3. DNA의 구조

DNA의 구조 


1930년대와 1940년대에 걸쳐 분자생물학은 놀랄 만한 발전을 거듭했다. 과학자들은 유전성에 관한 물리적인 기초를 빠른 속도로 이해하게 되었고 세포의 감추어진 내부 기작을 밝히는 데 근접했다. 그들은 다음과 같은 사실을 알게 되었다. 

1) 유전 형질은 유전자 (gene)라는 뚜렷이 구별되는 실체에 의하여 조절된다. 
2) 유전자는 세포핵 안에서 발견되는 실타래처럼 생긴 염색체 (chromosome) 안에 있다. 
3) 유전자는 DNA로 만들어져 있다. 이와 같은 사실로 인해 과학자들은 분명히 이 DNA라는 분자를 들여다 볼 필요가 생겼다. 

그들은 원자 구조를 분석할 수 있는 새로운 도구와 기술을 이용하여 DNA 탐구에 박차를 가하였다. “생명이란 무엇인가”라는 질문에 대한 답을 찾기 위해 이제 새포 탐구에서 화학 물질 탐구 쪽으로 그들의 관심을 조심스럽게 옮기기 시작한 것이다. 그러나 사실 이 개념은 새로운 것이 아니었다. 1700년대 후반에 이미 근대 화학의 아버지인 라부아지에는 뛰어난 통찰력과 추론으로 “생명은 화학 작용이다”라고 한 바 있었다. 과학자들은 분석을 통하여 DNA가 어떤 화학 성분으로 되어 있는지 알아냈다. 그 기본 골격을 이루는 것은 염기(base), 인산(phosphoric acid),그리고 당(deoxyribose)이었다.(그러므로 DNA라는 이름은 deoxyribonucleic acid라고 불리워지게 된 것이다. 유사하게 RNA는 염기, 인산, 그리고 DNA와는 달리 ribose 당을 가지고 있다. DNA에서 발견된 4종류의 염기는 질소를 함유하고 있는데 구아닌(G, guanine), 시토신(C, cytosine), 티민(T, thymine), 아데닌(A, adenine)이라고 부른다. 반면 RNA 역시 똑같은 염기를 가지고 있지만 T대신 우라실(U, uracil)을 가지고 있다. A와 G는 purine이라고 불리는 분자에 속하고 T와 C는 pyrimidine에 속한다. (RNA의 경우 U) 핵산에서 발견되는 당의 구조를 살펴 보면, deoxyribose와 ribose사이의 다른 점이 있다. 즉 ribose의 2번 탄소 위치에 OH(hydroxyl)이 있지만, deoxyribose의 경우 OH대신 O(산소)가 빠져 H(수소)만이 있는 것을 확인할 수 있다. RNA와 DNA에서의 염기와 당은 서로 묶여 있는 상태이고 nucleoside라고 부른다. 그리고 결합한 염기에 따라 이름은 바뀌게 된다. (예: adenosine - deoxyadenosine) DNA와 RNA의 소단위체들을 nucleotide라고 부른다. 즉 phosphodiester bond를 통해 nucleoside에 phosphate group(인산기)이 붙은 것이다. Ester는 유기화합물로써 알콜과 산으로부터 형성된다. Nucleotide의 경우, 알콜 그룹은 당의 5번 hydroxyl기가 되고, 산(acid)은 인산이 되어 ester를 phosphoester이라고 부르는 것이다. DNA와 RNA에서 nucleotide를 서로 결합시켜 주는 것을 phophodiester bond라고 부른다.왜냐하면 2개의 당에 연결된 phophoric acid를 포함하고 있기 때문이다. 하나는 당의 5번 그룹을 통하여 다른 하나는 당의 3번 그룹을 통하여 연결된다. 분자의 가장 윗부분은 5번 인산 그룹을 가지게 되고, 따라서 5번 end라고 부른다. 또한 가장 밑부분은 3번 hydroxyl기를 가지게 되어 3번 end라고 부르게 되는 것이다. 그러나 그 당시에는 “어떻게 이 몇 종류의 작은 분자가 연결되어 큰 DNA 분자를 이루는가” 하는 중요한 의문은 해결되지 않았었다. 

그런데 이 질문에 대한 답을 얻는 것은 사실 “어떻게 DNA가 무한한 유전 정보를 저장하고 전달하는가”를 알아내는 것과도 같은 것이었다. 그 답은 1953년 케임브리지 대학의 젊은 두 과학자 왓슨(James Watson)과 크릭(Francis Crick)에 의해 밝혀졌다. 그들은 철사를 구부리고 용접해서 사람 키만한 분자 모델을 만들었다. 그 형태는 비교적 단순한 두 가닥으로 된 나선형 모델(double helix)이었는데, 그 당시까지 알려진 DNA에 관한 모든 사실을 만족시키는 최적의 분자 모델이었다. 이것이 바로 오늘날 잘 알려진 이중나선이다. 굽은 모양의 나선형 계단에서, 우아한 모양의 굽은 난간 위치에는 당과 인산이 교대로 배치되어 있고 계단의 디딤판에 해당하는 위치에는 각각 한 쌍의 염기가 결합되어 있다. 이 구조의 발견으로 역사적 전환이 일어났으며 유전자 조작의 새로운 시대가 펼쳐지게 되었다.