1-2. DNA의 구조 (1)

• 들어가기 전에
  첫 포스팅에서 말했다 시피, 이 포스팅은 전격 반말 포스팅으로 진행됩니다!
• 생물학적 지식은 아직도 밝혀지고 있는 만큼, 제가 잘못 쓴 용어와 내용이 많을 수 있습니다. 언제든 지적은 겸허히 받아들이겠습니다!

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드디어! DNA가 어떻게 생겼는지 말해도 될 것 같아. 사실 이번 포스팅의 대문에 걸려있는 저 사진이 뙇! 한 번에 요약해주고 있어 ㅋㅋㅋ 포스팅을 다 읽은 다음에 다시 올라가서 확인해봐!

복습 : DNA가 발견되기까지

이전의 하나, 둘, 셋 포스팅에서 살펴보았듯, 생물의 유전정보 전달에는 DNA가 관여한다는 사실을 알아내는 데에도 참 오랜 시간이 걸렸어. 요약해보자면 아래 그림과 같아.

이미지 출처 - 직접 제작

재미있는 사실은, Frankel-Conrat이 RNA도 유전 정보를 전달한다고 밝힌 1953년이 바로, 왓슨 & 크릭이 DNA 이중 나선 구조를 밝혔을 때와 비슷했다는 거지.

DNA는 어떻게 생겼는데? (1)

앞으로 진행될 두 포스팅에서는, DNA가 어떻게 생겼는지 가장 기본적인 구조를 알아볼거야. 특히 이번 포스팅에서는, ‘반쪽 가닥’을 만드는 것 까지 한 다음 다음 포스팅에서 나머지 한쪽 가닥을 만들어 볼거구.

기본 구조 - 반쪽 가닥 만들기

결론부터 말하면,

• 2번 탄소에 H가 붙어 있고 3번 탄소에 OH가 붙어있는 5탄당[deoxyribose sugar]
• 염기[base]
• 인산기[phosphate]

이렇게 세 개가 모이면, DNA를 이루는 가장 기본적인 구조 ‘한 개’를 완성한거야. 정말정말 단순하게 표시하자면 아래 그림과 같지. 아직은 감이 안올거야 이 그림만 보면! 아래 포스팅을 먼저 읽은 다음 다시 이 그림을 봐봐!

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1. 5탄당

탄소가 다섯개라서 이름이 5탄당인, 이 놈의 원래 이름은 ribose 야. 이렇게 생겼어.

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DNA에 사용되는 ribose 는 2번 탄소의 OH가 H로 바뀐 상태야. 즉, 산소가 하나 빠졌다는 뜻으로 deoxy를 붙인단다. 그래서 deoxyribose!
3번 탄소의 OH까지 H로 바뀌었다면, 산소가 두 개 빠졌다는 뜻에서 dideoxy 라고 붙여. 그러면 dideoxyribose!
그리고, 5탄당 혼자 있는 상태를 ‘Sugar’라고 부를거야. 당의 일종이거든. 이제 여기에 다른 물질들이 결합하면서 DNA를 이루기 위한 기본 구조가 만들어지는 거지.

2. 염기

염기에 대해서는 할 이야기가 좀 많으니 잘 따라와야해!

Deoxyribose 에 염기가 붙으면, 이제 우리는 이걸 ‘Nucleoside’라고 부를거야. 염기는 1번 탄소 위치에 붙고, 붙을 수 있는 염기는 DNA의 경우 4가지의 염기가 있지. 그 염기를 각각, Adenine[A], Guanine[G], Cytosine[C], Thymine[T]라고 부를거야. 그리고, RNA의 경우 Thymine 대신 Uracile[U]가 있어. 다섯 가지 염기의 구조는 좀 더 밑에 있는 그림에서 잠시 후에 확인해보자구.

(+잡담) 혹시 ‘가타카’라는 영화를 본 적 있니? 엔딩 크레딧의 모든 A, G, T, C가 강조되어서 올라가는 모습을 유심히 지켜보았던 기억을 되살려봐. ‘가타카’는 생명공학과 그 윤리에 대한 영화고, 그래서 DNA를 이루는 염기인 A, G, T, C를 강조해서 표시한 변태같은....엔딩크레딧을 만든거야. 개인적으로는 그 엔딩크레딧을 보면서 엄청 설레었던 기억이….ㅋㅋ

4가지의 염기를 구분하는 방법은 사실 다양해. 두 개씩 묶어서 부르는 이름도 있고 세 개씩 묶어서 부르는 이름도 있고…..ㅋㅋㅋ 하지만 가장 중요하게 알아둘 건, purine계 염기와 pyrimidine계 염기가 각각 두 개씩 있다는 것! 이름의 유래는 아래 그림을 보면 확실해 지겠지?

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• 사실 purine 과 pyrimidine 은 엄청 헷갈려. 그래서 고리가 많으면 이름이 짧은 purine이고, 고리가 적으면 이름이 긴 pyrimidine이라고 억지로억지로 암기했던 것 같아 난 ㅋㅋㅋ
• 네 염기의 구조는, 웬만하면 암기해 놓는 것이 좋아. 최소한 어디에 amino가 많고, 어디에 ketone이 많고… 하는 것만이라도!
• 네 염기는 고리를 이루고 있어. 그 고리에 있는 탄소/질소 원자에 번호를 붙이는 방법을 잘 알아두자. 번호 붙이는 방식은 위 그림에서, Purine 과 Pyrimidine에 표시된 바와 같아.
  
  • 그리고, purine계 염기인 A, G 는 9번 질소에서 deoxyribose 와 결합하지.
  • pyrimidine계 염기인 C, T(,U)는 1번 질소에서 deoxyribose 와 결합해.
• 또 중요한 사실은, purine계 염기와 Pyrimidine 계 염기는 서로 수소결합을 통해 붙잡고 있다는 사실이야. 말로 설명해줄게 그림을 그려봐!ㅋㅋㅋ
  
  • A와 T는 두 개의 수소결합을 형성해.
    
    • A의 6번에 붙은 NH2의 수소 + T의 4번에 붙은 산소!
    • A의 1번 질소 + T의 3번 질소에 붙은 수소!
  • C와 G는 세 개의 수소결합을 형성해.
    
    • C의 2번에 붙은 산소 + G의 2번에 붙은 NH2의 수소!
    • C의 3번 질소 + G의 1번 질소에 붙은 수소! (그림에 없다고 수소가 없는게 아니야!)
    • C의 4번에 붙은 NH2의 수소 + G의 6번에 붙은 산소!

이 사실들만 가지고 염기들이 결합하고 있는 구조를 그려볼 수 있을까? 화이팅!

 
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위의 정보들을 종합하면, 이렇게 그림을 그려볼 수 있을거야. Sugar가 결합하는 위치까지 함께 표시된 친절한 그림이지? 처음이면 눈이 핑핑 돌아갈텐데, 아무리 그려봐도 안익숙해져. 시험전에만 열심히 외워ㄱ……(?)

궁금할까봐, 네 염기를 묶어서 부르는 방법을 적어두고 다음으로 넘어갈게 ㅋㅋ

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• (A, G) : Purine인데, P를 쓰자니 pyrimidine이랑 겹치고 U를 쓰자니 Uraciile 이랑 겹쳐서, R!
• (C, T) : Pyrimidine 인데, P를 쓰자니 Purine 이랑 겹쳐서 Y!
• (A, T) : 이 두 염기는 두 개의 수소결합을 이뤄. 세 개를 이루는 (G, C)보다 약하니까 weak bond, 그래서 W!
• (C, G) : 이 두 염기는 세 개의 수소결합을 이뤄. 두 개를 이루는 (A, T)보다 강하니까, strong bond, 그래서 S!
• (A, C) : 구조를 보면, 위에 삐죽 튀어나온 NH2가 보이지? 그래서 Amino group이라고, A를 쓸 순 없으니 M이라고 불러!
• (T, G) : 마찬가지로 구조를 보면, 위로 삐죽 튀어나온 이중결합을 이룬 O가 보이지? Ketone group이라고, K라고 불러!
• (A, G, C) : T를 뺀 나머지 세 염기니까, T의 바로 다음 알파벳인 U를 쓰고 싶어. 그런데 이건 Uracile 이랑 겹치니까, 그 다음인 V를 쓰지.
• (A, G, T) : 마찬가지야. C를 뺀 나머지 세 염기니까 D!
• (A, C, T) : 마찬가지! G를 뺀 나머지 세 염기니까 H!
• (G, C, T) : A를 뺀 나머지 세 염기니까, B!
• (A, G, C, T) : nucleoside, nucleotide를 이루는 물질이라는 뜻에서, N을 써.

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3. 인산기

‘Nucleoside’에 인산기가 하나라도 붙으면, 그건 이제 ‘Nucleotide’가 돼. 위의 Ribose그림을 다시 보고 와볼까? 5번탄소는 OH로 끝나지. 거기에 인산, ${H_3 PO_4}$가 결합을 하는거야. 인산이 어떻게 생겼느냐…

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여기에 달린 세 개의 OH중에 하나가, 5번 탄소의 OH와 만나서 반응을 해. 인산의 OH와 5번 탄소 OH의 H가 만나면 물이 되어 빠져나오고, 그 자리에 인산기가 가서 달라붙는거지. 똑같은 과정을 통해 인산기는 세 개까지 붙을 수 있어. 하나가 붙으면 monophosphate, 두 개가 붙으면 diphosphate, 세 개가 붙으면 triphosphate! 예를 들어, 염기 자리에 A가 붙어있는 nucleoside에 인산기가 하나, 둘, 세 개 붙으면 이렇게 된단다.

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• 어, 왜 OH 가 아니라 O(-)가 붙어있냐고? 물 속에서는 저 OH 들이 H+를 내놓고 있기 때문이야. 이건 우리 체내에서도 마찬가지고, 그래서 DNA는 몸 속에서 음전하를 가지며, 약한 산성을 나타낸다는 말을 하는거지.
• 참고로, 저기 붙어있는 인산기는 당에 인접한 것 부터 $\alpha, \beta, \gamma$ phosphate라고 불러. 왼쪽부터 $\gamma, \beta, \alpha$인거지!

그럼, 이놈의 이름을 붙여볼까?

• 당 : ribose인데, 2번에 산소가 없다 ⇒ deoxyribose
• 염기 : adenosine
• 인산기 : 세 개니까 ⇒ triphosphate

결론적으로, 저 그림은 deoxyribose adenosine triphosphate 의 구조를 그린 그림이야. 길지? 그래서 어떻게 줄여 부르느냐….

• deoxyribose adenosine triphosphate ⇒ dATP

그 유명한 ATP랑 비슷한 이름을 가지고 있군! 그렇다면, 이름을 보고 구조를 그릴 수도 있겠지? 다음 포스팅에서 함께 확인해볼 문제를 여기에 투척!

1. dGMP = deoxyribose guanosine monophosphate
2. CDP = Cytidine diphosphate
3. ddATP = dideoxyribose adenosine triphosphate

같은 원리로, deoxyribose nucleic acid 기 때문에 DNA라고 부르는거야. 핵에 있는, 산성물질. 단순하지?

4. 기본 구조체들은 어떻게 연결되는가?

이제 우리는 기본 구조체 ‘한 개’를 겨우 배웠어. 기본 구조체 하나만 해도 정말 복잡하지? 이 기본 구조체들은, 서로 탈수 축합 반응을 통해 쭉~ 연결이 되어있어. 일단 결과적인 그림부터 보면…

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뭔지 알겠어? ㅋㅋㅋㅋㅋ base #3에는 원래, $\gamma, \beta, \alpha$의 순서대로 인산기가 붙어있었는데, base #2가 오면서 $\gamma, \beta$ 인산기를 떼어낸거야.

자세한 내용은 아래에 적어 놓았는데, 유기화학적 지식이 부족하거나, 알고 싶지 않다면 넘어가도 좋아!

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무슨 일이 일어났는지 차근차근 따라가보자. 메카니즘은 아래 그림과 같아. 자리에는 -P가 결합하고 있는거고, 자리에는 nucleoside가 결합하고 있다고 생각하면 돼. 

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1. base #2의 OH에서, 산소에 풍부히 몰려있는 전자가, 전자가 부족하면서도 제일 가까운 -P원자를 공격함.
2. 공격을 받은 -P원자는 이중결합을 하고 있는 산소에게 전자를 주며 단일 결합으로 바뀌고, 일시적으로 base#2의 O와 단일 결합을 이루고 있음.
3. 불안정한 상태에 놓인 P 원자는, 바로 옆의 -P원자와 결합한 산소와의 결합을 끊어버림. 그러면 -P는 음전하를 띈 채로 떨어져 나가게 됨.(그림의 )
4. 떨어져 나감과 동시에 다시 산소와 이중결합이 돌아오고, 현재 -P 원자는 네 개의 원자와 결합하고 있음.
5. 음전하를 지닌 -P가 전자가 부족한 H를 공격하고, 그러면 H는 산소와의 결합을 끊고 나감.
6. 결론적으로, base#2의 3번에 붙은 산소와 base #3의 -P가 연결됨.

직접 그려놓고 메카니즘을 표시해보면, 아….하고 알게 될거야.

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• 결론적으로는, 3’-OH가 5’-P와 함께 결합한거지. 이 결합을, 우리는 phosphodiester bond라고 부를거야. 특히, 이건 5’-P에 3’-OH가 결합하는 거라서, 5’-3’ phosphodiester bond 라는 이름이 붙어.

• 다시 base #1, 2, 3 그림을 살펴보자. 맨 위 base #1의 끝부분은 5’의 인산기이고, 맨 아래 base #3의 끝부분은 3’의 OH야. DNA 가닥을 표현할 때, 우리는 이것과 관련된 약속을 해. 5’가 무조건 왼쪽에 오게 그려주고, 그렇지 않은 경우에는 표시를 따로 해주기로! 그리고, DNA 염기를 순서대로 읽는다는 건, 5’ 인산기가 붙어있는 끝부분에서 3’ OH가 붙어있는 끝부분으로 향하는 순서대로 읽는다!라는 약속을 해. 앞으로 수없이 5’ to 3’ 이라는 말을 들을텐데, 확실히 알아두고 익혀두자.

우리가 만든 이 연결은, ‘DNA의 한쪽 가닥을 만들었다’는 걸 명심해! 이렇게 달려왔지만 아직 반밖에 하지 못했어. 그러면 나머지 반쪽 가닥은 어떻게 만들어 질지, 궁금하지? 그건 다음 포스팅에서 얘기해보도록 하자!

(쉬어가는 코너) 염기에 이름 붙이기

위에서, 네 가지 염기는 Adenine, Guanine, Cytosine, Thymine이라는 이름을 가진다고 했지? 그런데, 이건 그냥 염기 혼자 있을 때고, 당과 결합해서 nucleoside를 형성할 때의 이름과 거기에 인산기까지 붙어서 nucleotide를 형성할 때의 이름이 또 따로 있어. 물론, 이건 기본적으로 암기해야해…..ㅋㅋㅋㅋ

base - nucleoside - nucleotide 순서

• Adenine - Adenosine - Adenylate
• Guanine - Guanosine - Guanylate
• Cytosine - Cytidine - Cytidylate
• Thymine - Thymidine - Thymidylate

대략적인 규칙성이 보일거야. 그러면 Uracile 도 분명 규칙이 있을거야. 이건 다음 포스팅을 올릴 때까지 찾아서 댓글에… :)

그러면, Adenosine monophposphate, Adenosine diphosphate, Adenosine triphosphate 는 전부 Adenylate입니까? 라고 물어볼 수 있어. Right! 맞아. 셋 다 묶어서 Adenylate라고 표현하는 거야. 그러면 왜 굳이 세 개를 묶어서 또 단어를 만드느냐,

• Adenosine monophposphate가 Adenosine triphosphate에서 인산기 하나를 받아와서, 두 개의 Adenosine diphosphate가 되는 반응에 관여하는 효소의 이름을 붙이려 한다.

대략 난감하지? 하나하나 다 붙이자니 너무 짜증이 나고… 그래서 그냥, 인산기가 붙어있는 애들을 어찌어찌 만집니다~ 하는 뜻에서, 그냥 Adenylate어쩌구~ 하는 이름의 효소로 묶어버리자는 거였어.

다음 포스팅 예고

이번 포스팅에서는, DNA 반쪽 가닥을 만들기 위한 가장 기본적인 지식들을 쌓아봤어. 정말 길게 포스팅을 했는데, 아래의 그림으로 뽞! 요약 할 수 있을 것 같네.

이미지 출처

우리가 한 건,
Ribose 에 base를 붙여서 nucleoside를 만들고, 거기에 인산기를 붙여서 nucleotide를 만든 다음 그걸 쭉 이어 붙인거야. 용어들에 확실히 익숙해진 다음에, DNA의 나머지 한 쪽 가닥을 완성해보자.

다음 포스팅에서는,

• DNA 는 왜 이중나선 구조인가?
• RNA 의 구조
• DNA 이중 나선 구조 제대로 그리기

에 대해 다뤄보고자 해. 그럼 다시 돌아올게! 뿅!