Categories
개념정리 과학탐구 면접대비 생명과학 수능

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

Exit mobile version