7급 공무원 및 기사시험 대비 생물학개론 핵심 요점 정리 8. DNA와 RNA

왓슨과 크릭의 이중나선 발견
 발견 ; 1869년 독일 화학자, 프리드리히 미셔가 박테리아에서 DNA라는 물질 발견 유전물질로서의 DNA ;1. 1880년대 현미경을 통해 세포 분열의 관찰로 세포핵 속의 염색체 관찰2. 흰색눈의 초파리 돌연변이 연구로 염색체의 유
전적 역할을 확인
3. 박테리오파지의 감염 때 핵산인 DNA만 박테리
아 내로 들어감을 확인.
 DNA의 분자구조는 1953년 미국의 왓슨과 영국
의 크릭에 의해 2중나선(double helix)구조가 제안
 디옥시리보스와 인산의 연결과 염기의 결합으로
구성
 염기의 화학구조 때문에 A=T, C=G 으로 결합하
면 일정한 간격을 가진 2중 나선 구조를 유지

형질전환 물질을 발견한 그리피스 실험

S 형의 ‘ 형질전환물질 ’ 은 DNA 이다 .

허시 - 체이스 실험

DNA와 단백질
 단백질은 세포의 생명에서 중요한 역할을 한다.
- 미세소관, 중간필라멘트와 미세섬유는 세포의 모양을 유지하고, 효소는 중
요한 반응을 촉매한다.
 단백질합성의 청사진은 DNA속에 있다.
- DNA 는 유전자를 구성하며, 각 유전자는 각기 다른 단백질을 합성한다.
 DNA 는 4가지 기능:
1. 정보를 저장
2. 단백질 합성을 지시
3. 화학적 유전적 특징의 변화(돌연변이)
4. 복제
 DNA 의 이와 같은 기능은 독특한 구조 때문에 가능하다.

DNA의 구조와 복제
 DNA는 두개의 폴리뉴클레오티드의 구조로
deoxyribonucleic acid의 줄임말.
- 핵산 = 당 + 염기 + 인산(phosphate)
- 당 : Ribose, Deoxyribose
- 염기 : Purine - Adenine, Guanine
Pyrimidine - Thymine, Cytosine, Uracil
 DNA와 RNA는 핵산으로 단량체가 사슬처
럼 길게 연결된 중합체이다.
 당-인산 축을 가지며 질소염기(A, T, G, C)는
이축에 따라 부속물처럼 배열되어 있다.
 인산기 중앙에 인 원자를 가지고 있고, 산소
원자가 수소(H+)를 잃어 음전하를 띈다.
 RNA와 DNA는 당에 산소원자 존재유무에
따라 차이가 난다.

[Polynucleotide]  핵산 사이에 인산디에스터 결합
(phosphodiester bond)
 당-인산 골격 : sugar-phosphate backbone
 방향성 : 5’→ 3’
5’end : phosphate group
3’end : hydroxyl group
DNA와 RNA 구조의 특성.

[Polynucleotide]

A:T and G:C base pairs

 

 

DNA의 구조와 복제
 원래(부모) DNA 분자(푸른색)의 두 가닥은 새(딸) 가닥
(오렌지색)을 만드는 주형(틀)으로 사용된다.
 반 보존적 복제 - 복제는 두 개의 딸 DNA 분자를 만들
고 각 분자는 원래의 가닥과 새 가닥을 하나씩 갖는다.
- 부모 DNA는 염기쌍 사이의 수소결합이 풀어지면서
이중 나선이 분리되어 꼬인 것이 풀려지고 단일가닥으
로 되고 이를 주형으로 복제된 딸 DNA는 이중나선을
형성한다.
 양방향성 복제 - 복제 중인 DNA의 만드는 복제방울
- DNA 복제는 복제기점에서 시작되고 복제방울을 만들
면서 양쪽 방향으로 진행된다.
- 진핵세포 염색체의 긴 DNA 분자는 많은 복제기점을
가지며 복제가 진행됨에 따라 많은 복제방울들이 합쳐
져 두 개의 완전한 딸 DNA 분자가 만들어진다.

 복제 방향성 - 대부분의 DNA 중합효소는 5’에서 3’ 방향으로 DNA 이중나선을 형성한다.
 반 불연속적 복제 - 새(딸) DNA 분자 사슬 중 하나는 불연속적 복제에 의해 이중나선을 형성한다.

 

DNA 복제과정에 참여하는 효소들

 헬리카제(Helicase); DNA를 복제할 때 복제분기점에서 ATP를 이용하여 DNA의
이중 가닥을 풀어주는 DNA 분리효소로서 많은 종류의 헬리카제가 존재한다.
 결합단백질(single-strand binding protein); 풀린 DNA 형태를 유지하게 한다.
 프리마제(primerase); leading strand와 lagging strand의 Okazaki fragment 각각의 5’-
end에 RNA primer를 합성한다
 DNA 중합효소 III ; RNA primer를 시작으로 하여 주형 DNA와 상보적인 염기를 하
나씩 붙여나간다.
 DNA 중합효소 I ; 5’-end의 RNA primer를 제거하여 DNA로 대체한다.
 연결효소(DNA ligase) ; 끊어진 당-인산 골격을 연결한다.
 Topoisomerase ; DNA의 overwinding이나 underwinding 을 조절한다.

 

DNA 수선
 DNA 복제는 매우 정확하게 복제되지만 10만개의 염기당 하나 정도의 비율로 잘못 복제될
수 있다.
 DNA 중합효소와 복구효소들은 DNA가 정확하게 복제되었는지 확인한다.
1. 광회복반응; 광분해효소가 가시광선의 청색을 흡수하여 피리미딘 이량체의 공유결합을
끊는다.
2. 절단복구; DNA의 당-염기 사이의 결합을 자른 다음 피리미딘 이량체와 주변의 염기들
을 제거하고 DNA 중합효소가 복구한다.
3. 불일치 복구; DNA 중합효소의 교정에 복구되지 않은 염기들이 복제 이 후에 불일치 부
분을 수정한다.

선형 DNA 말단 부위의단축

 

• 생물체의 유전정보의 흐름

DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로의 유전정보의 흐름
 생물체의 DNA 유전자형이 표현형으로 나타나는 방법
- DNA의 염기서열이 유전자형이 되고, 표현형은 개체가 갖고 있는 특정 형질을
말한다.
- 표현형의 분자적 기초는 DNA가 아니라 서로 다른 기능을 가지는 단백질에 있다.
- 기능을 가지는 단백질은 DNA에서 직접 만들어지는 것이 아니라 DNA를 주형으로 만들어진 RNA로부터 단백질이 만들어진다.
 전사(Transcription) - DNA의 유전정보를 RNA 분자로 바꾸는 과정이다.
- RNA 분자의 염기는 DNA에 있는 염기와 상보적으로 바뀐다.
 해독(Translation) - RNA에 있는 정보를 단백질로 전환시키는 과정이다.
- RNA의 정보를 아미노산 중합체인 폴리펩티드로 전환시킨다.
- 3개의 염기가 한 조를 구성하여 하나의 아미노산을 지정하며, 총 20개의 아미노산을 지정한다.

 

 

전사: DNA에서 RNA까지
 전사: DNA로부터 RNA까지 유전정보의 전달과정
- DNA가 주형이 되어 RNA가 합성된다.
- RNA는 T 대신에 U가 A와 결합는 것을 제외하고 DNA 복제와 동일한 규칙에 따른다.
- DNA 중합효소와 달리 RNA 중합효소는 primer가 필요없다.
 전사의 개시
- 프로모터; 전사의 시작을 알리는 신호(염기서열)로서 RNA 중합효소가 결합하는
특정 결합부위로 프로모터는 두 가닥의 DNA 중에서 전사 부위를 결정할 수 있다.
 RNA 신장
- 전사가 시작되어 실제 RNA가 길어지는 단계로 합성된 RNA 가닥은 DNA로부터
떨어져 나오고 DNA 는 다시 상보적으로 재결합한다.
 전사의 종결
- 전사 종결신호 부위에서 RNA와 RNA 중합효소가 떨어져 나온다.

진핵세포 RNA의 가공과정
 5’ processing (Capping)
- pre mRNA 5’ 말단에 7-methylguanosine cap구조가 더
해지면서 5’ capping이 이루어진다.
 3’ processing( Cleavage and Polyadenylation)
- pre mRNA 의 분할(절단) 후 아데닐산(AMP, adenosine
monophosphate)을 약 200여 개를 첨가한다.
 RNA processing 과정은 RNA가 세포내 분해를 막고,
리보솜의 mRNA 인식을 돕는다.
 Splicing ; pre-mRNA에서 유전정보를 암호화 하지 않
는 비해독부위를 제거한다.
 핵이 없는 원핵생물은 유전자에서 전사된 RNA는 즉시 전령 RNA(messenger RNA,
mRNA)가 되어 해독이 일어난다.
 진핵세포의 경우에는 전사과정이 핵 안에서 일어나며 RNA 전사체는 세포질로 이
동되어 리보솜에서 해독되기 전에 몇 가지 가공과정을 거쳐 mRNA로 변형된다.

mRNA 말단의 변화(Alteration of mRNA Ends)

- mRNA 전구체의 각 말단은 특별히 변형됨: 구아닌(G) 뉴클레오티드가 5’ cap을 형성; 3’말단에 50-250개의 AMP가 붙어 poly-A tail을 형성
- 이 변형은 (1) 성숙한 mRNA가 핵 바깥으로 나가는 것을 도움, (2) mRNA가 가수분해효소에 의해 분해되지 않도록 보호, (3) mRNA가 세포질에 도달하면 리보솜이 mRNA의 5’ 말단에 부착되도록 도와줌

 

진핵세포에서  mRNA  전사

해독: 참가자

 RNA의 종류
1) mRNA(messenger RNA) : 핵 안에 있는 DNA의 유전 정보를 세포질 안의 리보솜에
전달하는 RNA

 

2) tRNA(transfer RNA) : 단백질 합성 시 상보
적인 안티코돈을 가지고 있어 mRNA에 해
당 아미노산을 운반해 주는 RNA

3) rRNA(Ribosomal RNA) : 핵 속의 인에서
단백질과 결합하여 리보좀을 구성하고 리
보좀이 세포질에서 단백질 합성을 수행

단백질합성과정

 

유전암호
 유전암호표는 RNA에서 발견되는 3염기조 암호로서, 이것은 DNA와 직접적이며 상보적이다.
 암호를 구성하는 DNA와 RNA 상에서 일렬로 배열되며 코돈끼리 서로 떨어져 있거나 중단되는 없다.
 단순한 세균에서부터 복잡한 동식물에 이르기까지 모든 생물은 거의 대부분의 유전암호를 공유한다.
 AUG
- 메티오닌(Met)이라는 아미노산을 지정하며, 폴리펩티드 사슬의 시작을 지시하는 신호
 UAA, UAG, UGA
- 아미노산을 지정하지 않고, 리보솜에서 폴리펩티드의 합성을 종결시키는 신호
 2개 이상의 3염기조가 하나의 아미노산을 지정하지만, 다른 아미노산을 지정하지 않는다.

 

 

유전 암호표

해독: 과정
 개시: mRNA와 첫 번째 아미노산이 결합된 
tRNA 그리고 리보솜의 두 소단위들이 모두 모이는 과정.
- mRNA에 작은 리보솜 소단위가 결합하고 특수 개시 tRNA는 개시 암호에 결합한다.
- 리보솜의 큰 소단위는 작은 소단위와 결합하여 기능을 갖는 리보솜이 된다.

 신장: 개시가 완결되면 아미노산들이 첫 번째 아미노산에 하나씩 첨가되어 신장과정
이 일어난다.
- 암호인식 : 새로 첨가되는 아미노산을 운반하는 tRNA가 A자리(aminoacyl site)의
mRNA 코돈에 결합
- 펩티드 결합 형성: P자리에 있던 폴리펩티드가 분리되어 A자리에 있는 아미노산과
결합하는데 이때, 리보솜이 펩티드 결합을 촉매
- 자리이동: P자리의 tRNA는 떨어져 나가고 리보솜은 A자리의 폴리펩티드를 P자리로
이동

 

폴리펩티드 사슬의 신장

 

 종결: 종결신호가 A자리에 오면 해독을 종결하며 폴리
펩티드와 tRNA는 리보솜에서 떨어져 나오고, 리보솜은
두 개의 소단위로 분리

 

 

아미노아실 tRNA 합성효소는 특정 아미노산을 tRNA에 연결

 

Transcription to Translation

돌연변이
 DNA 뉴클레오티드 서열에 생긴 변화를 돌연변
이라고 한다.
- 돌연변이는 염색체의 일부에서 또는 단일 뉴클
레오티드 쌍에서 일어날 수 있다.

 

 

 한 쌍의 염기 변화- 점 돌연변이(point mutation) ;염기치환- (해독) 틀 밀림 돌연변이(frame-shift mutation);염기첨가 및 염기결손

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틀밀림 돌연변이의 결과

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염기치환의 결과

 

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점 돌연변이의 예

• 겸상적혈구빈혈증
; 사람의 정상적인 적혈구는 원반형이나 돌연변이로 낫모양이 되면서 산소운반이 잘 되
어서 빈혈이 된다.
; 분자적 배경: 점돌연변이

 

돌연변이 유발원
 Mutagenic agent - 돌연변이의 빈도를 높임 (mutation rate, mutation frequency)
 Chemical mutagens (화학적 변이원)
- 염기 유사물질(base analog)
- 염기와 화학반응을 일으키는 물질(chemicals reacting with DNA)
- 알킬화제(alkylating agent) ; 구아닌 결합 손상으로 DNA 이중나선은 분리될수도, 풀릴수 있다.
- Intercalating agent (삽입물질)
 Physical mutagens (물리적 변이원)
- Non-ionizing radiation(비전리방사선)
- Ionizing radiation(전리방사선) : free radical 형성
; X-ray(엑스선), cosmic ray(우주선), gamma ray(감마선)
 Biological mutagen (생물학적 변이원)
- 전이성 인자(이동 유전물질, transposable element; DNA분자의 한 부분에서 동일한
DNA분자나 혹은 다른 DNA 분자로 옮길 수 있는 DNA 조각 )

 

분화된 세포에서의 유전자 발현
 유전자 발현이란 유전자에서 단백질(즉 유전자형에서 표현형)로 연결되
는 유전정보의 흐름 전체과정을 유전자 발현이라 한다.
 배 발생 동안에 각 무리의 세포들은 다르게 분화되는 발생과정을 거쳐
특정조직을 이룬다.
 한 개체의 모든 세포는 동일한 유전자를 가지지만 성체에서 분화된 각
각의 세포들은 특이적 유전자 군만을 켜게된다.

유전자 발현조절 ; 세균의 유전자 조절
 선택적인 유전자 발현으로 서로 다른 종류의 세포가 생겨날 수 있다.
 대장균은 젖당(Lactose)을 흡수하고 소화할 효소를 생산하는데 세 가지 유전자를 발
현하게 되며 젖산 오페론에 의해 조절된다.
 오페론 ; 구조유전자, 작동유전자, 촉진유전자, 조절유전자 등에 의하여 통일적으
로 조절되어 있는 서로 이웃한 유전자 군이다.
 프로모터; 전사효소인 RNA중합효소가 붙어서 전사를 개시하는 부위이다.
 작동부위; 프로모터와 효소 유전자 사이에 위치한 DNA 부위로서 특정 단백질의 결
합 여부에 따라 전사 스위치를 켜고 끄는 역할을 한다. 억제자라고 하는 단백질 분
자는 작동부위에 결합하여 RNA중합효소가 프로모터에 결합하는 것을 방해한다.
 Lac operon은 세균 주위에 젖당이 존재 유무에 따라 전사가 조절되며, Lac operon의
각 젖당 이용 유전자로 부터 만들어진 젖당 분해효소 소단위체들이 결합하여 젖당
을 포도당과 갈락토오스로 분해한다.

The lac operon in “off” mode

 

The lac operon in “on” mode

 

 

진핵생물의 핵에서 유전자 조절
 DNA 응축에 의한 조절
- 전사가 진행되기 위해서는 RNA 중합효소와 다른 전사효소가 DNA에 접촉하도록 DNA 응축이 느슨하게 풀어져야 한다.
- DNA가 응축되면 전사과 관련된 효소들의 DNA 접촉이 어려워지므로 전사가 억제 될 수 있다.
 전사의 개시
- 가장 중요한 유전자 발현의 조절 단계는 전사의 작용으로 원핵생물의 억제자처럼
진핵생물의 조절 기작은 특정 DNA 조각부위에 결합할 수 있는 단백질이 포함된다.
- 세균의 오페론과 달리 진핵세포의 각 유전자는 자신만의 프로모터와 조절염기서열 부위를 가진다.
- 포도당 대사처럼 계속적 활성이 필요한 House keeping gene를 제외하고는 다세포 생물체에서 대부분 유전자의 설정 상태는 꺼짐(OFF)이다.

 몇 가지 단백질과 DNA 조절 부위 몇 개가 합쳐져서 진핵세포 유전자의 전사를 개시한다

 

 진핵세포 유전자를 켜는 데는 RNA 중합효소와 전사인자(Transcription factor)
라는 전사조절 단백질이 요구된다.
 전사개시의 첫 번째 단계는 활성자 단백질이 증폭자(Enhancer)라는 DNA 염
기부위에 결합한다.
 DNA가 구부러짐으로써 결합된 활성자가 다른 전사인자들과 상호작용으로 함
께 유전자의 프로모터에 결합한다.
 큰 단백질 조립체는 RNA 중합효소가 프로모터에 정확하게 결합하는 것과 전
사 개시를 돕는다.
 침묵자(Silencer) ; DNA 염기서열부위와 결합하여 전사를 저해하는 단백질이다.

 

 

진핵생물의 핵에서 유전자 조절
 RNA 공정(RNA processing)
- 전사과정이 핵 안에서 일어나며 RNA 전사체는 세포
질로 이동되어 리보솜에서 해독되기 전에 몇 가지 가
공과정을 거쳐 mRNA로 변형된다.

 인트론 제거하는 과정에서 일부 엑손부위를 같이 제거함으로써 유전자 발
현을 조절할 수 있다.
 mRNA가 핵에서 세포질로 이동할 때 mRNA의 이동 속도를 조절함으로써
세포는 mRNA로부터 단백질 합성의 시간과 양을 조절할 수 있다.

 

세포 신호전달
 다세포 생물체에서는 세포 사이에서도 유전자 조
절이 가능하다.
 근접해 있거나 또는 멀리 떨어져 있는 세포의 조
절을 유도하는 호르몬(대부분 뇌에서 생성)과 같
은 물질을 생산하고 분비하는 세포가 있다.
 신호를 주는 세포에서 신호를 받는 세포로 보내
는 메시지를 담고 있는 단백질이나 또는 어떤 분
자들을 가지고 세포 사이의 신호를 전달하는 것
이다.
 신호분자는 표적세포 표면에 있는 수용체 단백질
에 결합함으로써 세포의 신호전달 과정 즉 표적
세포에서 받은 신호를 세포 안의 특정 반응으로
변화를 일으킨다.

 

 

세포질에서의 조절
 mRNA 파괴
- mRNA 분자의 수명이 길수록 훨씬 많은 단백질을 만들 수 있으므로 세포가 단백질
을 만드는데 mRNA의 수명이 중요한 조절 요인이 될 수 있다.
 해독 작용의 조절
- 해독(번역, Translation) 작용에 관여하여 조절 기능을 갖는 단백질에 의해 조절 될
수 있다.
 단백질 변형
- 해독 후 만들어진 폴리펩티드를 더 작은 분자로 잘라서 활성을 갖게 한다.
 단백질 분해
- 해독 후 단백질을 선택적으로 파괴한다.
- 세포는 환경의 변화에 따라 분해를 통해
단백질 종류나 양을 제어한다.

 

유비퀴틴(ubiquitin)
 유비퀴틴은 amino acid 76개로 이루어진 작은 단백질로, 주요한 역할은 분해되어야
할 단백질을 표지하는 것이다.
- 유비퀴틴이 붙은 단백질은 proteasome에 의해 분해된다.
- 유비퀴틴의 기능은 이러한 분해표지자(destruction tag)로서의 기능으로 알려져 있
었으나 최근에는 신호전달의 매개체의 기능, endocytosis를 유도하는 기능, 또한
DNA의 repair mechanism 조절 기능 등이 알려지고 있다.

 

세포 신호전달
 다세포 생물체에서는 세포 사이에서도 유전자 조절이 가능하다.
 근접해 있거나 또는 멀리 떨어져 있는 세포의 조절을 유도하는 호르몬(대부분 뇌에서 생성)과 같
은 물질을 생산하고 분비하는 세포가 있다.
 신호를 주는 세포에서 신호를 받는 세포로 보내는 메시지를 담고 있는 단백질이나 또는 어떤 분
자들을 가지고 세포 사이의 신호를 전달하는 것이다.
 신호분자는 표적세포 표면에 있는 수용체 단백질에 결합함으로써 세포의 신호전달 과정 즉 표적
세포에서 받은 신호를 세포 안의 특정 반응으로 변화를 일으킨다.

 

세포주기를 조절 유전자 돌연변이에 의한 암의 발생
 암을 유발하는 유전자들
- 암을 유발하는 유전자를 가진 바이러스가 숙주세포에 들어가 숙주세포의 염색체
에 암 유발 유전자를 끼워 넣어 세포가 암세포가 되도록 만든다.
- 발암 유전자(oncogene); 암유전자가 될 수 있는 잠재능을 가진 정상 유전자를 원발
암유전자(proto-oncogene)라고 하며, 세포는 바이러스로부터 또는 원래 자신의 것
의 변형된 형태인 암유전자를 얻을 수 있다.
- 원발암 유전자의 대부분이 성장인자(growth factor, 세포분열 자극 단백질)나 세포
주기에 영향을 주는 단백질을 암호화하고 있다. 이러한 유전자들이 잘못 작동하게
되면 암이 발생된다.
- 원발암유전자는 세포의 DNA에 돌연변이가 일어나 암유전자가 진행될 수 있다.
- 정상적인 암억제 단백질은 무절제한 세포 성장을 방해하는데, 정상적인 암억제
단백질이 생성되지 않거나 기능을 잃게 되는 돌연변이에 의해 암이 발생할 수 있다.

 

 

세포주기를 조절 유전자 돌연변이에 의한 암의 발생
 암 발생의 다단계 모델
- 원발암유전자와 종양 억제유전자에 돌연변이가 축적되면 정상세포는 암세포로
전환된다.
 암 발생을 일으키는 유전적 요소와 비 유전적 요소
- 부모에게서 돌연변이 발암유전자나 돌연변이 종양 억제유전자의 대립인자를 물
려 받은 자손은 암이 발생할 확률이 높아지게 된다.
- 특정 바이러스는 자신의 DNA를 세포의 유전체에 주입시켜 암 발생을 일으킨다.

 

암 발생 위험성에 영향을 주는 생활방식
 암 유발 원인 물질을 발암물질이라 하며, 대부분의 돌연변이 유발원은 발암물질로 암의 원인이 되는 DNA변형을 일으킨다.
 화학적, 물리적, 생물학적 돌연변이원이 존재한다.
 발암물질은 모두 피할 수 없기 때문에 적당한 음식물을 선택함으로써 암 발생을 줄일 수 있다

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