06 유전 물질

원핵세포와 진핵세포의 유전체 구성

원핵세포와 진핵세포의 유전체 DNA 비교

 

유전 물질의 확인

(1) 유전 물질

① 유전 물질의 특징

• 세포와 개체의 생명 활동에 필요한 정보를 저장하고 있다.
• 세포 분열 동안 정확하게 복제된 후 다음 세대로 안정적으로 전달된다.
• 돌연변이가 일어나 진화에 필요한 유전적 변이(다양성)를 제공한다.

② 유전 물질에 대한 연구 초기에 DNA보다 단백질을 유전 물질이라 여겼던 이유

• 유전자가 단백질과 DNA로 이루어진 염색체에 존재한다는 것이 알려져 있었다.
• DNA는 염기가 다른 4가지 뉴클레오타이드로, 단백질은 20가지의 아미노산으로 이루어져 있으므로 복잡한 유전 정보를 저장하기에 단백질이 적절하다고 여겼기 때문이다.

(2) 허시와 체이스의 박테리오파지 증식 실험(1952년)

① 박테리오파지는 단백질과 DNA로 이루어져 있는데, 이 중 박테리오파지의 증식에 필요한 유전 정보가 DNA에 저장되어 있음을 밝혀냈다.

② 파지를 구성하는 단백질과 DNA 중 단백질에만 있는 황(S)과, DNA에만 있는 인(P)의 방사성 동위 원소를 이용하여 단백질과 DNA 중 대장균 속으로 들어가 다음 세대 파지를 만드는 유전 정보를 가진 물질이 무엇인지를 확인하였다.

③ 생물의 유전 물질은 DNA임이 증명되었고, 학계에서도 이를 받아들였다.

 

허시와 체이스의 실험

DNA가 유전 물질이라는 증거(허시와 체이스의 실험 이전의 증거)

DNA의 구조

(1) DNA의 기본 구성 단위: 인산, 당, 염기로 이루어진 뉴클레오타이드이다.

① 인산: 인(P)을 포함하며, DNA가 수용액에서 음(-)전하를 띠게 한다.

② 당: 5탄당인 디옥시리보스이다.

③ 염기: 질소(N)를 포함하며, 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C), 타이민(T)의 4가지가 있다.

 

핵산의 염기

(2) DNA 입체 구조 규명에 활용된 증거

① 샤가프의 법칙: 1950년대 샤가프에 의해 밝혀졌다.

• DNA를 구성하는 A, T, G, C의 비율은 생물종에 따라 다르다.
• 각 생물의 DNA에서 A과 T의 비율이 같고(A=T), G과 C의 비율이 같다(G=C). 따라서 퓨린 계열 염기(A+G)의 비율과 피리미딘 계열 염기(T+C)의 비율이 같다.

• 왓슨과 크릭에 의해 DNA의 이중 나선 구조가 규명될 때 상보적 염기쌍의 중요한 단서가 되었다.

② DNA의 X선 회절 사진: 1952년 프랭클린과 윌킨스에 의해 연구되었다.

• DNA 시료에 X선을 쪼여 얻은 회절 사진으로부터 DNA의 이중나선 구조를 밝히는 결정적인 단서를 얻었다.

(3) DNA 이중 나선 구조

① 두 가닥의 폴리뉴클레오타이드가 결합해 오른 나사 방향으로 꼬여 있는 이중 나선 구조이다.

• 폴리뉴클레오타이드 가닥의 방향성: 인산기가 노출된 한쪽 끝을 5′ 말단, 5탄당의 수산기(-OH)가 노출된 다른 쪽 끝을 3′ 말단이라고 한다.
• 이중 나선을 이루고 있는 두 가닥은 양 말단의 방향이 서로 반대인 역평행 구조이다.

② 바깥쪽에 당-인산이 교대로 연결된 골격이 있고, 안쪽으로는 양쪽 가닥의 염기가 수소 결합으로 연결되어 있다.

• 상보적 염기쌍: A은 항상 T과 결합하고, G은 항상 C과 결합한다. 따라서 DNA 한쪽 가닥의 염기 서열을 알면 다른 쪽 가닥의 염기 서열을 알 수 있다.
• A과 T 사이에는 2개의 수소 결합이, G과 C 사이에는 3개의 수소 결합이 형성되므로 GC쌍이 많을수록 DNA를 이루는 두 가닥이 잘 분리되지 않는다.

③ 퓨린 계열 염기와 피리미딘 계열 염기 사이에서 상보적 염기쌍이 형성되므로 이중 나선의 지름이 2 nm로 일정하다.

④ 이중 나선이 1회전할 때 10개의 염기쌍이 나타나며, 그 길이는 3.4 nm이다. 따라서 인접한 두 염기쌍 사이의 거리는 0.34 nm이다.

 

DNA의 복제

(1) DNA의 복제 가설

① 보존적 복제: DNA 전체를 주형으로 하여 새로운 DNA가 합성된다.

② 반보존적 복제: DNA의 두 가닥이 풀려 각 가닥을 주형으로 상보적인 가닥이 합성된다. 따라서 복제 후의 DNA에서 한가닥은 주형 가닥, 나머지 한 가닥은 새로 합성된 가닥이다.

③ 분산적 복제: DNA가 작은 조각으로 잘려 각각을 주형으로 복제된 후 다시 연결된다. 따라서 복제 후의 DNA에는 주형 DNA 조각과 새로 합성된 DNA 조각이 섞여 있다.

(2) 메셀슨과 스탈의 DNA 복제 실험(1958년): DNA 염기의 구성 원소 중 하나인 질소(N)의 동위 원소 표지 기술과 초원심 분리 기술을 이용하여 DNA의 반보존적 복제를 확인하였다.

메셀슨과 스탈의 실험

(3) DNA의 반보존적 복제

① 이중 나선의 풀림: 복제가 시작되는 지점(복제 원점)에서 효소(헬리케이스)의 작용으로 이중 나선이 두 가닥으로 풀어진다.

② 프라이머 합성: RNA 프라이머가 합성된다. 프라이머는 새로 첨가되는 뉴클레오타이드가 DNA 중합 효소의 작용으로 당-인산 결합을 형성할 수 있도록 3′ 말단의 수산기(-OH)를 제공한다.

③ 새로운 가닥의 합성: DNA 중합 효소가 주형 가닥과 상보적인 염기를 갖는 뉴클레오타이드를 결합시키면서 새로운 가닥이 합성된다. 이때 합성 중인 가닥의 3′ 말단 수산기(-OH)에 새로 첨가되는 뉴클레오타이드의 5′ 말단 인산기가 결합하므로 새로운 가닥은 5′ 말단 → 3′ 말단 방향으로만 합성된다. 그런데 주형 가닥과 새로운 가닥은 방향이 서로 반대이므로 DNA 중합 효소는 주형 가닥을 따라 3′ → 5′ 방향으로 이동한다.

④ 선도 가닥과 지연 가닥: 새로 합성되는 두 가닥은 방향이 서로 반대인데, 복제는 두 가닥에서 동시에 진행된다. 두 가닥의 합성 과정에 차이가 있으며 각각 선도 가닥과 지연 가닥으로 불린다.

• 선도 가닥의 합성： 복제 진행 방향(복제 분기점의 진행 방향)과 같은 방향으로 끊김 없이 연속적으로 합성되는 가닥을 선도 가닥이라고 한다. 복제 진행 방향이 주형 가닥의 3′ → 5′ 방향일 때 선도 가닥이 5′ → 3′ 방향으로 합성된다.
• 지연 가닥의 합성： 복제가 진행되는 방향과 반대 방향으로 짧은 가닥이 불연속적으로 합성되는 가닥을 지연 가닥이라고 한다. 불연속적으로 합성된 각각의 짧은 가닥은 DNA 연결 효소에 의해 연결된다. 복제 진행 방향이 주형 가닥의 5′ → 3′ 방향일 때 지연 가닥이 합성되며, 불연속적으로 합성되는 각각의 짧은 DNA 가닥은 5′ → 3′ 방향으로 합성된다.

DNA 중합 효소의 작용

참고자료: EBS 수능특강 생명과학2