디옥시리보핵산 구조와 기능

두 가닥의 사슬

디옥시리보핵산은 유기체의 발달과 기능을 위한 유전 정보를 전달하는 분자입니다. 다섯 개의 탄소와 당으로 구성되어 있으며, 세 번째 탄소에 산소가 없는 디옥시, 즉 수소 하나만 붙어있어, 리보핵산보다 상대적으로 안정합니다. 따라서, 생명체의 유전정보를 전달하는 데 있어 굉장히 효과적인 수단으로 작용하게 됩니다. 디옥시리보핵산은 이중 나선으로 알려진 모양인 꼬인 사다리처럼 서로 감겨 있는 두 개의 연결된 가닥으로 구성됩니다. 각 가닥에는 교대로 당인 디옥시리보스와 인산염 그룹으로 구성된 백본이 있습니다. 각 당에는 아데닌, 시토신, 구아닌 또는 티민의 네 가지 염기 중 하나가 붙어 있습니다. 두 가닥은 염기 사이의 화학 결합으로 연결됩니다. 아데닌은 티민과 결합하고 시토신은 구아닌과 결합합니다. 디옥시리보핵산 백본을 따라 배열된 염기서열은 단백질이나 리보핵산 분자를 만들기 위한 지침과 같은 생물학적 정보를 암호화합니다. 

 

발견 및 화학적 특성

디옥시리보핵산는 1869년 스위스의 생화학자 프리드리히 미셔에 의해 발견되었습니다. 그는 백혈구의 화학적 조성을 확인하기를 원했으며, 백혈구의 발견은 수술용 붕대에서 나온 고름이었습니다. 처음에는 세포의 모든 구성 요소에 관심이 있었지만 프리드리히 미셔는 산성물질로 처리할 때 핵이라고 부르는 침전물이 형성되는 것을 관찰했기 때문에 신속하게 핵에 집중했습니다. 거의 모든 분자 생명과학 학생들은 세포에서 디옥시리보핵산를 분리하는 실험실 수업에서 이러한 실험을 반복했을 것입니다. 프리드리히 미셔, 리처드 알트만, 아브레 코셀 등의 학자들은 핵산을 추가로 특성화했으며 리처드 알트만에 의해 이름이 핵산으로 변경되었습니다. 아브레 코셀은 계속해서 핵산이 퓨린과 피리미딘 염기, 당과 인산염을 포함하고 있음을 보여주었습니다. 1930년대에 많은 과학자들이 수행한 작업은 4개의 염기 식별과 디옥시리보스의 존재를 포함하여 핵산을 추가로 특성화하여 디옥시리보핵산이라는 이름을 붙였습니다. 에르윈 샤가프는 특정 종의 디옥시리보핵산 분자가 항상 같은 양의 시토신과 구아닌 염기와 같은 양의 아데노신과 티민을 함유한다는 것을 발견했습니다. 예를 들어, 인간 게놈은 20 퍼센트의 시토신, 20 퍼센트의 구아닌, 30 퍼센트의 아데노신 및 30 퍼센트의 티민을 포함하는 것을 말합니다.

 

구조적 특징

디옥시리보핵산은 뉴클레오티드라고 하는 단위체로 구성된 중합체입니다. 뉴클레오티드는 5 탄당, 데옥시리보스, 질소 염기 및 하나 이상의 포스페이트 작용기를 포함합니다. 디옥시리보핵산 합성을 위한 단위체는 3개의 포스페이트 그룹을 포함하고 2개는 이 과정에서 손실되므로 디옥시리보핵산 가닥에는 뉴클레오티드 한 개당 하나의 포스페이트 그룹이 포함됩니다. 디옥시리보핵산에는 이중 고리 퓨린 염기인 아데닌과 구아닌의 4가지 다른 염기가 있습니다. 데옥시리보스 고리 내의 탄소는 1번에서 5번까지 번호가 매겨집니다. 각 단량체 내에서 인산염은 데옥시리보스의 5번 탄소에 연결되어 있고 질소 염기는 1번 탄소에 연결되어 있습니다. 이를 질소 글리오시드 결합이라고 합니다. 인산기는 산성이므로 핵산이라는 이름이 붙습니다. 디옥시리보핵산 사슬 포스페이트 잔기는 한 데옥시리보스의 3번 탄소에 하이드록실과 다음 데옥시리보스의 5번 탄소의 하이드록실 사이에 연결을 형성합니다. 이 연결을 포스포디에스테르 결합이라고 합니다. 디옥시리보핵산 가닥에는 방향성이 있습니다. 한가닥의 디옥시리보핵산은 5번 말단 방향으로 진행되고, 다른 가닥의 사슬은 역방향으로 3 번 말단 쪽으로 이동하게 됩니다.

 

유전 물질

많은 과학자들이 세포 분열 이전에 핵산의 양이 증가한다는 것을 관찰했지만 프레드릭 그리피스, 오스발트 에이버리, 콜린 맥레오드, 맥클린 맥카티 등의 학자들은 핵산이 유전 물질일거라 믿지 않았습니다. 1928년에 그리피스는 살아있는 세포가 열처리된 세포의 추출물에 의해 변형될 수 있으며 이 변형이 수용 세포의 유전적 구성을 영구적으로 변화시킬 가능성이 있음을 보여주었습니다. 그리피스는 폐렴구균 박테리아의 두 가지 변종을 연구하고 있었습니다. 캡슐화된 소위 부드러운 균주는 독성이 있는 반면, 캡슐화되지 않은 거친 균주는 독성이 없습니다. 부드러운 균주를 쥐에 피하 주사하면 쥐가 죽고, 살아있는 거친 균주를 주사하거나 가열 사멸한 부드러운 균주를 주사하면 쥐가 산다. 그러나 살아있는 거친 균주와 가열 사멸된 부드러운 균주의 혼합물을 마우스에 주입하면 마우스가 죽고 살아있는 부드러운 균주는 혈액에서 분리될 수 있습니다. 따라서 그리피스 실험에서 열처리된 부드러운 균주의 구성 요소는 거친 균주를 변형시키고 있습니다. 1944년 에이버리, 맥레오드, 맥카티는 계속해서 무독성 박테리아를 변형시킬 수 있는 것은 디옥시리보핵산 임을 보여주었습니다. 그들은 부드러운 균주에서 디옥시리보핵산 추출물을 분리하고 모든 단백질, 지질, 탄수화물 및 리보핵산 성분을 파괴했으며 이 정제된 디옥시리보핵산이 여전히 거친 균주를 변형시킬 수 있음을 보여주었습니다. 하지만, 알프레드 허쉬와 마사 체이즈는 디옥시리보핵산이 유전 물질임을 확인했습니다. 그들은 박테리오파지라고 불리는 박테리아를 감염시키는 바이러스를 사용했습니다. 박테리오파지는 디옥시리보핵산 분자를 둘러싼 단백질 캡시드를 포함합니다. 그들은 박테리오파지가 대장균을 감염시킬 때 박테리아 세포에 들어가는 것은 단백질이 아니라 파지 디옥시리보핵산임을 보여주었다.

 

디옥시리보핵산의 3차원적 구조

디옥시리보핵산이 유전 물질이라는 것이 밝혀지면서 디옥시리보핵산 분자의 3차원적 구조를 결정하기 위한 경쟁이 벌어졌다. 킹스 칼리지 런던에서 로잘린 프랭클린과 마우리스 윌킨스는 엑스선 회절을 사용하여 데이터를 얻었고 디옥시리보핵산은 나선 구조를 가지고 있으며 프랭클린은 특히 디옥시리보핵산으로부터 엑스선 회절 패턴을 얻었다고 밝혔습니다. 캠브리지에서 제임스 왓슨과 프란시스 크릭은 프랭클린의 엑스선 회절 패턴과 샤가프의 기본 구성 데이터를 포함한 다양한 출처의 데이터와 함께 모델 구축을 사용하여 현재 잘 알려진 디옥시리보핵산의 이중 나선 구조를 알아냈습니다. 그들의 작업은 1953년 네이쳐지에 발표되었습니다. 왓슨과 크릭의 구조는 다음과 같습니다. 디옥시리보핵산은 두 가닥의 나선 구조로, 두 가닥은 서로 반대 방향으로 뻗어 있습니다. 한 가닥은 위에서 아래로 5번에서 3번으로 이어지는 반면, 다른 가닥은 위에서 아래로 3번에서 5번으로 이어집니다. 나선은 오른쪽 방향입니다. 즉, 축을 아래로 내려다보면 나선이 멀어질수록 나선이 시계 방향으로 회전합니다. 두 사슬은 염기 쌍 사이의 수소 결합을 통해 상호작용하며 아데닌은 항상 티민과 쌍을 이루고 구아닌은 항상 시토신과 쌍을 이룹니다. 따라서 왓슨과 크릭이 제안한 구조는 시토신과 구아닌, 아데닌과 티민이 항상 동일하다는 것을 보여주는 샤가프 데이터를 잘 설명합니다. 이중 나선의 규칙적인 성질은 1번 탄소 사이의 거리 때문에 발생합니다. 한 가닥의 디옥시 리보스와 반대쪽 디옥시 리보스의 1번 탄소는 염기쌍에 관계없이 항상 동일합니다. 디옥시 리보스 반대 뉴클레오타이드의 1번 탄소는 나선 축에서 서로 직접 마주 보고 있지 않습니다. 이것은 두 개의 당, 인산 골격이 나선 축을 따라 균등하게 벌어져 있지 않아 주요 홈과 작은 홈을 생성한다는 것을 의미합니다. 나선의 직경은 2 나노미터이고 인접한 염기는 0.34 나노미터만큼 떨어져 있고 36도의 회전을 하고 있어 10개의 잔기마다 반복되는 나선 구조가 생성됩니다. 디옥시리보핵산 분자는 일반적으로 매우 길고 디옥시리보핵산 사슬을 따라 염기서열이 배열되어 있습니다.

 

리보핵산

핵산의 또 다른 중요한 부류는 리보핵산이며, 세포에서 리보핵산 분자의 역할은 다음과 같습니다. 화학적으로 리보핵산은 디옥시리보핵산과 유사하며 비슷한 단량체 사슬입니다. 리보핵산의 구조는 5 탄당 리보스, 인산염 및 질소 염기를 포함하는 뉴클레오티드입니다. 인산염은 리보스의 5번 탄소에 붙어 있고 질소 염기는 1번 탄소에 붙어 있다. 리보핵산은 아데닌, 구아닌, 시토신 및 우라실의 4가지 염기를 포함합니다. 리보핵산은 디옥시리보핵산 보다 더 불안정하고(쉽게 분해됨) 대부분의 리보핵산 분자는 안정적인 이차 구조를 형성하지 않습니다. 리보핵산의 특성으로 인해 단백질 합성 동안 유전적 메신저로서 이상적이었으며, 이 유전적 메신저인 메신저 리보핵산이라는 아이디어는 프랑수아 야곱과 쟈크 모노드에 의해 제안되었습니다.