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<font size="2"><strong>8. 단백질의 구조</strong> - 유전자 발현을 이해하고 나서 알겠지만, 단백질은 대부분 유전자의 최종 산물이므로 단백질의 성질에 대해서 알 필요성이 있다. 핵산과 같이 단백질은 작은 소단위체의 체인 모양의 중합체라고 할 수 있다. DNA와 RNA의 경우, 서로 연결되어 있는 것은 핵산의 소단위체인 nucleotide들이다. 반면 단백질의 소단위체는 아미노산 (amino acid)이다. DNA는 오직 4개의 서로 다른 nucleotide들을 포함하고 있지만 단백질은 20개의 서로 다른 아미노산으로 구성되 있다. 각각의 아미노산은 아미노 그룹, 카르복실 그룹, 수소 원자, 그리고 측쇄 (side chain)를 가지고 있다. 어떤 두 아미노산 사이에서의 차이점은 바로 side chain에 있다. 그러므로 아미노산의 배열은 바로 그들의 독특한 side chain의 차이에 있는 것이고 결국 각각의 단백질에 독특한 성질을 부여하는 셈이 된다. 아미노산은 펩타이드 결합을 통해 단백질 내에서 서로 결합을 하고 있고, 이는 여러 개의 아미노산 사슬을 뜻하는 폴리펩타이드라고 불리워지게 된 것이다. 하나의 단백질은 아나 또는 많은 수의 폴리펩타이드로 구성될 수 있다. 폴리펩타이드 사슬은 DNA와 마찬가지로 극성을 가지고 있다. Dipeptide는 왼쪽 끝에 아미노 기를 가지고 있다. 이를 N-termicus라고 불리운다. 오른쪽 끝에는 자유로운 카복실 기를 가지고 있는데 이를 C-terminus라고 부른다. 우리는 아미노산의 선형의 배열 순서를 단백질의 1차 구조 (primary structure)라고 부른다. 이들 아미노산들이 다른 아미노산과 상호작용하여 결합하게 되면 2차 구조 (secondary structure)가 된다. α-helix가 바로 2차 구조의 대표적인 예라고 할 수 있다. 이것은 가까운 아미노산들 사이에서 수소 결합에 의해 생긴 결과라 할 수 있다. 단백질 내에서 발견되는 대표적인 2차 구조의 또 다른 예는 β-pleated sheet이다. 이것은 확장된 단백질 사슬로서 수소 결합에 의해 나란히 쌓여 있는 구조를 보이게 된다. 서로 다른 사슬들과의 쌓임은 병풍 구조를 만들게 된다. 실크(비단)는 β-병풍 구조에서 많이 풍부한 단백질이다. 2차 구조의 세 번째 예는 turn이다. 이러한 turn은 α-helix와 β-병풍 구조를 서로 연결한다. 폴리펩타이드의 3차원 모양을 3차 구조 (tertiary structure)라고 한다. 그 대표적인 예로는 마이오글로빈을 들 수 있다. 대부분의 폴리펩타이드들은 3차 구조를 띈다. 즉 단일 단백질로 대부분이 α-helix로 구성되어지지만 전체적으로 봤을 때, 입체 구조를 형성하는 것이다. 4차 구조 (quaternary structure)에서는 2 또는 그 이상의 각각의 폴리펩타이드들이 서로 복잡한 단백질을 만들 때 나타나는 구조를 말한다. 4차 구조는 수소 결합, 이온 결합, 소수성 상호작용, 반데르 발스 힘 등 여러 요소를 포함한다고 할 수 있다. 또 다른 4차 구조는 공유결합이 참여하지 않을 수도 있다. </font></p><p><font size="2"><strong>9. 유전자 코드</strong> - DNA의 구조 중 중요한 것은 앞에서 살펴 본 것처럼 염기, 당, 인산의 세 분자가 결합된 하부 구조가 계속적으로 반복된다는 것이다. 이 하부 구조는 뉴클레오티드 (nucleotide)라고 불리며 DNA의 근본이 되는 요소이다. 앞에서 설명한 바와 같이 DNA에는 네 종류의 염기가 있으므로 네 종류의 뉴클레오티드가 있게 된다. 20종류의 아미노산과 수천 종류의 단백질을 어떻게 네 개의 뉴클레오티드만을 가지고 번역하는가 하는 의문이 들지도 모른다. 그러나 이것은 어려운 일이 아니며 단지 코드화의 문제일 뿐이다. 점과 줄만으로 된 모스 부호로 소설 “리어왕”의 내용을 알파벳으로 써내려가는 것을 생각해 보면 뉴클레오티드로 암호화하는 방법에 대한 힌트를 얻을 수 있을 것이다. 모스 부호에서 ...과 ---이 알파벳의 “S"와 ”O"를 나타내는 것처럼, 유전자의 코드도 세 개가 하나로 되어 있다. 즉, 세 개의 염기로 연결된 뉴클레오티드가 한 아미노산의 코드가 되는 것이다. 예를 들어 글라이신은 GGA의 순서를 가진 뉴클레오티드로 코드화되어 있다. [참고; 염색체를 생각해 보자. 각 염색체는 40퍼센트가 DNA로 되어 있는데 아주 긴 이중나선이 단백질로 구성된 중심체에 끊어지지 않은 채로 단단하게 감기고 말려 있다. 인간의 한 염색체에 있는 DNA에는 약 6억 개의 뉴클레오티드가 들어 있어 천문학적 수의 염기 서열을 가지고 있다. 한 염색체에서 DNA 가작을 꺼내 쭉 펴놓으면 약 5센티미터의 길이가 된다. 또 인간의 한 세포에는 46개의 염색체가 있는데 여기에 들어 있는 모든 DNA의 길이를 합치면 2미터가 넘는다. 인체의 모든 세포를 생각해 보면 얼마나 많은 DNA가 들어 있는지 상상하기 힘들 것이다. 무려 지구에서 태양까지를 500회나 왕복할 수 있는 길이가 된다고 하니 정말로 짐 꾸리기의 전문가라고 할 수 있을 것이다.] 이 세 개로 이루어진 뉴클레오티드 한 벌을 가리켜 코돈 (codon)이라고 부른다. 네 종류의 뉴클레오티드로 이 코돈을 만들 수 있는 64가지가 되므로 (4*4*4=64) 20종의 아미노산을 만들고도 충분히 남는다. (사실 대부분의 아미노산은 한 개 이상의 코돈으로 코돈화된다.) 1967년에 코라나와 니런버그는 64개의 코돈이 각각 어떤 아미노산을 만드는가 하는 유전자 코드를 완전히 해독하였다. 그들의 연구에 의하여 코돈과 아미노산의 관계에 관한 해독표를 만들 수 있게 되었다. 이 코드는 모든 생물체에 동일하게 적용될 수 있는 것이다. 앞에서 유전자를 “단백질을 만드는 명령”이라고 했다. 이제 이를 좀더 자세하게 정의하면 “유전자는 고유한 뉴클레오티드 순서를 가진 DNA의 한 단편으로서, 아미노산을 조합하여 단백질을 만드는 정보를 코드화한 것”이라고 할 수 있다. [참고 ; 생명공학을 향한 발자취(연도, 사건) - 1665년 - 훅이 세포를 설명하고 명명하였다. 1675년 - 레벤후크가 더 좋은 현미경을 개발하고 미생물, 박테리아, 정자세포를 발견하였다. 1839년 - 슐라이덴과 슈반이 세포설을 발표하였다. 1859년 - 다윈이 ‘종의 기원’을 발간하고 자연도태설을 확립하였다. 1866년 - 멘델이 ‘식물의 잡종에 관한 연구’를 발간하고 유전의 원리에 관해 윤곽을 잡았다. 1869년 - 미셔가 최초로 핵산의 화학 분석을 하였다. 1902년 - 개로드가 유전자는 단백질을 만드는 명령을 구성한다고 가설하였다. 1910년 - 모건이 유전자는 염색체에 있음을 확인하였다. 1928년 - 그리피스가 형질 전환 인자 (유전 물질)를 발견하였다. 1941년 - 비들과 테이텀이 하나의 유전자는 하나의 효소를 만들다고 하였다. 1944년 - 에이버리와 그의 연구원은 그리피스의 형질 전환 인자가 DNA임을 증명하였다. 1953년 - 왓슨과 크릭이 DNA의 이중나선 구조를 밝혔다. 1967년 - 코라나와 니런버그가 유전자 코드를 풀어냈다] </font></p>
<p><font size="2"><strong>10. 유전자에서 단백질로</strong> - 유전자의 역할은 단지 아미노산의 코드화뿐만이 아니다. 단백질을 만드는 것을 시작하고 멈추도록 지시하는 부분, 서로 겹치도록 하는 부분 등, 그 내용을 설명하자면 교과서 같은 복잡한 이야기를 피하기는 어렵다. 비록 유전자의 다른 기작에 관해 설명할 것이 아직도 많지만 분자생물학을 아해하는 데 더 자세한 설명이 필요하지는 않을 것이다. 이제부터 유전자와 단백질의 관계에 대해 우선 간단하게 설명하고자 한다. DNA는 유전 정보의 보관 장치일 뿐이므로 단백질을 실제로 만들지는 않는다. DNA는 명령자이다. DNA의 명령을 수행하는 일꾼은 DNA와 유사한 핵산인 RNA이다. DNA의 한 가닥에 나열되어 있는 뉴클레오티드의 서열, 즉 유전자의 안내에 따라 RNA는 하나씩 차례로 아미노산을 만들고 단백질을 조립한다. 단백질 분자는 유전자에 의해 두 단계로 만들어진다. 첫째는 유전자의 RNA 복제본을 만드는 단계이다. DNA의 원본으로부터 만들어진 RNA 복제본은 유전자와 짝을 이루는 뉴클레오티드의 서열을 갖게 된다. 다음 단계에서 RNA는 세포의 다른 부분으로 이동한다. 거기서 뉴클레오티드의 서열은 단백질을 만들기 위한 아미노산의 서열로 해석된다. 세포 내부의 작은 단백질 조립 공장은 그 기작에 있어 모든 생물체가 동일하다. 이런 점 때문에 유전공학자들이 유전 정보를 한 생물체에서 얻어 다른 것에 넣을 수도 있고 새로운 유전 정보를 작성할 수도 있는 것이다. 앞에서 DNA의 복제에 대한 설명은 언급했으므로(5.) 이제부터 RNA에서 단백질이 만들어지는 과정에 대해서 자세하게 설명하도록 하겠다.</font></p>
<p><font size="2"><strong>11. mRNA의 발견</strong> - 유전자에서 단백질의 합성 장소인 ribosome으로 정보를 전달하는 mRNA (messenger RNA)라는 개념은 왓슨과 크릭의 DNA 모델의 출간 후에 생기게 되었다. 1958년 크릭은 RNA가 유전 정보의 중간 전달자로써 작용한다고 주장하였다. 그는 가설을 하나 세웠는데 그 내용은 DNA는 진핵세포 내의 핵에 존재하고 반면 단백질은 세포질에서 합성된다는 것이었다. 이것은 한 장소에서 다른 장소로 정보를 전달해야만 뭔가가 반드시 존재해야 한다는 것을 의미한다. 크릭은 ribosome이 RNA를 가지고 있다는 것을 알아차리고, rRNA가 정보의 전달자라고 처음에 주장하였다. 그러나 rRNA는 ribosome의 내부 요소였으므로, 벗어날 수는 없는 것이었다, 그러므로 크릭의 가설은 rRNA를 가지고 있는 각각의 ribosome은 똑같은 종류의 단백질을 계속해서 생산해내야만 하는 것이었다. Francis Jacob과 그의 동료들은 messenger라고 불리우는 불안정한 RNA들을 번역하는 불특정 라이보좀에 관한 대안적인 가설을 제안하였다. 이 messenger는 독립적인 RNA로서 유전자에서 라이보좀으로 유전 정보를 전달하는 것이었다. 1961년에 Jacob은 시드니 브레너와 메튜 메젤슨과 같이 messenger (전달자) 가설을 증명하게 되었다. 이 연구에서는 T2 박테리오파지를 사용하였는데 이것은 허쉬와 체이스가 유전자는 DNA로 구성되어 있다는 것을 증명한 실험에서 사용한 균주였다. 즉 파지 T2가 E.coli (대장균)에 감염하였을 때에, 파지 단백질을 만들기 위하여 박테리아 단백질 생산으로부터 숙주를 뒤엎는 것이었다. 만약 크릭의 가설이 맞았다면, 파지 단백질 생산을 위한 교환은 파지에 특이적인 RNA가 붙어있는 새로운 라이보좀의 생산과 병행되어야만 할 것이다. 새로운 라이보좀을 예전 라이보좀과 구분하기 위해서 실험자들은 무거운 질소 동위원소(15N)와 탄소(13C)를 감염되지 않는 세포내에 있는 라이보좀에 표지를 달았다. 그리고 나서 그들은 파지 T2로 이들 세포에 감염시켰고, 동시에 가벼운 질소(14N)와 탄소(12C)를 포함한 배지에 옮겨 주었다. 어쨌든 간에 파지 감염 후에 만들어진 새로운 라이보좀은 가벼울 것이고 예전의, 무거운 라이보좀을 밀도 중력 원심분리기를 통해 분리될 것이다. 브레너와 동료들은 역시 역시 만들어진 파지 RNA를 태깅하기 위해 32P로 감염된 세포를 표지하였다. 그리고 나서 질문을 하였다. 과연 방사성으로 표지된 파지 RNA가 새로운 혹은 예전의 라이보좀과 결합을 할 것인지에 관해서 말이다. 결국 파지 RNA는 예전의 라이보좀에서 발견되었는데 이것의 rRNA는 감염이 시작되기 전에 만들어진 것이었다. 명확하게 이 예전의 rRNA는 파지의 유전 정보를 전달할 수는 없는 것이었고, 더 확장해서 말하자면 이것이 숙주의 유전정보를 전달하는 것이 아님을 뜻한다. 그러므로 라이보좀은 지속적인 것이라고 할 수 있다. 라이보좀이 만든 폴리펩타이드는 자신들과 결합하고 있는 mRNA에 의존적인 것이다. 이 관계는 CD 플레이어와 CD의 관계와 맞아 떨어지게 된다. 음악 (폴리펩타이드)은 CD (mRNA)에 의존적이지 라이보좀 (CD 플레이어)에 의존적인 것은 아니다. 다른 실험자들은 벌써 메신저에 대한 보다 좋은 후보자들을 동정하였다. 불안정한 RNA 클래스들은 라이보좀과 일시적으로 상호작용한다는 것이다. 더욱 흥미로운 것은 파지 T2에 감염된 세포에서 이들 RNA는 파지 DNA와 유사한 기본적인 구성을 가지고 있다는 점과 박테리아의 DNA와 RNA와는 전혀 다른 것이었다. 이것은 정확히 우리가 파지 메신저RNA를 기대하는 것과 같고 정화히 또 그것이 되는 것이다. 반면 숙주의 mRNA는 숙주의 rRNA와는 달리 숙주 DMNA와 비슷한 기본 조성을 가지게 된다. </font></p>