[세포생물학] 핵산 : 뉴클레오타이드들의 연결과 DNA의 이중나선구조

뉴클레오타이드

뉴클레오타이드는 핵산의 단위체이며 5탄당에 해당합니다.

DNA의 단위체 디옥시리보오스는 2번 탄소 자리에 H가 연결,

RNA의 단위체 리보오스는 2번 탄소 자리에 OH가 연결되어 있어 리보오스가 상대적으로 더 불안정합니다.

 

1번 탄소에는 염기가 결합하게 되고, 이것이 염기로 불리는 이유는 염기의 질소에 있는 비공유전자쌍이 제공되어 수소를 받아들일 수 있기 때문입니다.

5번 탄소에는 인산기가 최대 3개 결합할 수 있으며 뉴클레오타이드에서 가까운 순서대로 α 인산기, β 인산기, γ 인산기라고 불립니다.

 

인산기 각각은 서로 고에너지 인산결합을 하고 있으며 음전하를 띠고 있습니다.

친수성이므로 H2O와 접촉하고 히스톤 단백질이나 염기성 염색약과 결합할 수 있습니다.

 

 

염기 구분 방법에는 두 가지가 있습니다.

 

- 퓨린과 피리미딘으로 분류할 수 있습니다. 질소 고리 수가 퓨린(A, G)은 2개, 피리미딘(T, C)은 1개입니다.

- 아미노와 케토로 분류할 수 있습니다. 탄소-탄소 결합에 아미노는 아미노기가, 케토에는 산소가 붙어있습니다.

(주의 : G에 붙어있는 NH2를 보고 아미노라고 생각하면 안됩니다. C-C 결합에 아미노기가 붙어있어야 아미노입니다.)

 

 

A-T 결합은 이중 수소 결합이며, G-C 결합은 삼중 수소 결합이므로 구아닌과 시토신의 결합이 더 강합니다.

RNA의 A-U는 결합이 약하며, 시토신(C)의 아미노기가 떨어져 우라실(U)로 바뀌는 돌연변이가 쉽게 발생합니다.

+ 우라실(U)의 구조가 불안정한데 사용하는 이유는, DNA에서 전사된 mRNA를 쉽게 핵 밖으로 방출시키기 위해서입니다. (즉, 결합력이 약해야 함)

 

뉴클레오타이드의 질소 염기에는 C-N 사이에 이중결합과 단일결합이 반복하고 있으며 이 특성 때문에 260nm에서 자외선 흡광이 발생합니다.

 

 

뉴클레오타이드 사이의 연결

모든 뉴클레오타이드 사이의 연결은 인산이에스테르 결합으로 이루어져있습니다.

이 인산이에스테르 결합을 형성하는데에는 Polymerase와 Ligase가 작용합니다.

 

Polymerase는 주형 가닥(<->코드 가닥)에 상보성이 존재하는 새로운 뉴클레오타이드를 연결하는 기능을 하며,

기존 뉴클레오타이드의 3' 말단에 OH기가 있어야만 연결해줄 수 있습니다.

 

보결족(보조 인자)으로 마그네슘 이온 Mg2+를 사용하며, 자발적 발열반응을 이용하여 새로운 뉴클레오타이드를 부착합니다. 이 때 마그네슘 이온은 새로운 뉴클레오타이드가 들어올 때 인산기를 고정해주는 역할을 합니다. OH기의 산소에 있는 전자쌍은 친핵성 반응으로 인산 결합을 끊고 7.3kcal * 2만큼의 에너지가 방출되어 그 에너지로 자발적으로 반응을 수행합니다.

 

Ligase는 기존에 연결되어있던 뉴클레오타이드들이 자외선 등의 요인으로 끊어지면 다시 연결해주는 역할을 합니다. 
(따라서 Ligase는 별도의 ATP의 공급이 필요합니다.)

 

DNA는 염기성 환경에서 안정하고, RNA는 염기성 환경에서 불안정합니다.

DNA의 C2에는 수소가 붙어있고 여기에 OH-가 접근할 시 C-H 결합의 H는 소수성이므로 반응이 일어나지 않습니다.

RNA의 C2에는 OH가 붙어있고 여기에 OH-가 접근할 시 수소를 가져가고 뉴클레오타이드의 산소의 전자쌍은 비공유 전자쌍이 되어 인산기의 결합을 끊어버립니다.

결합이 끊어지면 RNA는 절편화가 되어 서열의 순서가 섞이게 되고,

이것은 염기성 환경에서 RNA가 녹는다는 표현으로도 사용됩니다.

 

+ 염기(ATGC)는 생리적 pH에서 소수성이고 따라서 물에 불용성이며 내부에 보호되고 있습니다.

 

 

DNA 종류

DNA의 종류에는 A, B, Z형의 세 가지가 있습니다.

 

- A형의 이중나선은 탈수된 형태이고, 따라서 불안정성을 가지고 있으며 B형에 비해 두꺼운 형태를 가지고 있습니다.

살아있는 세포는 A형의 이중나선을 가지고 있지 않습니다. (DNA-RNA 이중나선, RNA-RNA 이중나선)

 

- B형의 이중나선은 생리적으로 안정된 형태이고, 주홈(깊게 패인 홈)과 부홈(얕게 패인 홈)이 있습니다.

  주홈은 단백질들이 접근하는 자리이고, 부홈에는 인산기가 노출되어 있어 히스톤 단백질이 결합합니다.

  주홈부터 다음 주홈까지, 부홈부터 다음 부홈까지가 이중나선의 1회전입니다.

 

- Z형은 G와 C의 비율이 아주 높으며 결합이 강하여 좌나선성(옆에서 봤을 때 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 휘어짐)을 가집니다. 응축되어있어 유전자 발현이 되지 않는 DNA form입니다.

 

 

흡광을 통한 구조 예측

핵산은 흡광을 통한 구조 예측이 가능합니다.

 

흡광도는 뉴클레오타이드를 가리고 있는 물질이 많을수록 낮아지므로 뉴클레오타이드 한 개 > 단일 가닥 > 이중 가닥 순으로 높습니다. DNA 이중 가닥의 기본 흡광도 기준은 50ug/ml, 단일 가닥의 기본 흡광도 기준은 37ug/ml, 단일 뉴클레오타이드의 기본 흡광도 기준은 32ug/ml입니다.

 

흡광도가 높다는 것은 더 적은 빛으로 똑같이 흡광 가능하다는 뜻이므로 똑같이 50ug/ml의 흡광을 시키면 단일 뉴클레오타이드의 상대 흡광도가 1.56으로 가장 높습니다. 단일 가닥은 1.37입니다. (이중 가닥 1.00 기준)

 

DNA 변성의 정도도 자외선에 대한 흡광도를 통해 관찰합니다. 왜냐하면 변성이 많이 될수록 단일가닥에 가까워지기 때문입니다. 즉 변성이 많이 될수록 흡광도가 높아집니다. 변성이 되면 흡광도가 증가하고 다시 복원이 되면 흡광도가 감소합니다.

 

DNA의 안정성 이중 나선의 50%를 변성시키는 온도 T_m에 비례합니다.

T_m을 높이는 요소는 다음과 같습니다.

 

- G-C 비율

- 소수성 상호작용의 정도

- 염 투여 : 염 투여를 하면 인산기를 날리기 때문에 가닥 사이 거리가 감소합니다.

- 적정 pH : 산성 pH에서는 수소가 많아지므로 뉴클레오타이드 사이의 수소 결합을 방해하며,

               염기성 pH에서는 수소를 떼어내어 수소 결합을 깨뜨립니다.

+ 주의 : 반복 서열은 T_m에 영향을 줄 것 같지만 주지 않습니다.

 

 

DNA 염기서열의 회문이란 한쪽의 5'에서 3'쪽으로 읽어나가는 서열과 반대쪽 가닥의 5'에서 3'쪽으로 읽어나가는 서열이 같은 것을 말합니다. (ex : AGCT는 반대쪽 가닥의 서열 또한 AGCT이므로 회문)

 

 

회문의 중간에 다른 서열이 끼어있을 경우 2가 대칭이라고 부르고 이러한 서열이 있을 경우 (단일 가닥으로 분리시켜 놓았을 때) 머리핀 구조가 만들어집니다. 즉 단일 가닥이 있어야하므로 RNA 전사체가 있어야만 머리핀 구조가 생깁니다. 시간에 따라 가열하면서 260nm 흡광도가 일정하면 일반 가닥이고, 증가하면 헤어핀 구조입니다. (가열되면서 헤어핀 구조가 풀리므로)

 

DNA와 RNA의 재생이 잘 되는 조건은 다음과 같습니다.

 

- 뉴클레오타이드의 농도가 높을 경우

- 적정 농도의 염 : 낮을 경우 인산기 사이 척력 발생, 높을 경우 수소결합을 방해

- 적정 pH

- 반복서열 : 진핵생물만 있으며 고빈도의 반복서열은 염색체의 동원체와 말단부분에 해당하고 염색체 중간마다 중간빈도의 반복서열이 있습니다.

+ 흡광도 그래프에서 흡광도가 급격하게 떨어지는 부분이 시간 순서대로 고빈도, 중간빈도, 실제 유전자에 해당합니다.