세포의 분자
생물체는 탄소를 기본골격으로 하는 복잡한 유기물들의 집합체로, 이들 분자에서 탄소원자는 사
슬이나 고리를 이루며 유기물의 중추적인 역할을 담당한다. 모든 유기분자들은 공통된 특성을 갖고
있다. 유기분자의 중심원자로 작용하는 탄소는 긴 사슬구조를 만들 수 있는 원자이다. 그리고 사슬
의 두 끝이 결합하여 고리구조를 만들 수도 있다.
탄소원자는 그들 최외각에 4개의 전자를 갖고 있으며 4개의 원자들과 공유결합을 할 수 있고, 일
부 원자와 만나 두 쌍의 전자들을 공유하는 이중결합을 일으킬 수도 있다. 유기분자 내의 이중결합
은 탄소와 탄소 혹은 탄소와 산소 사이에서 많이 일어난다.
대부분의 원자들이 탄소와 함께 유기분자를 구성할 수 있지만, 흔하게 나타나는 것들은 수소, 산
소, 질소, 황, 인 등이다.
유기분자의 또 다른 특징 중의 하나는 동일한 원자들로 다양한 구조가 만들어질 수 있다는 점이
다. 예를 들어 dimethyl ether와 ethyl alcohol은 모두 C2H6O이라는 동일한 실험식(empirical
formula)을 갖고 있지만 이들의 구조(구조식)는 다르다 (그림 3-3)
이들은 원자 배열이 다르기 때문에 화학적 성질이 완전히 다르다. 이와 같이 실험식은 같으나 구
조식이 다른 분자들을 이성질체(isomer)라 한다.
대부분의 유기분자들은 보다 작은 소단위(subunit)들이 서로 결합되어 있는 형태로, 이들 소단위
인 단량체(monomer)들이 결합되어 있는 형태를 중합체(polymer)라 한다. 단윛가 중합체로 연결되는
반응은 탈수결합(dehydration synthesis)에 의한다. 즉 인접한 두 개의 소단위 사이에서 각 각의
-OH와 -H가 물이 되어 제거되면서 두 개의 소단위가 결합하는 것이다.
탈수결합의 역반응을 가수분해(hydrolysis)라 한다. 가수분해는 유기분자에 물이 첨가되어 큰 분자
가 작은 분자로 쪼개어지는 것으로, 위나 장애서 일어나는 소화작용은 전형적인 가수분해작용이다.
생체에 존재하는 유기분자들은 핵산, 탄수화물, 지질, 단백질 등이며, 이들의 구조와 기능을 알
기 위해서는 이들을 이루고 있는 소단위를 철저히 이해하는 것이 무엇보다 필요하다.
3.1핵산
핵산(uncleic acid)은 탄소, 수소, 산소, 질소, 인으로 구성되어 있는 거대분자로, 유전정보를
보유하고 전달하는 분자이다. 핵산에는 DNA(deoxyribonucleic acid), RNA(ribonucleic acid) 두 종
류가 있다.
DNA는 피부색, 머리털색, 혈액형 등 우리가 부모로부터 물려받은 모든 형질들에 대한 정보를 갖
고 있다. 또한, 단백질을 합성하는데 필요한 모든 정보를 갖고 생물체의 구조와 기능을 결정 짓는
다. 구조단백질의 합성을 통해 생물체의 형태와 물리적 특징을 결정하고, 효소들을 합성하여 단백
질 합성 뿐만 아니라 지질, 탄수화물과 같은 분자들의 합성과 분해 등 모든 물질대사에 관여한다.
DNA가 간직하고 있는 유전정보에 따라 단백질을 합성 할 때에는 mRNA, tRNA, rRNA와 같은 RNA들이
관여한다.
19세기 말 생물학자들은 유전정보를 전달하는 것이 염색체(chromosome)라는 것을 밝혔다. 그러나
염색체 내에서 유전자를 구성하고 있는 물질이 DNA라는 사실은 더 늦게 밝혀졌다. 1944년 한 종류
의 세균에서 순수분리된 DNA를 다른 종류에게 첨가했을 때 새로운 형질이 발현되는 것을 알았다.
그러나 유전정보를 전달할 만큼 복잡한 구조를 갖는 것은 단백질이라는 일반적인 생각 때문에 DNA
에 대해 관심이 모아지지는 않았다.
3. 1. 1 핵산의 구조
초기에 유전학자들이 DNA를 유전자의 본질로 받아들이기를 꺼려했던 것은 DNA이 화학적 단순성
때문이었다. DNA는 긴 사슬로서 DNA를 이루고 있는 것은 4가지 종류의 소단위인 뉴클레오티드
(nucleotide)이고, 이들이 탈수결합에 의해 중합되어 DNA를 이룬다. 하나의 뉴클레오티드를 이루는
구성요소는 세 가지로 당(sugar), 인산기(phosphate), 질소염기(nitrogen base)이다. 당은 항상 5
탄당으로 DNA에서는 디옥시리보오스(deoxyribose), RNA에서는 리보오스(ribose)이다. 각각의 당은
인산기(PO4)와 염기에 결합되어 있다. 질소염기에는 아데닌(adenine), 구아닌(guaine), 시토신
(cytosine), 티민(thymine), 우라실(uracil)의 5가지 종류가 있다. 그 가운데 아데닌과 구아닌은
두 개의 고리구조를 갖는 분자로서 퓨린(purine)이라 하고, 시토신, 티민, 우라실은 하나의 고리구
조로서 피리미딘(pyrimidine)이라 한다.
이 뉴클레오티드들은 phosphodiester bond에 의해 연결되어 있고, 마치 목걸이에 서로 다른 색깔
의 구슬을 꿰는 것과 같이 서로 연결되어 있다. 뉴클레오티드의 긴 사슬이 어떻게 한 개체의 모든
정보를 결정할 수 있을까? 그리고 이러한 정보가 어떻게 세대를 거치며 전달될 수 있을까? 이러한
물음에 대한 답은 DNA 분자의 구조에 있었다.
1950년대 초 DNA를 X-선 회절법으로 분석해 본 결과 DNA가 두 줄로 구성되어 있으며, 이들은 나
선구조를 이루며 꼬여 있음을 알게 되었다. 여기서 DNA가 두 가닥의 사슬로 구성되어 있다는 것이
중요했다. 결국 1953년에 Watson과 Crick에 의해 X 선 회절법 분석의 결과와 일치하는 모델이 완성
됨으로써 DNA의 구조와 기능에 대한 궁금증이 풀리게 되었다. 이 모델에서는 뉴클레오티드의 염기
를 2중나선구조의 내부에 두고 인산기와 당을 외부에 두었다.
그림 3-4는 뉴클레오티드와 핵산이 합성되는 단계를 보여주는 그림이다. 먼저 5탄당에 염기가 결
합되어 뉴클레오시드(nucleoside)를 이룬다. 뉴클레오시드의 이름은 염기에 따라 붙혀지는데 아데
닌이 결합된 경우에는 아데닌 뉴클레오시드(adenine nucleoside)라 부르며, 인산기가 뉴클레오시드
의 5탄당에 결합되면 뉴클레오티드라한다.
인접한 뉴클레오티드의 인산기와 5탄당이 탈수결합에 의해 중합되면 이것을 핵산이라 하며 이 결
합에서 질소염기는 관여하지 않는다. 결국 핵산이란 당-인산기-당-인산기의 기본골격을 갖게 된다
3. 1. 2 DNA와 RNA
DNA와 RNA 사이에는 중요한 구조적 차이가 있다. RNA를 이루고 있는 당은 리보오스(ribose)이고
아데닌, 구아신, 시토신, 우라실과 같은 4가지 염기만이 나타난다. 뉴클레오티드의 순서와 그들 상
호간의 작용에 의해 RNA의 모양이 결정된다.
RNA는 DNA 전사(transcription)에 의해 합성되며, DNA의 한 가닥 사슬이 주형으로 작용하여 이곳
에 상보적인 염기쌍을 갖는 리보뉴클레오티드들이 결합하여 RNA를 만드는 것이다. RNA 사슬이 완성
되면 RNA는 DNA를 떠나고 분리되었던 DNA는 다시 결합된다. RNA는 단일사슬이며, DNA의 일부만이
전사되기 때문에 DNA에 비해 그 길이가 매우 짧다. 어떤 DNA는 매우 많은 RNA를 만들 수 있으며 전
혀 RNA를 합성하지 않는 DNA 부위도 존재한다.
RNA 중 단백질의 아미노산 서열을 결정할 정보를 갖고 있는 RNA를 messenger RNA(mRNA)라 한다.
mRNA상의 뉴클레오티드들은 세 개씩 묶여 리보솜에 의해 읽혀지며, 단백질 합성에 관여한다. 이 세
개씩의 뉴클레오티드를 콘돈(codon)이라 하며 한 개의 코돈은 한 개의 아미노산에 대응하지만 그
역은 성립하지 않는다. RNA가 4개의 서로 다른 뉴클레오티드가 연결된 중합체인 관계로 43=64가지의 코돈이 가능하다. 그러나 일반적으로 단백질에서 발견되는 아미노산은 20가지이므로 대부분의 아미노산들이 여러 개의 코돈에 의해 결정된다는 것을 짐작할 수 있다. 이러한 코돈은 매우 보존적이어서 세균, 식물, 사람 등에 똑같이 적용된다.
그러나 mRNA 단독으로는 코돈에 대응하는 아미노산을 찾아내지 못한다. 따라서 단백질 합성을 하기 위해서는 mRNA의 코돈을 인식할 수 있어야 하고, 이에 대응하는 아미노산을 찾아낼 수 잇는 역할이 필요하다. 이와 같은 역할은 transfer RNA(tRNA)가 담당한다. tRNA는 70 ~90개 정도의 뉴클레오티드로 구성된 작은 RNA로서 여러 군데에서 사슬 자체의 상보적 염기쌍을 이루며 고유한 3차원 구조를 이루고 있다.
매우 중요한 점은 tRNA의 양쪽 끝에 짝을 이루지 않은 세 개씩의 뉴클레오티드가 존재한다는 사실이다. 하나는 안티코돈(anticodon) 부위로 mRNA의 상보적인 코돈과 결합할 수 있는 부위이고, 다른 하나는 3'말단에 CCA로 끝나는 뉴클레오티드로 특정한 아미노산과 결합하는 부위이다.
Ribosomal RNA(rRNA)는 리보솜의 구성요소로 많은 단백질들과 함께 리보솜을 이루고 있는 RNA이다
DNA는 짝을 이룬 뉴클레오티드 사슬로 이루어진다. DNA를 이루고 있는 당은 디옥시리보오스(deoxyribose)이고, 아데닌, 구아닌, 시토신, 타민의 4가지 염기만이 나타난다. 마주보고 있는 두 사슬의 염기들 사이에서는 수소결합이 일어난다. 염기들은 구조적으로 특정한 염기와 수소결합을 이룰 수 있는데, 아데닌은 티민과 두 개의 수소결합을 이루고, 구아닌은 시토신과의 사이에서 세 개의 소소결합이 일어난다. 그러한 이유로해서 아데닌과 티민 또는 구아닌과 시토신을 상보적 염기쌍(complementary base pair)이라 한다. DNA의 두 사슬은 꼬여서 이중나선(double helix)을 형성한다.