분자생물학과 핵산에 대해 돌아보기

<분자생물학>

분자생물학(Molecular biology)은 생명현상 가운데 근간을 이루는 유전정보의 보존, 전달, 발현에 관계되는 현상을 중심으로 그들의 제어에 관여하는 분자 기구와 유전물질에 대한 연구로 생명현상의 제반 원리를 이해하려는 생물학의 한 분야이다. 다시 말해서, 유전자의 본질인 DNA에 대한 연구이며, 생명 활동의 보편성과 다양성을 분자 수준에서 밝히는 학문이다.

 

비슷한 학문으로 유전학(Genetics)이 있는데 이 역시 DNA를 연구 대상으로 하고 있다. 굳이 비교하여 설명하자면 유전학이 반세기 정도 먼저 시작되었고 생물학적 기능에 초점을 맞추지만 분자생물학은 DNA의 화학적 성질을 주된 관심사로 하고 있다.

 

<핵산>

DNA는 생명의 근본 물질이다. DNA에는 다음 세대로 전해지는 유전정보(Inherited information)뿐만 아니라 지금 당장 살아가면서 필요로 하는 명령까지도 모두 들어있기 때문이다. 효소를 만들거나 상처 난 자리에 새 이 돋아서 나는 일, 그리고 각 사람의 지능이나 수명처럼 당장 살아가기 위해서 필요한 모든 생명현상까지도 DNA에 의해 결정된다는 뜻이다.

< DNA 대한 AI가 그린 이미지 - 출처:bing image creator >

1. 뉴클레오티드(Nucleotide)

DNA의 단위체를 뉴클레오티드(Nucleotide)라 부른다. 뉴클레오티드는 당(Sugar)과 염기(Base) 그리고 인산(Phosphoric acid)이 서로 결합하여 형성된 구조이다. 당은 다섯 개의 탄소가 연결된 5탄당(Pentose)으로 그 이름이 2'-디옥시리보오스(2'-deoxyribose)이다. 

염기는 고리구조 안에 질소가 여러 개 들어있기 때문에 질소 염기(Nitrogenous base)라고도 부른다. DNA의 염기는 4종류로서 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 시토신(Cytosine), 티민(Thymine) 등이 있다. 아데닌과 구아닌은 퓨린(Purine)계 염기, 시토신과 티민은 피리미딘(Pyrimidine)계에 속하는 염기들이다. 

당과 염기가 결합하는 방식은 퓨린 염기의 9번 또는 피리미딘 염기의 1번 질소가 당의 1차 탄소와 결합하는 것이다. 이렇게 만들어진 염기와 당의 결합체를 뉴클레오시드(Nucleoside)라 부른다.

뉴클레오시드에 인(Phosphate)이 결합함으로써 비로소 뉴클레오티드(Nucleotide)가 완성된다. 이때 인은 인산(PO4-) 형태로 결합이 되기 때문에 음전하(-)를 띠면서 산성의 성질을 띠게 된다.

 

2. 폴리뉴클레오티드와 DNA 구조

1) 폴리뉴클레오티드(Polynucleotide)

단위체인 뉴클레오티드들이 순서에 따라 결합하면 긴 폴리뉴클레오티드가 만들어진다. 이때 서로를 연결하는 결합은 에스테르 결합(Ester bond)이다. 이 결합이 세 개 이상 결합하면 폴리뉴클레오티드라고 명명한다. 폴리뉴클레오티드는 화학적으로 양 끝이 구별되기 때문에 극성이 있다. 이 극성으로 인해 방향성을 가지는데 이 방향성으로 인해 DNA가 5'에서 3'으로 달린다(Run), 또는 내려간다(Down)고 표현한다.

 

2) DNA 구조

DNA는 세포 내에서 두 줄로 되어 있다. 두 줄의 폴리뉴크레오티드가 나선구조로 결합함으로써 염기들 역시 쌍(Base pair)을 이루게 되었고, 당과 인으로 된 바깥쪽의 뼈대에 의해 보호받을 수 있는 것이다. DNA의 나선구조는 모든 방향으로부터 염기, 즉 유전정보를 철저하게 보호할 수 있는 완벽한 구조이다.

 

* DNA 구조의 7가지 특징

- DNA는 두 줄의 폴리뉴클레오티드로 구성되어 있다.

- DNA의 바깥쪽에는 당과 인이 뼈대(Backbone)처럼 연결되어 있고 염기들은 쌍을 이루어 그 안쪽에 위치함으로써 보호를 받고 있다.

- 염기 사이의 결합은 서로 상보적(Complementary)이다.

- 두 줄의 폴리뉴클레오티드는 서로 역방향(Antiparallel)으로 달린다는 것이다.

- DNA는 오른쪽 감김(Right-handed)이다.

- 세포에서 발견되는 DNA 형태는 오른쪽 나선 방향, 10bp/회전, bp 간 거리 3.4Å, 직경 19Å이다.

- 이중나선 축을 따라 두 개의 움푹 들어간 부분이다. 그 들어간 정도에 따라 큰 홈(Major groove)과 작은 홈(Minor groove)으로 나뉜다.

 

* 진핵세포와 원핵세포의 DNA 차이점

- 진핵세포는 DNA가 여러개 토막으로 나누어져 있다. 사람의 경우 전체 DNA가 46개의 염색체에 나뉘어 감겨 있다.

- 진핵세포의  DNA는 선상 구조로 되어있고, 각 DNA의 양쪽 끝은 텔로미어(Telomere)라 불리는 특수 구조가 감싸고 있다.

- 진핵세포의 염색체는 두 개가 한 쌍을 이루고 있다.

 

3. DNA와 유전자

개개의 유전자란 간단히 말해 긴 DNA 분자의 각 부분 부분을 말한다. Human Genome Project에 의하면 사람의 DNA에는 적어도 30,000여 종류의 유전자가 있다고 밝혀져 있다. 물론 유전자의 구조에서 가장 중요한 것은 뉴클레오티드의 서열, 즉 염기서열이다. 이 안에 유전정보가 들어있기 때문이다. 유전자가 집단을 이루고 있으면 발현을 조절하기 용이하다는 장점이 있다. 즉 특별한 대사 작용이 특정한 시간에만 수행될 필요가 있을 때 관련된 유전자들을 동시에 발현시키거나 꺼줌으로써 필요 없는 에너지 소모를 줄일 수 있기 때문이다. 진핵세포의 유전자에서 볼 수 있는 또 하나의 특징은 엑손(Exon)과 인트론(Intron)으로 나뉘어 있다는 것이다. 보편적으로 엑손은 유전정보가 들어있는 부분을, 인트론은 유전정보는 없지만 두 개의 엑손을 이어주는 부분을 지칭한다. 

 

출처 : 임상 분자생물학(정문각)

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지금까지 전공 서적에 나와 있는 분자생물학의 근간이 되는 DNA에 대해 간략하게 알아보았습니다.

 

유전학(Genetics) 부문과 겹치는 부분 중 가장 큰 비중을 차지하는 게 바로 이 'DNA'라는 녀석입니다.

그럴 수밖에 없는 게 같은 재료, 같은 물질을 가지고 방향성만 조금씩 다른 각도로 연구하기 때문입니다.

 

제가 유전학 쪽 포스팅을 하면서 언급했던 비유 중에 '레고'를 사용하였습니다.

같은 재료인 레고 부품을 'DNA'라고 한다면 유전학은 이 부품을 사용하면 어떤 작품을 만들 수 있는지 연구하는 학문이라고 하면 분자생물학은 작품을 만들기 위해 어떤 방법을 사용하였는지를 연구하는 학문이라고 볼 수 있습니다.

 

방향성의 차이가 느껴지시나요?

 

얼마 전 '스트릿 우먼 파이터'라는 프로그램이 이슈가 됐었던 적이 있습니다.

그것으로 비유를 해보자면 스우파의 참가자들이 모여 하나의 무대를 연출하는데 이 연출된 무대

즉, 결과물에 대해 연구하는 학문이 유전학

참가들이 무대를 만들기 위해 배우고 연습하는 춤의 종류들이 있습니다. 팝핀, 왁킹, 락킹 등등 춤을 추는 방법에도 여러 가지 종류가 있는데 이런 각각의 기법과 방법에 대해 연구하는 학문이 분자생물학입니다.

 

레고와 춤 이렇게 두 가지의 비유를 들어 설명을 해보았는데 방향성을 이해하는 데 도움이 되셨을지 모르겠습니다.

왜 이런 방향성을 강조할까요?

 

같은 듯 다른 이 방향성의 차이로 인해서 각각의 학문의 본질을 이해하는데 혼란스러운 상황이 생길 수 있기 때문입니다.

'이게 이거 아니었어?', '그게 그거 아니야?'

이렇게 혼선을 막기 위해선 방향성이 그 무엇보다 중요하다고 생각하기에 적당한 비유를 들어가면 설명을 해보았습니다.

2024.01.16 - [유전학] - 유전학(Genetics)과 유전학분야