유전자와 단백질
(1) 유전자의 기능
① 유전 정보가 있는 DNA의 특정 부분을 유전자라고 하며, 유전자로부터 유전 형질이 나타나기까지의 과정을 유전자 발현이라고 한다.
② 개로드의 알캅톤뇨증 연구: 의학자인 개로드는 1900년대 초 알캅톤뇨증은 유전병이며, 알캅톤뇨증 환자는 알캅톤을 분해하는 효소를 만드는 능력을 물려받지 못했다고 생각했다. 이를 토대로 유전자가 화학 반응의 촉매 역할을 하는 효소를 만들어 냄으로써 유전 형질을 나타낼 것이라는 가설을 처음으로 제안하였다.
③ 비들과 테이텀의 붉은빵곰팡이 실험: 1941년 비들과 테이텀은 붉은빵곰팡이의 아미노산 합성에 관한 실험으로 유전자가 특정 효소 생성을 결정한다는 사실을 확인함으로써, 유전자가 효소를 합성하게 하여 특정한 화학 반응을 일으킨다는 것을 최초로 증명하였다.
비들과 테이텀의 붉은빵곰팡이 실험
(2) 1유전자 1효소설: [탐구자료 살펴보기]에서 돌연변이주 Ⅰ형은 유전자 a, 돌연변이주 Ⅱ형은 유전자 b, 돌연변이주 Ⅲ형은 유전자 c에 돌연변이가 생겨 각각 오르니틴, 시트룰린, 아르지닌을 합성하는 단계에 이상이 생긴 것이다. 각 돌연변이주에서 아르지닌 합성 과정에 관여하는 하나의 효소를 암호화하는 유전자에 돌연변이가 일어났다고 가정하여, 비들과 테이텀은 하나의 유전자는 한 가지 효소 합성에 관한 정보를 갖는다는 1유전자 1효소설을 주장하였다.
(3) 1유전자 1단백질설: 유전자가 효소뿐만 아니라 효소 이외의 단백질 합성에도 관여하는 것으로 알려지면서, 하나의 특정 유전자는 한 가지 특정 단백질 합성에 관여한다는 1유전자 1단백질설로 발전하였다.
- 하나의 유전자에 의해 합성되는 단백질로는 인슐린과 케라틴 등이 있다.
(4) 1유전자 1폴리펩타이드설: 2종류 이상의 폴리펩타이드로 구성된 단백질이 발견되면서, 하나의 특정 유전자는 한 가지 폴리펩타이드 합성에 관여한다는 1유전자 1폴리펩타이드설로 발전하였다.
- 2종류 이상의 폴리펩타이드로 구성된 단백질로는 헤모글로빈 등이 있다.
유전 정보의 흐름
(1) 유전부호: DNA의 염기는 4종류(A, G, C, T)이지만, 단백질을 구성하는 아미노산은 20종류이다. 각각의 아미노산을 암호화하는데 염기가 3개씩 사용되어 AAA, AAG, AAC, AAT……같은 유전부호를 만들면 모두 64(=43)종류의 암호가 가능해 20종류의 아미노산을 지정하기에 충분하다. 실제로 3개의 염기가 한 조가 되어 암호 단위를 형성하여 20종류의 아미노산에 대한 정보를 암호화하는 것이 밝혀졌다.
① 3염기 조합: 연속된 3개의 염기로 된 DNA의 유전부호이다.
② 코돈: DNA의 3염기 조합에서 전사된 mRNA 상의 3개의 염기로 이루어진 유전부호이다. DNA의 3염기 조합에 대해 상보적인 염기 서열로 되어 있다.
(2) 중심 원리
① 유전 물질인 DNA는 복제되며, 형질이 발현될 때 DNA의 유전 정보가 mRNA로 전달되고, 이 mRNA가 세포질에서 폴리펩타이드 합성에 이용된다는 유전 정보의 흐름에 대한 이론이다.
② 유전자의 발현 과정에서 DNA의 유전 정보가 mRNA로 전달되는 것을 전사라고 하며, mRNA의 유전 정보에 따라 폴리펩타이드가 합성되는 것을 번역이라고 한다.
전사
(1) 유전 정보의 전사: 유전자 발현의 첫 단계로 DNA에 저장되어 있던 유전 정보가 RNA로 옮겨지는 과정이다.
(2) 전사 과정
① 개시: 프로모터에 RNA 중합 효소가 결합하고 DNA의 이중 가닥이 풀어지면, 한쪽 가닥을 주형으로 전사를 시작한다. DNA 복제 과정과 달리 프라이머를 필요로 하지 않는다.
② 신장: RNA 중합 효소는 DNA를 풀어가며 주형 가닥의 3′ → 5′ 방향으로 이동하면서 주형 가닥과 상보적인 뉴클레오타이드를 연결시켜 RNA를 합성한다. 이때 RNA는 합성되는 가닥의 3′ 말단에 새로운 뉴클레오타이드가 첨가되면서 5′ → 3′ 방향으로 신장된다.
③ 종결: RNA 중합 효소가 종결 신호에 도달하면 RNA 중합 효소와 합성된 단일 가닥 RNA는 모두 DNA에서 떨어져 나와 전사가 종결된다.
진핵세포의 mRNA 가공
번역
mRNA의 유전 정보에 따라 리보솜에서 폴리펩타이드가 합성되는 과정이다.
(1) 유전부호 해독
① 1961년 니런버그는 유라실(U)만으로 된 합성 mRNA로부터 페닐알라닌 한 종류만이 포함된 폴리펩타이드를 합성하였다. 같은 방법으로 아데닌(A)만으로 된 합성 mRNA로부터는 라이신 한 종류만이 포함된 폴리펩타이드를 합성하였다.
② 그 후 여러 과학자들에 의해 유사한 방법으로 연구가 진행되어 각 mRNA 유전부호에 대한 아미노산이 모두 결정되었다.
③ 64종류의 코돈 가운데 61종류는 각각 특정 아미노산을 지정하는데, 그중 AUG는 메싸이오닌을 지정하며, 개시 코돈 역할도 한다. 나머지 3종류(UAA, UAG, UGA)는 종결 코돈이며, 아미노산을 지정하지 않는다.
④ 코돈 하나는 아미노산 하나만을 지정하지만, 하나의 아미노산을 암호화하는 코돈은 하나 이상 존재한다.
유전부호의 해독 실험
코돈표
(2) 폴리펩타이드 합성 기구
① mRNA: 폴리펩타이드 합성 시 리보솜과 결합하여 mRNA-리보솜 복합체를 형성한다. 코돈은 3개의 염기가 한 조가 되어 하나의 아미노산을 지정하며, 종결 코돈은 아미노산을 지정하지 않는다.
② tRNA: 3개의 염기로 된 안티코돈이 있어 mRNA의 코돈과 서로 상보적으로 대응하고, 안티코돈에 따라 특정 아미노산이 3′ 말단의 아미노산 결합 부위에 결합된다.
③ 리보솜
- rRNA(리보솜 RNA)와 단백질로 이루어져 있으며, mRNA에 저장되어 있는 유전 정보에 따라 폴리펩타이드를 합성한다.
- rRNA는 대부분 핵 속의 인에서 전사되며, 단백질과 결합하여 리보솜의 각 단위체(대단위체와 소단위체)가 만들어진 후 세포질로 이동한다.
- 리보솜의 소단위체에는 mRNA 결합 부위가 있다.
- 리보솜의 대단위체에는 아미노산이 붙어 있는 tRNA 결합 자리(A 자리), 신장되는 폴리펩타이드가 붙어 있는 tRNA 결합 자리(P 자리), tRNA가 빠져나가기 전에 잠시 머무는 자리(E 자리)가 있다.
RNA의 종류와 기능
(3) 폴리펩타이드 합성 과정
① 개시
Ⓐ mRNA와 리보솜 소단위체가 결합한다.
Ⓑ 개시 tRNA의 결합: mRNA의 개시 코돈(AUG)에 메싸이오닌(Met)이 붙어 있는 개시 tRNA가 결합한다.
Ⓒ 리보솜 대단위체 결합: 리보솜 대단위체가 결합하여 완전한 리보솜을 만든다. 이때 개시 tRNA는 리보솜 대단위체의 P 자리에 위치한다.
② 신장
Ⓓ 새로운 tRNA의 결합: 아미노산이 붙어 있는 새로운 tRNA가 리보솜의 A 자리로 들어와 tRNA의 안티코돈이 mRNA의 코돈과 수소 결합을 한다.
Ⓔ 펩타이드 결합 형성: P 자리에 있던 메싸이오닌이 tRNA와 분리되고, A 자리로 들어온 아미노산과 펩타이드 결합을 형성한다.
Ⓕ 리보솜 이동: 리보솜이 mRNA를 따라 하나의 코돈만큼 5′ → 3′ 방향으로 이동하면 P자리에 있던 개시 tRNA가 E 자리로 옮겨진 후 리보솜에서 떨어져 나가고, A 자리에 있던 tRNA가 P 자리에 위치한다.Ⓖ Ⓓ~Ⓕ 과정이 반복되면서 폴리펩타이드 사슬의 길이가 길어진다.
③ 종결
Ⓗ 폴리펩타이드 합성 종결: 리보솜의 A 자리가 mRNA의 종결 코돈(UAA, UAG, UGA)에 이르면 상보적으로 결합할 수 있는 tRNA가 없어 폴리펩타이드 합성이 종결된다.
Ⓘ 리보솜 분리: 폴리펩타이드 합성이 종결되면 리보솜은 각각의 단위체로 분리되고, mRNA, tRNA도 분리되면서 만들어진 폴리펩타이드 사슬이 방출된다.
④ 합성된 폴리펩타이드는 접혀서 고유한 입체 구조를 나타내며, 세포 내 기능에 따라 핵과 세포 소기관 등으로 이동하여 효소, 수송체, 구조 단백질 등 자신이 담당하는 고유한 기능을 수행한다.
폴리솜
진핵생물의 유전자 발현 과정
유전자 발현은 DNA의 유전 정보를 이용하여 생명 활동에 필요한 단백질을 만드는 과정이다. DNA의 유전 정보는 먼저 mRNA로 전사되어 코돈 단위의 정보를 만든다. mRNA의 코돈 정보는 리보솜에서 tRNA가 운반해 온 아미노산을 순차적으로 결합시켜 폴리펩타이드 사슬을 만든다.
참고자료: EBS 수능특강 생명과학2
