Genes and gene expression

1. Macromolecules and genetic information

유전적 정보의 기능적인 단위를 gene이라고 부른다.  모든 살아있는 형태들을 포함한, 모든 살아있는 미생물들은 gene으로 구성되어 있고, 그러므로 gene이 무엇인지에 대한 기본적인 이해는 구조, 기능, 그리고 cell과 virus의 생활사를 이해하는 데 중요하게 작용한다.  무엇보다도, 그들의 유전적 보충물의 관계에서 cell을 규정하기에 앞서서 빠르게 변화하는 biology때문에, 우리는 만약 우리가 미생물의 생물학을 이해할 수 있다면 이것을 따라서 생물학적 정보의 경과를 이해해야만 한다.

-Genes and the steps in information flow

Gene의 주요 역할은 protein의 합성을 지시하는 것이라고 한다.  Gene은 몇몇 virus의 경우를 제외하고는 대부분 deoxyribonucleic acid(DNA)로 구성이 되어 있고, 대부분의 virus는 ribonucleic acid(RNA) 로 구성이 되어 있다.  DNA와 RNA는 그들의 구조를 살펴 보았을 때, 5탄당의 3번 2번 탄소가 수소로만 구성되어있는 것(DNA)와 수산화 그룹으로 구성되어 있는 것(RNA)을 빼고는 구조가 거의 비슷한 화합물로 구성되어 있다.  DNA분자는 2개의 가닥이 나선 구조를 이루고 있는데 이들 나선 구조 사이의 기둥은 sugar와 phosphate로 구성이 되어 있고, 이에 쌍을 이루어서 결합하고 있는 질소 염기들이 나선 구조의 가운데 부분을 차지하고 있다.  이 질소 염기들의 종류는 두 가지로 나눌 수 있는데 하나는 purine이고 하나는 pyrimidine이다.  Purine은 adenine(A)과 guanine(G)으로 구성이 되어 있고, pyrimidines는 thymine(T)과 cytosine(C)으로 구성이 되어 있다.  이들은 hydrogen bond로 항상 짝을 이루고 있는데, adenine은 thymine과 2개의 hydrogen bond를 이루고 있고, guanine과 cytosine은 3개의 hydrogen bond를 이루고 있다.  Hydrogen bond로 구성 되어 있음은 DNA가 replication될 때 쉽게 갈라지고 다시 쉽게 결합할 수 있는 특징을 주게 된다.  이들은 hydrogen bond로 구성되어 있음으로 인해 굉장히 안정한 구조를 가지게 된다.  
DNA  가닥을 따라서 나열된 염기의 순서가 유전적 암호를 결정한다.  특정한 유전자 산물을 만들어 낼 필요가 있을 때는 DNA에서 그 유전자를 가지고 있는 부분의 hydrogen bond가 끊어지면서 서로 분리가 되어 cell안에 유리 되어 있던 nucleotide들로부터 그들의 염기들과 상보적인 염기를 갖는 RNA 가닥이 만들어진다. RNA는 thymine대신에 uracil을 가지고 있기 때문에 A-U 결합이 이루어 진다.  이 RNA는 유전적 정보를 가지고 있는, protein을 생성해 내기 위한 중간물질(a messenger)로 작용을 한다.  Messenger RNA라고 부르는 이것은(mRNA) 한 가닥의 RNA는 ribosome이라고 하는 세포 소기관으로 이동하여 그 곳에서 protein합성을 하는 데 관여한다.  또 다른 형태의 RNA인 transper RNA(tRNA)는 mRNA의 nucleotide들과 짝을 이루는 특정한 amion acid를 생성해 내서 protein합성에 관여한다.  이 3 개의 nucleotide로 이루어진 각각의 codon은 하나의 amino acid에 대한 암호를 지니고 있다.  Nucleotide들의 순서에 따라서 만들어진 일련의 amino acid들을 polypeptide라고 하고, 이러한 사슬은 하나 또는 그 이상이 연결되어서 protein을 합성해 낸다.  또는, 다른 경우에는, cell의 구조적 기관의 활성을 가지는 부분의 생성을 위해서 존재한다.  그러므로 protein, DNA, RNA 이 세 가지 모든 분자들이 그들의 종 안에서 유전적 정보를 생성해 내기 위해 사용이 되고, 이들을 informational macromolecules라고 부른다.
유전적 정보를 따라서 molecule의 생성 과정은 세 가지 stage로 나눌 수 있다.

1.  Replication : 복제 라고 한다.  유전물질의 자가 복제, 유전물질인 DNA나 RNA는 macromolecules로 일련의 생화학반응에 의하여 합성된다.  유전 물질의 생합성을 복제라고 하는 이유는, 1개의 분자가 주형이 되어 구조와 기능이 같은 분자 2개를 만들어 내기 때문이다.  유전물질의 자가 증식은 모두 반보존적 복제로 이루어 진다.

2.  Transcription : 전사 라고 한다.  유전자 성질 발현의 제 1단계에서 유전자 DNA 의 nucleotide 배열을 상보적 RNA로 복사하는 반응이다.  Cell의 rRNA, tRNA, mRNA(hnRNA), snRNA 등은 모두 대응하는 유전자 부위로부터 전사된다.  이 때 DNA 이중가닥 중에서 각 유전자마다 결정된 한 쪽의 가닥만이 해독되고(비대칭적 전사), RNA 사슬은 5'에서 3'의 방향을 향해 합성된다.  전사는 DNA 의존성 RNA 중합 효소에 의해 촉매되지만 그 개시의 종결은 여러 조절 인자의 관여로 각각의 유전자 기능에 따른 합리적인 조절을 받고 있다.

3.  Translation : 번역 또는 해독 이라고 한다.  Protein을 생합성할 때 mRNA의 염기 배열을 해독하여 그 정보에 대응하는 amino acid를 골라내어 peptidebond chain을 형성해 가는 과정이다.  RNA는 4 종의 염기, protein은 20종류의 amino acid로 구성되어 있기 때문에 4종의 기호로 된 유전 정보의 암호를 20종류의 문자로 이루어지는 문장으로 번역한다는 의미이다.

이 세 가지 steps는 모든 cell들이 protein 합성을 위해서 이용하는 방법이다.  이러한 과정을 central dogma of molecular biology라고 하는데, 이는 DNA⇒ RNA ⇒ Protein으로 유전자 발현이 진행 되는 것을 이야기 한다.  

-Prokaryoteic and Eukaryotic genetics

Replication, transcription, 그리고 translation은 모든 생명체 안에서 일어난다.  그러나 이들은 prokaryotes와 eukaryotes에서 일어나는 processes의 mechanisms에서 약간의 차이를 보이고 있다.  그 이유는 아마도 eukaryote가 핵을 가지고 있다는 사실과, organisms의 두 가지 classes의 DNA의 organization의 차이에 의해서 일어나는 것 같다.  
Prokaryotic genome은 단지 하나의 genome으로만 구성되어 있고, 공유성 결합으로 cell의 cytoplasm 내에 나타나는 DNA는 닫혀진 원형을 띄고 있다.  이와 대조적으로, 대부분의 eukaryotic genome은 DNA의 길게 나열된 형태로 구성되어 있고, 이들은 cell 내의 핵 안에 들어가 있다.  사실상 모든 prokaryotes는 cytoplasm으로부터 chromosome을 분리해 낼 membrane을 가지고 있지 않는다, 그러나 이와 대조적으로 eukaryotes에서는 chromosomes는 ribosomes가 cytoplams에 있을 때 핵 안에 위치하고, 그러므로 transcription과 translation은 공간적으로 분리되어서 processes되어진다.  우리는 또한 bacteria와 archaea의 경우를 살펴볼 수 있는데 이들은 생리학적으로 구분될 수 있다.  이러한 구별은 또한 이러한 organisms의 분자 생물학의 많은 외견에서 찾아볼 수 있다.  많은 경우 우리는 archaea와 eukarya에서 bacteria와 archaea보다 더 연관성 깊은 것을 볼 수 있다.
Gene의 구별되는 모든 cells는 같다.  DNA의 단편은 특별한 protein(mRNA를 통해서), tRNA, 또는 rRNA를 형성할 수 있다.  그러나, euka