우리는 DNA의 나선형 구조와 유전 정보 전달이라는 기본적인 역할은 알지만, DNA가 실제로 어떤 물질이고 어떻게 기능하는지 좀 더 상세한 내용은 잘 모릅니다.
더구나 요즘 자주 들을 수 있는 mRNA를 비롯하여, 유전자, 염색체, 게놈이 DNA와 어떻게 다른지 설명하기 쉽지 않죠.
이 영상으로 DNA 관련 용어와 개념을 확실하게 정리해 보시기 바랍니다.
* 이 영상은 미국 국립인간게놈연구소(NHGRI)의 퍼블릭 도메인, 크리에이티브 커먼즈 이미지 및 영상을 일부 활용하였습니다.
Credits:
National Human Genome Research Institute (NHGRI)
[상세 소개]
DNA라는 말을 들으면 우선 나선형 띠가 생각납니다.
그런데 DNA가 실제로 어떤 물질인지는 잘 모릅니다.
DNA와 RNA는 실은 핵산이라는 물질입니다.
지방, 단백질, 탄수화물과 더불어 생명체를 이루는 주된 구성요소이죠.
핵산은 핵에서 발견한 산성 성분의 물질이라는 뜻입니다.
그러니까 DNA와 RNA는 지방이나 단백질 같은 물질의 한 종류인 것이죠.
DNA를 한 마디로 정의하면 생물학적 지침을 간직한 분자입니다.
DNA는 생물 종을 고유하게 만들며, 성인에서 자손으로 전달됩니다.
DNA는 어디에 있나?
진핵 생물에서 DNA는 핵이라고 하는 세포의 특별한 영역에서 발견됩니다.
세포핵의 DNA 외에도 인간과 같은 복잡한 유기체는 미토콘드리아에 소량의 DNA가 있습니다.
미토콘드리아는 세포가 제대로 기능하는 데 필요한 에너지를 생성합니다.
유성 생식에서 유기체는 아버지로부터 핵 DNA의 절반을, 어머니부터 다른 절반을 물려받습니다.
그러나 미토콘드리아 DNA는 난자 세포만이 전달하므로 어머니로부터만 물려받죠.
DNA는 무엇으로 만들어졌나?
DNA는 뉴클레오타이드라고 하는 화학적 구조 단위로 구성됩니다.
이 구조는 세 부분으로 만들어지는데, 각 부분은 인산, 당 및 네 가지 질소 염기 중 하나입니다.
DNA 가닥을 형성하기 위해 뉴클레오타이드는 인산과 당이 교대로 사슬로 연결됩니다.
뉴클레오타이드에서 발견되는 네 가지 유형의 질소 염기는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)입니다.
이러한 염기의 순서 또는 서열은 DNA 가닥에 포함된 생물학적 지침을 결정하죠.
예를 들어 서열 ATCGTT는 파란 눈을 지시하는 반면 ATCGCT는 갈색 눈을 지시합니다.
인간 DNA에는 염색체 23쌍에 약 30억 개의 염기와 약 2만개의 유전자가 있습니다.
DNA는 무슨 일을 할까?
DNA에는 유기체가 성장, 생존 및 번식하는 데 필요한 지침이 담겨 있습니다.
하지만 DNA가 직접 이러한 기능을 수행하는 것은 아닙니다
DNA 정보를 이용해 단백질이 생성되고 이 단백질이 실제 기능을 담당하는 것이죠.
단백질은 우리 몸에서 대부분의 작업을 수행하는 복잡한 분자입니다.
그렇지만 DNA의 모든 서열에 단백질을 만드는 지침이 포함된 것은 아닙니다.
DNA 서열의 단지 1% 정도이며 이 단백질을 만드는 지침이 포함된 각 DNA 서열을 다름아닌 유전자라고 합니다.
유전자 안에서도 아미노산 정보를 가진 엑손과 그렇지 않은 부위인 인트론으로 나눠집니다.
유전자의 크기는 인간의 경우 약 천개에서 100만개 염기까지 매우 다양합니다.
유전자를 제외한 나머지 DNA 서열은 단백질 생성을 조절하는 데 관여합니다.
염색체와 게놈이란?
매우 작은 세포에 다수의 DNA 분자가 존재하려면 DNA 분자는 단단히 결집되어야 합니다.
DNA는 히스톤 단백질을 만나 단백질을 중심으로 둥글게 감쌉니다.
그러면 실패와 유사한 뉴클레오솜이 형성되죠.
뉴클레오솜은 다시 히스톤 단백질로 뭉쳐져 끈 형태가 됩니다.
이 끈은 스캐폴딩 단백질을 만나면 단백질을 뼈대로 삼아 뭉칩니다.
그리고 스캐폴딩 단백질이 더 많아지면서 더 뭉쳐지면 염색체가 됩니다.
DNA 분자가 단백질과 결합하여 형성한 구조가 염색체입니다.
염색체는 유전물질의 압축 역할과 더불어 세포분열이 일어날 때 DNA 복제도 쉽게 되도록 합니다.
게놈은 한 생물이 가지는 모든 유전 정보를 의미하며 유전체라고도 합니다.
인간 게놈은 44개의 상염색체, 2개의 성염색체 그리고 미토콘드리아 DNA입니다.
mRNA란 무엇일까?
DNA는 설계도 원판이라 할 수 있으며 최종 제품은 단백질입니다.
RNA는 중간 과정에 관여하는 매개자이죠.
그중에서도 특히 전령 RNA 즉 mRNA는 설계도 사본의 역할을 합니다.
핵 안에 있는 DNA의 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 것이죠.
DNA가 단백질을 만드는 과정을 살펴보겠습니다.
DNA의 지침은 전사와 번역이라는 2단계 과정으로 단백질을 만드는 데 사용됩니다.
DNA는 핵 내에 있고 단백질은 핵 밖에서 생성됩니다.
먼저 DNA의 정보를 효소가 mRNA 분자로 만듭니다.
이를 전사라고 합니다.
mRNA는 핵 구멍으로 나와 리보솜에게 아미노산의 "언어"로 전달됩니다.
이를 번역이라고 합니다.
리보솜은 아미노산을 순서대로 결합하여 2만 종류 이상의 단백질을 만듭니다.
DNA는 누가 발견했나?
스위스의 생화학자 프리드리히 미셔는 1800년대 후반에 처음으로 DNA를 관찰했습니다.
그러나 거의 한 세기가 지나서야 DNA 분자 구조를 밝혀내고 생물학에서의 핵심적인 중요성을 깨달았죠.
DNA의 중요성은 제임스 왓슨, 프랜시스 크릭, 모리스 윌킨스, 로잘린드 프랭클린의 작업 덕분에 1953년에 명확해졌습니다.
과학자들은 X선 회절 패턴을 연구하고 모델을 구축함으로써 DNA의 이중나선 구조를 알아냈죠.
이 구조는 한 세대에서 다음 세대로 생물학적 정보를 전달할 수 있는 구조입니다.
DNA 이중나선이란 무엇인가?
과학자들은 "이중나선"이라는 용어로 DNA의 두 가닥 감김 구조를 설명합니다.
꼬인 사다리처럼 보이는 이 모양은 DNA가 생물학적 지침을 매우 정확하게 전달할 수 있도록 해 주죠.
이중나선을 이해하려면 사다리의 옆면을 당과 인산이 교대로 연결된 가닥으로 상상해 보세요.
두 가닥은 서로 반대 방향으로 움직입니다.
사다리의 각 "줄"은 수소 결합으로 쌍을 이루는 두 개의 질소 염기로 구성됩니다.
이러한 유형의 짝짓기는 화학적 특성 때문에 A는 항상 T와 짝을 이루고 C는 G와 짝을 이룹니다.
따라서 이중나선의 한 가닥의 염기서열을 알면 다른 가닥의 염기서열을 알아내는 것은 간단합니다.
DNA의 독특한 구조 덕분에 분자는 세포 분열 중에 스스로 복제할 수 있습니다.
세포가 분열을 준비할 때 DNA 나선은 중간이 나뉘어져 두 개의 단일한 가닥이 됩니다.
이 단일 가닥은 두 개의 새로운 이중 가닥 DNA 분자를 만들기 위한 주형 역할을 하죠.
이 과정은 A는 T가 있는 곳에, C는 G가 있는 곳에 추가되는 방식이며, 모든 염기가 다시 짝을 가질 때까지 계속됩니다.
결국 두 개의 새로운 DNA는 원래 DNA의 복제본이 됩니다.