핵산 강의

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핵산 강의

소사 체칠리아
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1. 序

  

 핵산은 DNA와 RNA 두 종류가 있으며, 생명의 본질을 이루는 유전정보의 저장소로서의 역할을 하고 있다. DNA는 안정성(stability)과 유연성(flexibility)을 가지고 있으면서 역동성의 분자(dynamic molecule)라 할 수 있는데, 이것으로 인해 유전정보의 저장과 발현, 복제 그리고 다양한 생명의 기작을 영위하고 있으며, 반면 RNA는 DNA의 전사물로 생성되어지는 것으로서 유전정보의 전달 등의 역할을 담당하고 있다. 한편, RNA 자체에서 전사가 일어날 수도 있고, 복제가 되어질 수도 있다. 이하에서 그들의 기본구조와 특성에 대해서 알아보도록 하자.

    

2. 기본구조

 (1) 구성원소: C, H, O, N, P

 (2) 구성단위: 뉴클레오티드(5탄당+인산+염기)

 (3) 구성단위의 연결: 인산이중에스테르결합(phosphodiester bond)

 

3. 핵산의 종류

 (1) DNA(deoxyribo nucleic acd)

   1) 기능: 생명활동에 필요한 유전자의 본체로서 유전정보의 저장 및 발현, 복제 등을 담당하고 있음

   2) 구조

     ① 이중나선구조를 가지며 오른나선(right-handed)으로 감겨져 있음

     ② 이중나선은 상보적인 수소결합을 하고 있음 (A=T, G≡C)

     ③ 이중나선은 서로 역방향배열(antiparallel)구조를 가짐

     ④ 당과 인산은 이중나선의 골격을 이루며, 염기는 이중나선의 안쪽에 위치되어져 있음

 


   3) 특징들

    ① DNA는 dATP, dTTP, dGTP, dCTP로 이루어진 deoxynucleotide들의 연결로 이루어짐

    ② 5탄당(deoxyribose)은 2번 탄소에 OH기 없으며, 일반적으로 2번 탄소 쪽이 꺾여져 나온 2-endopuckered structure를 가짐

    ③ 인산 (phosphate)기는 (-) charge 제공해서 DNA가 물에 쉽게 해리 되어지게 할 뿐 아니라 charge성 단백질과 용이하게 상호작용을 함

    ④ 염기(base)는 purine계(A, G)와 pyrimidine계(C, T)로 구성되어진다. 염기들이 aromatic planar structure를 가져 소수성 상호작용으로  염기들 간의 base stacking이 유발되어져  DNA의 이중나선(double helix)을 안정하게 이루는 힘을 제공함

 (2) RNA(ribonucleic acid)


   1) 종류 및 기능

    ① messenger RNA(mRNA): 유전정보의 전달기능

    ② ribosomal RNA(rRNA): 리보솜의 구성성분

    ③ transfer RNA(tRNA): 아미노산 운반기능

    ④ RNA를 genome으로 가지고 있는 virus에서 복제도 되어질 수 있음   

  2) 특징들

    ① RNA는 ATP, UTP, GTP, CTP로 이루어진 nucleotide들의 연결로 이루어짐

    ② 5탄당(ribose)은 2번 탄소에 OH기 존재하며, 3번 탄소 쪽이 꺾여져 나온 3- endopuckered structure를 가짐

    ③ 인산(phosphate)기는 (-) charge 제공해서 RNA가 물에 쉽게 해리 되어지게 함

    ④ 염기(base)는 purine계(A, G)와 pyrimidine계(C, U)로 구성되어짐


4. 중심가설(Central Dogma)

 (1) 개념: 유전정보의 흐름이 DNA → mRNA → Protein 순서로 이루어지며, 생명체를 이루는 유전물질의 근간이 되는 것은 DNA라는 가설

 (2) 모식도


5. RNA world scenario

 (1) 개념: 중심가설을 부정하는 학설로, RNA가 최초의 유전물질이었을 것이라는 가설

 (2) 뒷받침 근거: 리보자임(ribozyme)의 발견

   1) 리보자임(ribozyme)은 Tetra hymena 균주에서 밝혀짐

   2) 리보자임은 RNA 분자 그 자체가 효소로서의 기능을 가짐

   3) 리보자임은 intron을 제거하고 exon을 연결하는 splicing 기작을 수행함

 (3) RNA world scenario

  - 1단계: 원시지구 대기로부터 뉴클레오티드를 포함한 prebiotic soup이 만들어짐

  - 2단계: 무작위적 배열을 가진 짧은 RNA 분자들이 합성되어짐

  - 3단계: 스스로 복제 가능한 RNA 분자의 선택적인 복제

  - 4단계: RNA에 의하여 촉매화 되어지는 특정 펩티드의 합성 

  - 5단계: RNA 복제 내에서의 펩티드의 역할이 증대되어져, RNA와 단백질의 공동진화

  - 6단계: RNA genome과 RNA-단백질 촉매작용 사이에서의 원시적인 번역계가 발달

  - 7단계: genomic RNA가 DNA를 복제

  - 8단계: 복제된 DNA로부터 유전정보의 흐름이 DNA → mRNA → Protein 순서로 원활히 이루어짐


6. 프리온(Prion)


 (1) 개념: 단백질성 감염 입자로서 PrPc와 변이형인 PrPSc가 있다.


 (2) 특징

   1) PrPc: 33-35kDa 정도 되는 253개의 아미노산으로 구성된 막단백질로서 glycosylinositol phospholipid와 결합되어져 있다. 정상적인 프리온으로서 포유동물에 존재하며, 신경세포의 활성유지와 관련되어져 있다.

   2) PrPSc: 같은 수의 아미노산을 갖는 PrPc의 변이형으로서 양의 진전병(scrapie), 소의 광우병(bovine spongiform encephalopathy; BSE), 인간의 변형 크로이츠펠트-야곱병(variant Creutzfeldt-Jakob disease ;vCJD), kuru, fetal familial insomnia 그리고 Gerstmann-Sträussler syndrome에서 발견되어진다. 

   3) PrPc에서는 β-sheet은 없고, α-helix가 풍부한 반면, PrPSc는 β-sheet을 많이 포함한다. 즉, PrPSc는 물에 잘 녹지 않을뿐더러 열이나 protease의 작용 등에 대해 강한 내성을 가진다.

   4) PrPSc는 중추신경계(CNS)를 구성하는 신경세포에서 간상모양의 침전물을 형성하여, 해면성 뇌장애(spongiform encephalopathy)의 감수성을 높인다.

 



<포인트>

  

 - DNA와 RNA의 비교: 5탄당과 염기의 비교, 구조적 차이점, 중심가설과 RNA world

   

- 프로모터(promoter): 전사가 되어질 때, RNA polymerase가 붙는 DNA 절편

    

 - TATA box: 프로모터를 구성하는 -10 region 근처의 TATAAT같은 보존되어진 영역을 말하는 것임

   

- Pribnow box: 진핵생물의 TATA box와 같은 원핵생물에 존재하는 프로모터를 구성하는 보존되어진 영역으로 RNA polymerase가 프로모터에 붙을 수 있도록 σ factor가 제일 먼저 Pribnow box에 결합한다.

   

- 인핸서(enhancer): 전사촉진 DNA서열로 유전자(gene)의 upstream이나 downstream에 존재한다. 이곳에 전사활성화인자 같은 DNA결합 단백질들이 붙을 수가 있다.

   

- 사이렌서(silencer): 전사를 억제시키는 DNA 서열, 인핸서와는 서로 상반된 역할을 함

   

- 히스톤(histone): (+) charge를 가지는 Arg, Lys 같은 아미노산이 풍부한 단백질로서 (-) charge를 가지는 DNA와 결합하여 안정화시켜 줄 수 있다.


- 크로마틴(chromatin): 세포 주기 중 간기(interphase) 시기에는 분열하지 않는데, 이 때는 DNA가 응축되어져 있지 않은 크로마틴의 형태로 존재한다. 응축되어지면 유전자발현이 일어나기 힘들다. 그래서 간기 시기 중 G2기는 분열전단계로서 많은 유전자 발현을 통해 분열기에 필요한 산물들을 만들어 놓는다. 분열기로 진입하게 되면 DNA는 응축되어져 크로마틴의 형태가 아니라 compact한 염색체(chromosome)의 형태로 바뀌게 된다. 한편, 염색체는 중기(metaphase) 시기에 현미경을 통하여 가장 선명하게 관찰할 수 있다.


- 염색체(chromosome): 분열기에 관찰할 수 있는 응축되어진 DNA 덩어리로서 사람은 46개의 염색체를 가지고 있다.   

    

- RNA 가공(RNA processing): 진핵생물은 원핵생물과는 달리 막 구조의 세포소기관들도 존재하고 세포의 크기도 훨씬 크다. 전사된 이후에 번역이 일어나기 위한 mRNA의 거리이동은 원핵세포에 비해 훨씬 많다. 그리고 단백질 합성에 불필요한 비암호화지역(non-coding region)인 인트론(intron)도 가지고 있다. 그래서 진핵세포에는 전사된 이후에 유전정보의 보호와 intron 제거의 목적으로 독특한 RNA가공 단계를 거친다. 이러한 RNA 가공에는  5‘-Capping, 3’-Poly A tailing, Splicing이라는 세 가지가 있다.

  1. 5‘-Capping: 유전정보의 보호와 번역(translation)시 인식되어지는 부분

  2. 3’-Poly A tailing: 유전정보의 보호와 mRNA가 핵공을 통해 빠져나갈 수 있는 신호

  3. 스플라이싱(splicing): intron을 제거하고 exon을 잇는 과정

  

- topoisomerase: DNA의 풀림과 꼬임을 조절하는 위상차효소로서 DNA supercoiling을 부여하여 3차 구조를 만든다.

  1. typeⅠ: topoisomerase Ⅰ, topoisomerase Ⅲ가 있으며, DNA 한 가닥을 절단하여 풀어준다. 

  2. typeⅡ: topoisomerase Ⅱ, topoisomerase Ⅳ, DNA 두 가닥을 절단하여 꼬아준다.


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