식품, 화학 관련 전공 및 시험대비 생화학 핵심 요점 요약 정리 14. 핵산의 구조와 기능

14강. 핵산의 구조와 기능

 
※ 들어가기
• 핵산(Nucleic acid, NA) = 염기(base) + 오탄당인 리보오스 or 디옥시리보오스가 연결된 뉴클레오시드 + 인
산기(Pi)가 연결된 = 뉴클레오티드들의 연속적으로 결합된 폴리뉴클레오티드인 RNA 또는 DNA를 지칭함
• 세포 대사과정, 호르몬이나 외부자극에 대한 세포들이 반응관련, 조효소와 중간대사물의 구조적 구성 성분
• 유전 정보의 저장, 전달 및 단백질 합성 등에 관련된 유전정보로 제공되는 DNA 및 RNA의 기본단위

 

1. 염기 : 퓨린과 피리미딘

• 핵산을 이루는 기본 단위체는 뉴클레오티드
• 뉴클레오티드 = 당, 염기, 인산으로 구성
• 뉴클레오시드 = 오탄당 + 염기만 결합한 구조
• DNA나 RNA 핵산은 이러한 기본단위를 연속해서 결합시킨 생체 고분자
• 구조적으로 피리미딘(pyrimidine)염기와 퓨린(purine)염기로 구분
• 피리미딘 염기는 질소를 함유한 육각형 탄소 고리모양의 방향족 화합물
• 퓨린 염기는 피리미딘 고리화합물을 닮은 육각형과 이미다졸 구조의 오각형 고리화합물이 서로 붙어 있음
• 세포 내에서는 두 가지 퓨린 염기와 세 가지 피리미딘 염기가 주로 발견됨
• 퓨린 염기 : 아데닌(A), 구아닌(G)
• 피리미딘 염기 : 시토신(C), 우라신(U), 티민(T)

 

2. 오탄당 : 리보오스와 디옥시리보오스
• RNA를 구성하는 리보뉴클레오티드 : D-리보오스 오탄당을 가짐
• DNA를 구성하는 디옥시리보뉴클레오티드 : D-2-디옥시리보오스 오탄당을 가짐
• 오탄당 구조 : 각각 고리형 푸라노오스 구조로 존재함
• 액체상태에서는 알데히드와 β-푸라노오스 구조가 평형상태로 존재하나, DNA와 RNA에서는 오직 환-구조의
푸라노오스 형태만 가짐
• 오탄당 탄소들의 번호 : 1‘, 2’, 3‘ ·····식의 순서를 정하고, “ ’ ”는 ‘프라임’이라 읽음
• C1-OH의 -OH와 염기에 있는 -NH의 H가 물이되어 탈수되면서 결합하고, 5‘-탄소에 순차적으로 3개까지
결합 가능
• DNA에 쓰이는 디옥시리보푸라노오스는 2‘-탄소에 붙어 있는 -OH가 환원되어 2’-H로 됨

 

3. 뉴클레오시드
• 오탄당에 염기가 연결된 화합물
• 퓨린 염기 9번 위치에 있는 -NH + 오탄당의 1‘-탄소에 붙어 있는 -OH사이에서 물 분자가 탈수되면서 결
합 → N-β-글리코시드결합의 퓨린 뉴클레오시드가 형성
• 피리미딘 1번 위치의 -NH + 오탄당에 있는 1‘-탄소의 -OH사이에 물 분자가 탈수되면서 결합 → 피리미딘
뉴클레오시드가 형성됨
• 뉴클레오시드 명칭 : 퓨린 염기가 결합된 경우, 퓨린 이름의 어미 -osine을 붙임
(예) 리보오스 오탄당 + 아데닌 염기 = 아데노신
• 피리미딘의 경우, 그 이름의 어미를 -idine을 붙임
(예) 리보오스 오탄당 + 티민 = 티미딘
• 오탄당의 친수성 성질로 인하여 수용성, RNA에 쓰이는 리보오스 오탄당은 DNA에 쓰이는 오탄당보다 -OH
기가 하나 더 많아 반응성이 더 높고, 화학적으로는 안정성이 떨어짐

※ 글리코시드결합 : 단당류와 단당류 사이에서 알데히드와 알코올 그룹 사이의 물분자 1개가 빠지면서 연
결되는 결합

 

4. 핵산의 기본 구성
• 뉴클레오티드 = 뉴클레오시드의 5‘-CH2OH의 -H와 인산 그룹의 -OH 사이에 물 분자 하나가 탈수되면서
결합한 구조
• 순차적으로 물 분자가 탈수되면서 인산기가 3개까지 뉴클레오시드에 결합
• 핵산(NA)은 뉴클레오티드들이 인산다이에스테르결합으로 연결된 중합체 분자임
• 일련의 연결된 뉴클레오티드 순서에 유전적 정보가 내장되어 있음
• 핵산에는 디옥시리보핵산(DNA)과 리보핵산(RNA)가 있음
※ 핵산 : DNA 또는 RNA 형태로서 첫 번째 뉴클레오티드의 3‘-OH와 다음 번 뉴클레오티드의 α-위치 인
산기 사이에 인산디에스테르 결합으로 연결되고, 3’-OH와 세 번째 뉴클레오티드의 α-위치 인산기와 또
인산디에스테르 결합이 계속 연결되어가는 분자

 

1) 뉴클레오티드
• 세 가지 구성성분을 가짐 → 질소를 함유한 염기, 리보오스 도는 디옥시리보오스 오탄당, 인산 등
• 뉴클레오시드에 인산이 1~3개까지 에스테르결합으로 결합된 것, 인산은 오탄당의 5번째 탄소 -CH2OH와
에스테르 결합을 하고 있음
• DNA와 RNA 핵산의 뉴클레오티드들은 인산기들이 음이온을 띄고 있어 전기적 양이온을 띄는 금속이온
(Mg2+, Zn2+)이나 단백질 등과 쉽게 결합할 수 있음
• 5‘-디옥시뉴클레오시드삼인산(dNTP) 또는 5’-뉴클레오시드삼인산(NTP) → 에너지 대사 및 저장이나 DNA
또는 RNA 핵산 합성의 전구체로 쓰임
• cAMP나 cGMP → 호르몬과 유사하게 세포 내에서 조절작용으로 쓰임
• 뉴클레오시드 5‘-이인산(NDP) → 조효소 일부로
• 아데노신 5‘-이인산(ADP) → 산화환원반응에 쓰임

 

2) 뉴클레오티드의 인산디에스테르 결합(=포스포디에스테르)
• 뉴클레오티드들은 인산기를 ‘연결다리’로 삼아 공유결합되어 있음
• 오탄당의 3‘-OH 그룹의 -O-와 다음에 연결되는 뉴클레오티드의 5’-CH2OH에 결합되어 있는 인산기 사이에 인산다이에스테르(phophodiester) 결합이 일어난 것

 

(1) 인산다이에스테르 결합
• 에스테르(ester) 결합 : -OH기를 가진 알코올과 산 그룹 간의 결합
• 인산다이에스테르결합은 인산이 두 개의 당과 결합되기 때문. 첫 에스테르는 3‘ 위치의 탄소와 연결된 것이
고 다음 에스테르는 5’ 위치의 탄소와 연결된 것
• 결국 핵산의 골격을 보면, 오탄당과 오탄당 사이에 인산이 결합된 것으로서 서로 다른 염기가 오탄당의 1번
탄소마다 하나씩 결합되어 나옴
• 질소를 함유한 염기들은 일정 간격으로 오탄당 골격의 1번 탄소 β-위치에 결합됨
• 오탄당의 여러 -OH 기들은 물 분자와 쉽게 수소 결합 → 친수성이 높음
• 인산기도 중성용액에서 완전히 이온화 → 전기적으로 음성을 띔
• 이들의 전기적 음성 부분은 세포 내에서 단백질, 금속 이온, 폴리아민 등의 양성분자들과 이온-이온 간의
끌어당기는 힘으로 중성화될 수 있음

 

(2) 5‘ → 3’ 방향성
• 5‘ → 3’의 방향성을 나타내는 일직선의 핵산을 만들어 냄으로써, 양쪽 끝을 5‘-말단(5'-end), 3'-말단
(3'-end)라고 표시함
• 복제 시 기질로 사용되는 것은 각 dNTP 분자에서 dNMP 분자가 결합, 떨어져 나온 피로인산기(PPi)는 피로
인산분해효소에 의해 두 개의 무기인산(Pi)으로 분해됨
• RNA는 알칼리 조건에서 신속히 가수분해되지만, DNA는 비교적 안정함
• 이는 RNA의 2‘-OH가 알칼리와 직접 반응해서 쉽게 가수분해되기 때문
※ 용어 설명
• 5‘-말단 : 핵산 가닥의 첫 뉴클레오티드 5’-탄소에 붙은 인산기를 5‘-끝 또는 5’-말단이라 함. 그래서 핵산
방향을 5‘ → 3’이라 표시함
• 3‘-말단 : 5’ → 3‘ 방향 핵산가닥의 마지막 뉴클레오티드에서 3’-OH를 3‘-끝 또는 3’-말단이라 표시함

 

5. 핵산의 구조
• 뉴클레오티드 속의 염기들은 방향족 화합물로서 핵산의 구조, 전자적 분포와 자외선 파장 흡수도 등에 중요
한 영향을 미침
• 모든 뉴클레오티드의 염기는 케토-형(keto-form)과 엔올-형(enol-form)간의 상호전환으로 인하여 부분적
이중결합의 공명구조를 가지면서, 260nm 파장의 자외선 빛을 가장 강하게 흡수하는 특성이 있음
• 뉴클레오티드의 인산기는 생리적인 pH 조건에서 양성자가 해리되어 음이온을 띔 → 친수성
• 염기 부분은 생리적 pH 조건에서 약염기성 질소의 아미노기가 이온화되지 않은 전하를 띠지 않는 소수성이
됨
• 친수성 부분은 표면으로, 소수성 부분은 안쪽으로 들어가서 이중가닥의 염기들 간에 수소결합 → 3차원적
나선형을 이루는 주요 역할을 함
• 염기 고리에 있는 -NH 또는 -NH2는 다른 가닥에 나와 있는 염기의 -C=O 또는 -N와 수소결합이 양쪽
DNA 가닥 사이에 형성하게 됨
• 퓨린과 피리미딘 염기들은 세포 내 중성 pH 조건에서 소수성 → 물에 잘 녹지 않음, 서로 평행으로 겹쳐져
위치함
• 산성 또는 알칼리성 pH 조건 → 전하를 띠면서 물에 녹는 정도가 증가함
• 염기들은 염기와 염기 사이에 반데르발스 힘과 쌍극자-쌍극자 간의 인력이 작용해서 겹쳐짐
• 소수성 염기는 서로 겹쳐져서 물과 가까이 하지 못함으로써 핵산의 3차 구조를 안정화시킴
• 수소결합은 핵산의 두 개 서로 다른 가닥 간에 상보적 염기쌍을 이루어 A와 T, 그리고 G와 C사이에 수소결합이 각각 2개와 3개씩 이루어져 있음
1) 핵산의 종류
• DNA는 유전정보를 저장하고 있는 이중나선 구조와 유연한 폴리뉴클레오티드 구조
• 원핵세포의 DNA → 이중나선의 환상구조
• 진핵세포의 DNA → 히스톤 단백질 덩어리를 둘러싼 뉴클레오좀(nucleosome)을 형성하는 기다란 막대기 구
조
• RNA는 유전정보를 전달하는 전달체 → DNA로부터 전사되어 DNA와 단백질 사이의 중요한 연결자 역할
• rRNA : 리보좀 단백질과 함께 2차 구조 형태로 리보좀 형성
• mRNA : 합성할 수 있는 유전적 정보(codon)로 전사된 것
• tRNA : 20가지 아미노산을 단백질 합성하는 장소인 리보좀으로 옮겨다 줌

 

2) DNA 구조

• 1차 구조 : 폴리뉴클레오티드의 연결 순서
• 2차 구조 : 뉴클레오티드들 상호간의 상보적 염기쌍을 이루는 구조
• 3차 구조
원핵세포 - 세포질에 있는 핵양체(nucleoid)가 수 없이 접혀져 있는 원형 DNA
진핵세포 - 염색질 구조는 핵 속에서 복잡하게 접혀진 구조
• 1940년대 말에 어윈 샤가프(E. chargaff)가 DNA 구조에 관한 실마리를 제공함
• 서로 다른 생물체에서 나온 DNA는 4개의 염기 비율이 서로 다르다는 것과 어떤 염기는 다른 염기와 거의
1:1의 비율로 존재한다고 함
- DNA 염기 구성은 다른 중간에 서로 다름
- 같은 종의 서로 다른 조직에서 분리된 DNA 시료는 같은 염기 구성을 가짐
- 어떤 주어진 종에서 나온 DNA의 염기 구성은 나이, 영양상태 또는 환경에 따라 달라지지 않음
- 종에 관계없이 모든 세포 내 DNA에는 아데닌 숫자와 티민 숫자 그리고 구아닌 숫자와 시토신 숫자가 서
로 같음
- [A] = [T], [G] = [C]
- 퓨린 염기 총 숫자와 피리미딘 염기 총 숫자는 같음. 즉, [A+G] = [T+C]
• 플랭크린 & 윌킨스는 X-선 회절분석법으로 사용하여, DNA 분자가 2차 주기성을 갖는 나선형을 밝힘
• 왓슨 & 크릭은 DNA에 공간적 입체 구조를 모델링하여 DNA의 이중나선 3차 구조를 발표함
- DNA는 우선성(right-handed) 이중나선으로 2개의 나선형 DNA 가닥이 좌측에서 우측으로 나란히 돌아
올라가는 나선형 계단 모양임
※ 우선성(right-handed) : 오른쪽 손을 펴서 약간 오므리면 손가락의 방향이 좌에서 우로 올라가는 모습을
보인다.
- 연속적으로 나오는 디옥시리보오스와 인산의 친수성 골격은 주변의 물분자를 마주하며 이중나선의 바깥
에 위치함
- 두 가닥의 염기쌍들은 평면에서 보면, 큰 협곡과 작은 협곡을 이루고, 서로 반대 방향의 5‘ → 3’ 방향성
을 유지하여 역평형 관계임
- 한쪽 가닥의 각 뉴클레오티드 염기는 다른 쪽 가닥의 한 염기와 동일한 평면에서 염기쌍을 이룸, 서로
36o씩 어긋나 한 바뀌 돌아오면 10개의 염기쌍 계단을 이룸
- 수소결합이 G와 C사이에 3개, A와 T사이에 2개씩 각각 이루어 샤가프 법칙과 일치함
• DNA 이중나선은 상보적 염기쌍 사이의 수소결합과 소수성 염기들이 서로 겹쳐지는 반데르발스 힘 등으로
형성
• DNA 두 가닥 사이의 상보성은 염기쌍 사이의 수소결합 때문이고, 이 수소결합은 DNA의 복제와 전사에서
그대로 유전정보를 보존하고 전달하는데 중요함
• 염기들이 겹쳐져서 생긴 반데르발스 힘은 이중나선을 안정화시킴
※ DNA가 나선형을 유지시키는 힘
① 인산의 친수성과 염기의 소수성 사이의 극성 차이
② 양쪽 가닥의 소수성 염기들 간의 수소결합 : 상보적 염기쌍
③ 소수성 염기들이 겹쳐져서 DNA 3차 구조를 안정화시킴 : 반데르발스 힘
※ 상보성 : DNA의 두 가닥 폴리뉴클레오티드는 안쪽으로 각각의 소수성 염기들이 위치하면서 서로 마주보
며 A와 T, G와 C 염기가 항상 염기쌍을 이룸

 

3) 서로 다른 형태의 DNA 이차 구조
• DNA는 상당히 유연한 분자미
- 여러 종류의 결합이 가능하도록 오탄당과 인산 사이가 회전
- 열역학적으로 가닥이 구부러지기도 하고 늘어남
- 때로는 수소결합이 끊어져서 염기쌍이 서로 떨어지기도 함
• 왓슨과 크릭의 구조에 맞는 DNA는 B-형 DNA 또는 B-DNA라 함
• 생리적 조건하에서 가장 안정된 구조, 세포 내 DNA 구조를 연구하는데 표준이 되는 형태임
• 그 밖에 A-DNA와 Z-DNA가 있음
- A-DNA : 약간 수분이 적은 조건에서 나타나는 우선형의 나선형 DNA
- B-DNA : 약간 넓은 모습으로 1회전 당 11개의 염기쌍을 가짐
- Z-DNA : 나선의 방향이 우선성 DNA에서 뒤틀려서 좌선성으로 보임. 1회전 당 12개 염기쌍이 들어가고,
외관은 훨씬 가늘어 지그재그 모양으로 뒤틀어져 있음
• GC가 많은 부분에서 Z-DNA가 나타남
• 그 밖에 특이한 DNA 구조는 회문식(palindrome)구조, 머리핀(hair-pin)구조, 십자형(cruci)형태가 있음
① 회문식(palindrome)구조
• 두 가닥의 DNA 상에서 축을 중심으로 위쪽 가닥 염기서열
• GAA가 상보적인 아래쪽 다가의 같은 중심축으로부터 반대방향에서 염기가 GAA 서열로 배열되어 있는 구
조
• 특정한 제한효소에 의해 인식되어 인산디에스테르 결합이 끊어져서 DNA가 결국 절단됨
② 머리핀(hair-pin) 구조 & 십자현(cruci) 형태
• 한쪽 가닥의 어느 기준점에서 보면 서로 상보적인 서열을 갖는 DNA가 있음
• TGCGATACTCATCGCA-- 같은 구조에서 내부적으로 TGCGAT와 ATCGCA부분이 서로 수소결합하여 줄기
(stem)구조를 이루고
• ACTC 부분은 수소결합이 없는부분은 루프(loop) 구조를 이루어 머리핀 형태 도는 십자형 형태를 이룸

 

4) DNA의 실제 모습
• 원핵세포의 염색체 DNA는 거의가 하나의 원형 모양 분자
• 실제로 세포 내에서 특정한 단백질들과 약간의 RNA들이 DNA와 연관되면서 수많은 루프(loop)구조를 이루
어 질서있는 핵양체(nucleoid)구조를 이룸
• 진핵세포의 DNA는 여덟 개의 히스톤 단백질 덩어리를 휘감아 뉴클레오좀 구조를 이루고 → 연속적으로 연
결되어 염색질(chromatid)구조로 핵 안에 존재함
• 세포 주기에 따라 상당히 밀집되게 포장된 이질염색질 부분과 어느 정도 풀어진 상태의 진정염색질 부분으
로 가짐
- 이질 염색질 상태 DNA는 유전자가 발현되지 않고, 뉴클레오좀 구조가 좀 더 밀집된 상태를 유지
- 진정 염색질은 자주 그 주변의 DNA들이 밀집된 염색질 상태에서 풀린 상태의 염색질 덩어리로 바뀜
※ 이질 염색질 : 세포주기에서 아주 진하게 염색되는 부분의 DNA들은 뉴클레오좀이 밀집되어 뭉쳐 있는
모습으로 염색됨
※ 진정 염색질 : 간기 세포주기의 염색체 DNA들은 유전정보가 자주 발현되어야 하므로 역동적으로 염색질
이 많이 풀린 상태로 염색되는 부분의 DNA가 보임
• 세포가 분열할 때에는 뉴클레오좀이 상당히 밀집하여 완전한 염색체를 이룸
• 염색약에 염색되는 단백질 때문에 현미경하에서 히스톤은 염색되어 보이지만, DNA는 염색되지 않음

 

5) RNA 구조
• DNA에서 전사된 RNA는 항상 단일가닥의 염기들이 우선성 나선구조를 보임
• RNA 또는 DNA 가닥과 상보적으로 결합할 수 있음
• RNA 자체 내에서도 일부 염기쌍으로 이루어 2차 구조의 더 안정된 구조가 되기도 함
• 염기쌍들이 겹쳐져 생긴 약한 인력들도 RNA를 안정화시킴
• RNA의 3차원적 구조는 복잡하고 독특함
• 단일가닥의 염기들이 쌓여서 생긴 힘은 RNA 구조를 오히려 안정화시킴
• 머리핀 모양의 루프를 이룬 RNA는 서로 상보적인 RNA 염기 간에 이중나선형을 이룸

 

6. 핵산의 물리화학적 특성
• DNA는 유전정보를 저장하고 전달해야하기 때문에 그 안정성이 오랫동안 유지되어야 함
• A와 T 또는 G와 C 염기쌍 사이의 수소결합은 화학적으로 약한 결합이므로 DNA가 복제되고 전사될 때는
쉽게 가닥간의 분리가 일어나기에 적합함
• 수소결합의 특성이 세포에서 매우 중요하며, 그 특성 때문에 DNA 정보가 서서히 변경되면서 진화하는 역량
을 보임
• 암의 발생과 세포 노화 과정은 DNA의 비가역적인 변화가 서서히 축적되어 발생하는 것으로 알려짐
- DNA는 변화를 받아들이거나, 재빨리 교정하는 능력으로 변화를 조절하거나 복구함
- RNA는 분자의 변화에는 교정하거나 복구하지 않고, RNA 분자를 많이 만들어 그들 중에서 온전한 것만
사용함

 

1) DNA 및 RNA의 변성
• 세포로부터 분리된 DNA 용액은 실온의 pH 7.0에서 점성이 높음
• pH ↑ & 80oC 이상의 온도 → 점성 감소
• 이중나선 DNA 염기쌍 사이의 수소결합이 끊어져 각각의 가닥으로 분리되기 때문 → DNA 변성
(denaturation)이라 함
• 온도아 pH값이 원래대로 돌아오면 → 떨어져 있던 두 가닥의 DNA 또는 RNA는 다시 원래대로 서서히 되돌
아와 재결합(annealing)함 → 이중나선 DNA EH는 RNA로 돌아감 → 재생(renaturation)이라 함
• DNA 분자들은 액체 내에서 서서히 열을 가하면 변성됨
• 각각의 DNA들은 독특한 변성온도 또는 녹는점(Tm)을 가짐
※ Tm 값 : 온도 상승에 따라 두 가닥 DNA 나선의 1/2 길이 만큼의 수소결합을 끊는 온도
• 녹는점 : GC 염기쌍 > AT 염기쌍
• 고정된 pH와 이온세기의 조건하에서 DNA 종류의 Tm값을 측정하면 그것의 염기 구성을 추정해 볼 수 있음
• AT 염기쌍이 특별히 많은 부분은 그 부분이 먼저 변성됨

 

2) 핵산의 하이브리드화
• DNA나 RNA의 가닥과 가닥사이에 서로 짝을 이룰 수 있는 능력을 이용하여 서로 다른 생물의 유전체 사이에 유사한 서열이 있는 가를 찾을 때 사용함
(예) 인체 세포와 생쥐 세포에서 분리된 두 종류의 DNA에 열을 가해 변성 → 혼합하여 온도를 서서히 낮추
면 각각의 DNA 가닥들은 상보적인 DNA 가닥끼리 재결합 → 사람 DNA 가닥들이 쥐의 DNA 가닥과
상보적인 부분이 있으면 → 하이브리도 이중가닥을 만듦
• 이러한 분석은 서로 다른 두 종간의 유전적, 진화적 관련성 여부를 분석하게 함
• 서던 블롯 하이브리드화 : 특정 DNA를 찾는데 사용함
• 노던 블롯 하이브리드화 : 특정한 유전자 및 RNA를 분리할 때 사용함
※ 서던 블롯 : 전기영동으로 크기에 따라 분리된 DNA 조각을 알칼리 용액에서 변셩시켜 단일가닥으로 분
리된 상태에서 전기적으로 니트루셀루로즈 종이 막에 옮겨 놓은 후, 이미 염기서열이 알려진 단일 가닥
의 DNA 또는 RNA(이들은 대개 동위원소로 표지되어 있다)를 서로 하이브리드리화시킴. 그 결과를
X-ray 필름에 노출시켜(autoradiography) 확인함
※ 노던 블롯 : 서던 블롯과 유사한 하이브리도화 기술이지만, 다른 점은 니트로셀룰로즈 종이 막 위에
DNA가 아닌 변성 또는 단일가닥의 RNA를 아가로즈 젤에서 옮기는 점이 다름

 

3) 뉴클레오티드 및 핵산의 변형
• 퓨린과 피리미딘 염기들은 공유결합 구조에 여러 가지 자연적 변형이 생길 수 있음
• 세포는 자신의 유전정보에 변화가 생기는 것을 쉽게 용납하지 않기 때문에, 그 변화 속도는 일반적으로 매
우 느림
• 유전정보에 영원한 변화가 생기는 DNA 구조 변경 → 돌연변이(mutation)이라 함
• 이러한 돌연변이의 축적은 노화 및 발암과정 등의 밀접한 관계가 있다는 증거가 많음

 

(1) 탈아미노화
• 많은 염기들은 밖에 나와 있는 아미노(-NH2)기를 스스로 상실
(예) DNA의 시토신은 탈아미노 작용으로 우라실이 되는 경우가 있음
• 아데닌과 구아닌에서의 탈아미노 현상도 시토신 탈아미노화의 약 1/100 정도의 빈도로 발생
• 이러한 변화가 일어나면 DNA 복구시스템이 이를 다시 바꾸어 놓음
• 복구 작업이 일어나지 않으면 DNA 복제 시 변형된 우라실 + 아데닌 결합 → 시토신 탈아미노화 과정은 모
든 세포의 DNA에 GC 염기쌍 ↓, AT 염기쌍 ↑

 

(2) 탈염기반응
• 염기와 오탄당 사이의 글리코실 결합의 가수분해반응으로서 피리미딘 염기보다 퓨린 염기에서 더 높게 발생
• 산성 조건에서 더 빨리 일어나 pH 3.0에서 DNA를 넣어두면 퓨린 염기가 제거되어 퓨린이 없는 것으로 나
옴 → 다음 세대에서 DNA를 돌연변이 시킴
• 자외선에 의한 DNA 변형 : 같은 가닥 위에 서로 인접한 티민과 티민 사이에 티민-티민-이합체를 형성 →
이온화 방사선(X-선과 감마선 등)은 이러한 염기 구조를 깨뜨려 버림
• 거의 모든 생명체들은 DNA에 이러한 화학적 변화를 일으킬 수 있을 정도로 에너지가 풍부한 빛의 파장에
노출될 수 있음

 

(3) 화학적 반응
• DNA는 반응성이 높은 화학물질에 의해 손상 받음
• 세포 내 대사과정에서 손상을 주는 물질은 두 종류로 나뉨 → 아질산(HNO2) 또는 질산염
• 질소가 함유한 여러 유기분자에서 나온 아질산은 특히 염기의 탈아미노 작용을 강력히 촉진
• 독성이 강한 세균의 증식을 막기 위해 이러한 화합물들을 식품방부제로 쓰고 있음
• 소량만 사용할 경우 식품 보존에는 효과적임

 

(4) 산화적 반응

• DNA에 가장 돌연변이성이 강한 것은 산화적 손상임
• 과산화수소(H2O2), 하이드록시라디칼(OH•), 초과산화물(O2-) 같은 활성화 산소들은 유기호흡이나 빛에 의해
증가함
• 카탈라아제, SOD효소, 과산화효소 등의 작용으로 반응성 산소들의 독성을 제거함
• 일부 라디칼들은 DNA에 산화를 일으켜 결국 DNA 가닥들을 끊어 놓기도 함
(5) 효소적 반응
• 세포 내에서 DNA의 어떤 부분들은 효소에 의해 변형되기도 함
• 메틸화효소에 의한 변형 → 아데닌과 시토신은 구아닌과 티민보다 더 자주 메틸화 됨
• 특히, 대장균 세포 내에 외부 생물체의 DNA가 들어오면, 자신의 DNA는 메틸화 효소에 의해 메틸화 시켜
제한효소에 보호
• 메틸화되지 않음 외부 DNA는 제한효소에 의해 끊어지게 함

 

4) DNA의 염기서열 분석
• 전기영동 기술을 이용한 긴 사슬의 DNA 염기순서를 결정하는, 즉 1차 구조를 밝히는 염기서열 서열화
(sequencing)이 발달함
• 화학적 시퀀싱 방법 : A, T, G, C 염기를 가진 뉴클레오티드를 선별적으로 자름
• 생거(sanger) 방법 : dideoxy NTP 중에서 어느 하나가 DNA 사슬에 연결되면 DNA 합성효소가 다음 번 뉴
클레오티드를 연결시키지 못하게 함
• 최근에는 생거 방법이 발달하여 자동적으로 끝에 있는 A, T, G, C 염기들에 색깔이 다른 고유한 표식(tag)
을 매달게 함 → 순서대로 레이저 탐지기로 식별되는 등의 자동서열화 방법이 많이 사용되고 있음

 

7. 뉴클레오티드의 또 다른 기능
• 뉴클레오티드는 핵산의 기본단위 역할 이외에 에너지 수송체, 조효소의 구성성분, 그리고 화학적 신호전달
자 역할 등도 함

 

1) 에너지 수송체
• 리보뉴클레오티드의 5‘-말단에 붙어 있는 인산기에 1~2개의 인산이 더 결합될 수 있음 → 이들 세 개 인산
들은 오탄당에서부터 차례로 α, β, γ 위치의 인산이라 함

 

2) 조효소 구성성분
• 여러 화학적 기능을 담당하는 조효소들은 그들 구조에 아데노신 뉴클레오티드를 가짐
• 물질의 예로는 조효소 A(Coenzyme A), NAD+, FAD 등
• 아데노신 부분을 제거하면 조효소 기능이 없어짐
• 아데노신 염기만 주로 쓰이는 이유 : 복잡한 역할들 중에서 한 가지 화합물이 쓰이다보니 진화적인 장점이
되어 아데노신을 더 많이 만들어 쓰기 시작한 것이 아닐까 하는 추측이 있음
• 경제적 또는 열역학적으로 아데노신을 조효소에 붙여서 쓰기 시작한 것
• 그러다 보니 세포 내 에너지 저장물질도 ATP가 가장 많이 쓰이고 있는 것으로 추측함

 

3) 조절자 역할을 하는 뉴클레오티드
• 제 1차 신호전달물질은 세포 표면에 있는 수용체와 상호작용하여 세포 내 제 2차 신호전달물질이 만들어짐
• 2차 신호전달물질들은 세포 안에서 신호를 전환시키면서 변화에 적응하도록 유도함
• 일부 뉴클레오티드가 사용, 가장 흔한 것이 cAMP(adenosine 3'. 5'-cyclic monophosphate)이고, 아데닐산
사이클라아제에 의해 ATP로부터 합성됨
• 작은 크기의 분자들(제 1차 메신저) → 단백질 키나아제 효소, 이온수송, 신호전달체계 등에 관련된 여러 단
백질들의 유효분자들을 활성화시킴
• 에피네프린, 글루카곤, ACTH 등과 같은 호르몬이 표적세포에 도달 → 세포막에 있던 고유한 수용체들은 호르몬을 수용 → 아데닐산 사이클라아제를 증가 → cAMP 농도가 세포질에서 높아지게 함
• 단백질 인산화효소가 인산화 → 효소 활성화 → 호르몬에 영향을 주는 물질이 합성되도록 촉진함
• 지방조직에서 프로스타글란딘 → 아데닐산 사이클라아제 억제 → cAMP 농도 ↓ → 에피네프린 & 글루카곤
에 의해 지방저장 속도가 느려지도록 조절
• 또 다른 조절자인 cGMP도 그와 유사한 조절자 역할을 하는 것으로 알려짐
• 구조적으로 유사한 구아노신 사인산(ppGpp) → 세균에서 아미노산이 결핍되었을 때 단백질 합성속도를 늦
춰줌
• 구아닐산 고리화효소 → cGMP을 높여서 → cGMP-의존형 단백질 키나아제의 작용을 도움
• cGMP의 다른기능들은 세포 내 신호전달물질의 활성촉진과 억제를 조정하는 역할을 하는 것으로 알려지고
있음

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<확인문제>

문제 1. 다음 중 DNA에 대한 설명 중 옳은 것은 무엇인가?
① 실온의 pH 7.0에서 점성이 대단히 낮다.
② 뉴클레오티드 간의 결합은 C-3'와 C-5'사이에서 다이에스테르 결합으로 되어있다.
③ RNA와 구조적으로 동일하다.
④ 삼중나선 구조의 유연한 폴리뉴클레오티드 구조이다.
정답 ②

 

문제 2. 다음 중 뉴클레오시드에 대해 바르게 설명한 것으로 옳은 것은?
㉮ 오탄당 + 인산기 + 염기의 구조이다.
㉯ 아데노신, 구아노신, 티미딘, 시티딘 등이 포함된다.
㉰ 소수성 성질을 가지고 있다.
㉱ RNA에 쓰이는 오탄당은 DNA에 쓰이는 오탄당보다 반응성이 더 높다.
① ㉮㉯㉰㉱
② ㉮㉰
③ ㉯㉱
④ ㉮㉯㉰
정답 ③

 

문제 3. 유기체의 DNA를 구성하는 아데닌과 티민 염기의 구성비로 옳은 것은?
① 1에 가깝다.
② 1/2에 가깝다.
③ 2에 가깝다.
④ 5에 가깝다.
정답 ①

 

문제 4. 다음 중 DNA의 나선형을 유지시키는 힘으로 옳은 것은?
㉮ 인산의 친수성과 염기의 소수성 사이의 극성 차이
㉯ 양쪽 가닥의 소수성 염기들간의 수소결합 : 상보적 염기쌍
㉰ 소수성 염기들이 겹쳐져서 DNA 3차 구조를 안정화시킴 : 반데르발스힘
㉱ 분자 내에서 산소와 수소 사이의 극성 공유결합
① ㉮㉯㉰㉱
② ㉮㉰
③ ㉯㉱
④ ㉮㉯㉰
정답 ④

 

문제 5. 다음 중 DNA의 융점(melting tmeperature, Tm)에 관한 설명으로 옳은 것은?
① DNA 사슬의 purine 염기 함량에 비례한다.
② DNA 사슬의 pyrimidine 염기 함량에 비례한다.
③ DNA 사슬의 GC 염기쌍을 많이 갖는 DNA의 녹는점이 더 높다.
④ DNA 사슬의 AT 염기쌍을 많이 갖는 DNA의 녹는점이 더 높다.
정답 ③

 

문제 6. DNA의 이중나선 사슬의 모델을 제안한 사람은 누구인가?
① 왓슨&크릭
② 에드먼
③ 레닌저
④ 생거
정답 ①

 

문제 7. DNA의 왓슨-크릭(Watson-Crick) 모형에 관한 설명으로 옳게 설명한 것은?
① 염기 사이의 공유결합
② 역평행하는 이중가닥
③ 좌선성(letf-handed) 이중 나선구조
④ 삼중가닥구조
정답 ②

 

문제 8. 다음 중 핵단백질의 가수분해 순서로 옳은 것은?
① 핵단백질-핵산-뉴클레오시드-뉴클레오티드-염기
② 핵산-핵단백질-뉴클레오티드-뉴클레오시드-염기
③ 핵산-핵단백질-뉴클레오티드-뉴클레오시드-염기
④ 핵단백질-핵산-뉴클레오티드-뉴클레오시드-염기
정답 ④