02 DNA 복제

• DNA의 구조와 특징

DNA의 구성

(1) 뉴클레오타이드: 1분자의 인산 + 5탄당 + 염기로 구성된 DNA의 기본 구성단위이다.

– 인산: 음(-)전하를 띠고 있으며, 핵산이 산성을 띠게 하는 물질이다.

– 당: 5탄당으로 DNA는 디옥시리보스, RNA는 리보스를 갖는다. 1번 탄소와 5번 탄소 각각에는 염기와 인산이 연결되어 있다.

– 염기: 질소(N)를 포함한 물질로, 수용액에서 약염기의 성질을 나타낸다.

(2) 염기의 종류

– 퓨린 염기

– 피리미딘 염기

(3) DNA와 RNA의 비교

– 구성 당의 종류: DNA는 디옥시리보스, RNA는 리보스이다.

– 구성 염기의 종류: DNA와 RNA는 모두 A, G, C을 공통으로 가진다. T은 DNA에만, U은 RNA에만 존재한다.

 

DNA의 이중 나선 구조

(1) X선 회절 연구

– DNA가 이중 나선 구조로 되어 있다는 결정적인 증거는 윌킨스와 프랭클린의 DNA 결정체에 관한 X선 회절 연구로부터 얻었다.

– X선 회절 실험은 DNA의 입체 구조를 확인하는 방법으로 DNA를 농축하여 점성 용액으로 만든 다음 바늘로 한 가닥의 섬유(DNA 분자)를 뽑아낸 후, 적당한 습도 상태의 대기 중에 놓아두면 결정처럼 X선을 회절시킬 수 있다.

(2) 샤가프의 법칙

– DNA에서 A, T, C, G의 양은 생물학적 종에 따라 다르다.

– DNA를 구성하는 염기 A와 T의 양이 서로 같고(A=T), G의 양과 C의 양이 서로 같다(G=C).

– DNA에서 퓨린 염기 총량(A + G)과 피리미딘 염기 총량(C + T)은 같다.

(C+T)/(A+G) = 1

– 이중 가닥 DNA만이 샤가프의 법칙이 성립된다.

→ DNA가 이중 가닥을 형성할 때 A는 T과, G은 C과 쌍을 이룬다.

생물	염기 조성 비율(%)
	A	T	G	C
사람	30.4	30.1	19.6	19.9
연어	29.7	29.1	20.8	20.4
성게	32.8	32.1	17.7	17.4
밀	28.1	27.4	21.8	22.7
대장균	24.7	23.6	26.0	25.7

▲여러 생물의 DNA를 구성하는 염기의 비율, 생물종에 따라 염기 조성 비율은 다르지만, 한 종 내에서 A과 T의 비율, G과 C의 비율은 거의 같다.

 

DNA 이중 나선 구조의 안정성

DNA 이중 나선 구조의 안정성은 몇 가지 요소의 영향을 받는데, 그중에서 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드 사슬을 연결하는 염기 사이의 수소 결합은 DNA 이중 나선 구조를 유지하는 데 매우 중요하다. 수소 결합은 약한 결합이지만 DNA를 구성하는 염기쌍이 매우 많고, 이들 사이의 수소 결합 역시 매우 많으므로 두 사슬이 분리되지 않도록 한다. A와 T는 2중 소소 결합으로, G과 C은 3중 수소 결합으로 연결되어 있으므로, G과 C의 비율이 높을수록 DNA의 이중 나선 구조가 안정적이다. 세포 밖에서 이중 나선 DNA를 가열하여 온도가 높아지면 염기 사이의 수소 결합이 끊어져 단일 가닥으로 풀릴 수 있다. 이때 이중 나선이 절반 정도 풀리는 온도(Tm)는 DNA의 길이가 길수록, DNA를 구성하는 G과 C 염기쌍이 많을수록 높다. 이는 수소 결합이 많을수록 이중 나선이 안정된 상태를 이루고 있어 더 많은 열을 가해야 수소 결합이 끊어지기 때문이다. 단일 가닥으로 풀린 DNA는 온도가 낮아지면 다시 이중 나선 구조를 이룬다.

 

(3) 왓슨과 크릭의 DNA 구조

– 두 개의 폴리뉴클레오타이드 가닥이 서로 반대 방향으로 마주보고 있는 2중 가닥구조로, 한 쪽 가닥이 5′ → 3′ 방향이라면, 다른 쪽 가닥은 그 반대인 역평행 구조를 갖는다.

– DNA의 양 바깥쪽의 인산기와 디옥시리보스(5탄당)는 교대로 연결되어 ‘당-인산‘ 골격을 이룬다.

-이중 나선이 1회전할 때 10개의 염기쌍이 나타나며, 그 길이는 3.4nm이다. 따라서 인접한 두 염기쌍 사이의 거리는 0.34nm이다.

• 염기의 상보결합의 의미

– DNA를 구성하는 염기 비율의 규칙성에 대한 샤가프 법칙을 설명할 수 있다. 즉, A과 T, G과 C치 상보적으로 결합하기 때문에 각 생물에서 A과 T의 양, G과 C의 양이 같은 것이다.

– DNA의 폭이 2.0nm로 일정하게 유지되어 X선 회절 사진 분석 결과와 일치한다. 퓨린 계열 염기(A, G)와 피리미딘 계열 염기(T, C)가 상보적으로 결합함으로써 X선 회절 사진에서 밝혀진 것처럼 약 2.0nm의 폭이 일정하게 유지된다.

– 이중 나선 DNA에서 한 가닥의 염기 서열을 알면 다른 가닥의 염기 서열도 알 수 있다. 예를 들어 한 가닥의 염기 서열이 5′-ATCGTAGGC-3′이라면 다른 가닥의 염기 서열은 3′-TAGCATCCG-5′(5′-GCCTACGAT-3′)이다.

• DNA 복제

체세포 분열 시 유전적으로 같은 세포를 만들기 위해서는 세포 분열이 일어나기 전에 DNA를 복제해야 하는데, DNA 복제가 일어나는 방식에 따라 세 가지 가설이 제안되었다.

(1) 복제 모델

– 보존적 복제 모델: 이중 나선 전체를 주형으로 하여 DNA를 복제하므로 새롭게 합성된 이중 나선에 기존의 DNA 부분은 발견되지 않는다.

– 반보존적 복제 모델: DNA 이중 가닥이 풀린 후 각각이 주형으로 작용하여 한 가닥은 기존의 것으로, 다른 가닥은 새로이 합성된 것으로 구성된다.

– 분산적 복제 모델: DNA가 작은 조각으로 나누어져 복제된 후 다시 연결되므로 기존의 DNA 부분은 발견되지 않는다.

(2) 복제 모델의 증명(메셀슨과 스탈의 실험): 질소의 두 동위 원소인 ¹⁴N와 ¹⁵N를 DNA에 표지하는 기술과 초원심 분리 기술을 이용하여 DNA 복제 작용 원리를 확인하였다.

– 실험 과정

대장균을 무거운 질소(¹⁵N)가 들어 있는 배양액에서 여러 세대 동안 배양

→ 대장균(G0)의 DNA가 ¹⁵N로 표지됨

→ DNA를 추출하여 원심 분리

→ 모두 무거운 띠 형성(¹⁵N-¹⁵N)

대장균(G0)의 일부를 가벼운 질소(¹⁴N)가 들어 있는 배양액에서 한 번 분열시킴(G1)

→ 대장균(G1)의 DNA를 추출하여 원심 분리

→ 모두 중간 무게의 띠 형성(¹⁵N-¹⁴N)

⇒ 보존적 복제 모델 기각

대장균(G1)의 일부를 가벼운 질소(¹⁴N)가 들어 있는 배양액에서 두 번째 분열시킴(G2)

→ 대장균(G2)의 DNA를 추출하여 원심 분리

→ 절반은 가벼운 띠(¹⁴N-¹⁴N), 절반은 중간 무게의 띠 형성(¹⁵N-¹⁴N)

⇒ 분산적 복제 모델 기각

– 실험 결과: DNA는 반보존적으로 복제된다.

• DNA 복제에 관여하는 효소

– 헬리케이스(helicase): 이중 나선 DNA를 이후를 염기 사이의 수소 결합을 끊어 단일 가닥으로 분리하는 효소이다.

– DNA 중합 효소(DNA polymerase): DNA 가닥의 한쪽 끝에 주형 가닥의 염기와 상보적인 염기를 가진 뉴클레오타이드를 1개씩 붙여 가는 효소이다. 합성 중인 가닥의 3′ 말단에 새로운 뉴클레오타이드의 인산을 결합시킨다.

– 프라이메이스(primase): 프라이머를 합성하는 효소이다.

– DNA 연결 효소(DNA ligase): 한 DNA 조각 말단의 뉴클레오타이드와 다른 DNA 조각 말단의 뉴클레오타이드를 연결하는 효소이다.

(3) DNA 복제 과정

– 복제가 시작되는 부위에서 헬리케이스에 의해 염기 서열 사이의 수소 결합이 끊어지면서 이중 가닥이 단일 가닥으로 풀어진다.

– 풀어진 각각의 단일 가닥은 새로운 DNA 가닥을 합성하기 위한 주형으로 작용한다.

– 복제가 시작될 부위에 프라이머(Primer)와 DNA 중합 효소가 결합된다.

– DNA 중합 효소가 주형 가닥과 상보적인 염기를 가진 DNA 뉴클레오타이드를 프라이머의 3′-OH 말단에서부터 차례대로 연결하여 새로운 가닥이 합성된다. 따라서 5′→3′ 방향으로 진행된다.

– 주형 DNA 가닥의 염기와 새로 합성되는 DNA 가닥의 염기 비교

주형 DNA	A	T	C	G
합성된 DNA	T	A	G	C

→ 주형 DNA의 염기와 상보적인 염기가 결합한다.

(4) DNA의 양방향 복제: DNA의 복제는 풀어진 두 가닥에서 동시에 진행된다.

– 복제 방향이 주형 가닥의 5′ → 3′ 방향인 경우: 새로 합성되는 가닥은 5′ → 3′으로 연속적으로 합성된다. ➜ 선도 가닥

– 복제 방향이 주형 가닥의 3′ → 5′ 방향인 경우: 새로 합성되는 가닥은 5′ → 3′으로 불연속적으로 합성된다. ➜ 지연 가닥

참고자료: 지학사 생명과학2 교과서, EBS 수능특강 생명과학2