선 DNA

DNA 이중나선은 오랫동안 긴 끈 형태로 여겨져 왔지만 전자현미경으로 보면 양쪽 끝이 공유결합을 통해 고리형 DNA가 되는 경우가 많습니다. DNA의 이중 나선은 다시 비틀어 초나선을 형성할 수도 있습니다. DNA가 이러한 고리 구조를 형성하기 위해서는 사슬의 방향성에 따라 일단 3'의 끝단이 다른편 5'의 끝단과 공유 결합해야 합니다. 그러기 위해서는 DNA 사슬 자체가 1회 이상 회전해야 합니다. DNA 사슬의 실과 같은 방향으로 회전하여 루프를 형성하면 나선을 더 세게 조이는 효과가 있는데 이를 양성 초나선이라고 불리는 DNA나선을 방출하는 효과가 있습니다. 실제 DNA는 나선의 회전당 염기 대수를 유지하는 경향이 있어 초나선 효과에 대항하기 위해 구조를 변형합니다. 예를 들어 B-DNA는 나선축이 휘어진 상태에서 나선마다 10개 염기 대주기를 유지합니다.

DNA 위상적 구조의 생물학적 기능은 아직 알려져 있지 않습니다. 또한 DNA 구조는 항상 고정되는 것은 아니며 방출과 폐쇄를 반복하면서 변화합니다. DNA 회전효소는 공유 결합한 말단을 느슨하게 해 고리를 부수고 너무 꼬인 끈을 풀어 다시 연결하는 초나선 현상을 완화하는 효소입니다.

 

기능

DNA에는 생물의 유전 정보가 포함되어 있습니다. 그러나 DNA의 모든 배열이 유전자 발현에 관여하고 있는 것은 아닙니다. 실제 유전자형 발현에 관여하는 염기서열은 유전자라고 불리고 다른 부분은 비코드 DNA라고 불립니다. 비코드 DNA 중에는 유전자 역할을 하다가 돌연변이로 인해 기능하지 않게 된 슈도진이 있습니다.

유전자는 스스로 생물을 만드는 것이 아닙니다. 유전자에는 무엇을 어떻게 만드는지에 대한 정보만 포함되어 있습니다. 따라서 DNA는 생물학적 설계도가 들어 있는 청사진이라기보다는 요리책처럼 해야 할 일을 순서대로 기록하는 레시피에 가깝습니다. DNA 정보는 최종 결과 생성에 관여하기 위해 여러 단계를 통해 가공 및 처리됩니다.

DNA는 자기 복제한다, 그리고 DNA는 유전 정보를 보유하고 있다. 이 두 가지로 DNA의 기능을 요약할 수 있습니다.

 

유전자 발현

유전자는 DNA의 어느 부분에 걸친 염기서열입니다. 유전자는 실제 유전정보를 포함한 엑손 부분과 발현에 관여하지 않는 인트론 부분을 갖습니다. 엑손 간격의 시작은 프로모터에서 시작됩니다. 프로모터 유전자는 두 개의 DNA 나선 사슬 중 하나일 수 있습니다.

DNA 유전자는 정보만 규정하고 있어 리보솜 등 세포핵 밖에서 실제 단백질이 형성되는 일이 일어나기 때문에 양자의 정보 전달이 필요합니다. 이 정보 전달은 메신저 RNA 라고 불리는 메신저에 의해 처리됩니다. 프로모터 유전자는 이 메신저를 생성하는 출발점으로 어디서부터 시작해야 하는지 두 개의 DNA 중 어떤 것을 사용해야 하는지 또는 어떤 방향을 읽어야 하는지 등의 정보를 지정합니다. 프로모터 유전자 배열 자체는 한 방향으로만 의미를 가지기 때문에 반대로 읽지는 않습니다.

 

유전정보를 전달하는 메신저 mRNA는 RNA 중햡효소에 의해 DNA에서 전사되어 형성됩니다. RNA 중합효소는 프로모터 유전자인 전사 시작 위치에 결합해 프로모터 유전자와는 거리가 멀고 RNA  중합효소를 정확하게 착지시키는 일련의 배열이 있습니다. RNA 중합효소는 이 유도 표지에 접근하여 올바른 시작 위치에 결합한 후 DNa 사슬을 잠금해제하고 DNa와 상보적인 구조를 형성하는 RNA 상승을 짭니다. RNA는 DNA와 달리 아데닌의 보완적인 핵 염기로 우라실을 사용합니다. RNA중합효소가 통과하면 DNA는 자신을 되감습니다. RNA 중합효소는 mRNA를 계속 결합하고 종료 위치에 도달하면 전사를 정지합니다. 종단 메커니즘은 복잡하고 여러 종류가 있습니다.

유전자가 전사되는 mRNA에서 3개의 염기서열을 모아 하나의 코돈을 형성하는데 이 코돈이야말로 진정한 의미를 갖습니다. 코돈은 시작코돈, 아미노산 지정 코돈 및 종료 코돈으로 구성되어 있습니다. 예컨대 우라실 3기를 갖는 코돈 UU는 아미노산의 하나인 페닐알라닌을 특정합니다. 코돈을 형성하기 위해 쌍을 이룬 4개 염기의 수는 총 64개의 코돈으로 코돈이 달라도 같은 아미노산이 지정될 수도 있고 실제로 지정된 아미노산의 총수는 20개입니다. 코돈에는 1개의 시작 코돈과 3개의 종료 코돈도 있습니다.

 

진핵생물에서 전사는 두 단계를 거치게 됩니다. DNA에서 직접 전사된 일차 전사물은 엑손 및 인트론 부분과 함께 전사됩니다. 최종 mRNA는 중간에서 인트론을 절단합니다. 대부분 전사 종료 후 핵 내에서 인트론 전사 RNa 절단이 이뤄지며 다양한 크기의 RNA 분자가 핵 내에 남습니다. RNA 절단에 관여하는 원소는 스플리소좀으로 유전자 배열의 어느 부분을 절단할 것인지를 지정하는 염기서열이 따로 있기 때문에 매우 잘게 절단하여 결합합니다. 잘린 영역이 전체 전사의 90%를 차지하기도 합니다.

 

이렇게 형성된 mRNA는 리보솜으로 전송되고 번역됩니다. 리보솜은 세포 내의 공장이며 진짜 컨베이어 벨트 위에서 조립원처럼 기능합니다. mRNA에는 리보솜 결합 부위라고 불리는 번역 시작 신호가 있어 아미노산 결합을 어디서부터 시작하는지를 나타냅니다. 리보솜이 mRNA를 읽고 해당 아미노산을 가진 트랜스퍼RNA를 수용한 뒤 아미노산을 펩타이드 결합에 사용하고 tRNA를 방출해 코돈을 읽습니다. 이 프로세스는 종단 코돈이 발생할 때까지 반복됩니다. 즉 mRNA는 작업지시를 하며 tRNA는 운반도구이며 tRNA와 결합한 아미노산은 물질입니다.

tRNA는 특이한 결합을 갖는 RNA로 일단에는 mRNA와 상보적인 안티코돈이 있고 다른 끝에는 특정 아미노산과 결합할 수 있는 부분이 있습니다.DNA에는 유전자 중 하나인 tRNA를 만들 수 있는 또 다른 전사 부분이 있습니다. tRNA는 세포 내에서 이와 결합하는 아미노산과 결합한 후 가까운 리보솜으로 끌려가 아미노산 합성에 참여했다가 방출된 뒤 다시 아미노산과 결합합니다. 이 과정은 세포 내 물질의 밀도에 의존합니다.

유전자 발현 단백질 합성 물질인 아미노산 대부분은 체내에서 합성된 뒤 mRNA가 전달하는 정보에 따라 단백질과 결합합니다. 그러나 대부분의 동물은 체내에서 필요한 아미노산을 모두 생성할 수 없습니다. 이 때문에 식품을 통해 섭취해야 하는 필수 아미노산이 있습니다. 인간에게는 20개의 아미노산 중 8개인 트립토판, 메티오닌, 발린, 트레오닌, 페닐알라닌, 로이신, 이소로이신, 리진이 체내에서 합성되지 않습니다. 이 8가지 필수 아미노산은 우유, 계란, 육류에 풍부하여 고기를 먹을 때 큰 문제는 아니지만 채식주의자들은 콩이나 두부 등 곡물을 섞어 필수 아미노산이 부족하지 않도록 식사에 신경 써야 합니다.

 결국 유전자 발현의 핵심은 DNA에서 전사되는 mRNA와 DNA의 다른 부분에 형성된 tRNA 재료인 아미노산을 이용해 리보솜에서 아미노산 사슬을 생성하는 것입니다. 이렇게 생성된 아미노산 사슬은 단백질 접는 과정을 통해 특정 기능을 갖는 단백질이 됩니다. 전형적인 단백질에는 효소가 포함되어 있습니다. 효소는 체내 생화학반응을 매개하는 촉매로 3차원 구조가 그 기능에 매우 중요한 역할을 합니다. 효소가 작용하는 부위를 효소 활성 부위라고 하며 효소의 구조가 바뀌면 활성 부위도 변화하여 다른 기능을 합니다.