[생물학] 5.5 - Nucleic Acids

Nucleic acids(핵산)

핵산은 유전 정보를 저장하고 전달하는 역할을 한다. 크게 Deoxyribonucleic acid(DNA)와 Ribonucleic acid(RNA)로 나뉜다. 생명체의 유전 정보는 DNA -> mRNA -> 단백질 합성을 거쳐 발현하게 된다.

핵산은 Polynucleotide(폴리뉴클레오타이드)라는 이름의 중합체로, 그 단위체는 Necleotide(뉴클레오타이드)이다.

뉴클레오타이드는 크게 세 부분으로 구분되는데, 하나의 pentose(오탄당), nitrogenous base(염기), 그리고 1~3개의 phosphate group(인산기)로 이루어진다. 이때 인산기는 polymerization 과정에서 하나를 제외하고 떨어져 나가게 된다. 이때 인산기를 제외하고, 오탄당과 염기만을 묶어서 뉴클레오사이드(nucleoside)라고 부른다.

Nitrogenuous base는 탄소, 질소로 이루어진 고리(들)을 갖고 있다. 이 질소가 수소 이온을 잘 빼앗기 때문에 염기라고 부른다. 이 염기들은 크게 두 종류로 나뉜다. Pyrimidine(피리미딘)은 하나의 육각형 고리를 가지고 있고, cytosine(C), thymine(T), uracil(U)이 여기에 해당한다. Purine(퓨린)은 육각형 고리와 오각형 고리가 fuse된 구조를 가지고 있으며 adenine(A), Guanine(G)가 여기에 해당한다.

뉴클레오타이드에 들어있는 당은 DNA의 당인 Deoxyribose(디옥시리보스)와 RNA의 당인 Ribose(리보스)가 있다. 당 분자의 2' 탄소에 산소가 달려 있으면 리보스, 그렇지 않으면 디옥시리보스이다.

뉴클레오타이드의 3' 탄소에는 hydroxyl group이, 5' 탄소에는 phosphate group이 연결되어 있다. 두 뉴클레오타이드가 연결될 때에는 한쪽의 hydroxyl group과 다른 쪽의 phosphate group이 축합 반응을 하여 연결되는데, 이를 phosphodiester linkage(인산다이에스터 결합)이라 한다. 폴리뉴클레오타이드에 연결된 염기들의 서열이 생명체의 고유한 유전 정보를 저장하고, 단백질의 합성에 관여해 유전 정보가 발현되도록 한다.

phosphodiester linkage로 연결된 가닥에서 인산, 당이 포함된 부분을 sugar-phosphate backbones라 한다.

DNA, RNA의 구조

DNA 분자는 2개의 폴리뉴클레오타이드, 또는 strand(가닥)가 double helix(이중 나선) 구조를 이루고 있는데, 이 2개의 가닥은 각각 5` -> 3` 방향이 반대로 되어 있기 때문에 antiparallel(반평행)하다고 한다. 염기들이 반대편 가닥에 대응하는 염기와 수소 결합을 하고 있기 때문에 2개의 가닥이 붙어 있을 수 있다. 또 염기들은 정해진 짝을 이루는데, A는 T와만, G는 C와만 상보적으로(complementary) 결합한다.

아래는 수소 결합을 하고 있는 염기들의 모습이다. (이미지 출처: [2])

RNA 분자는 단일 가닥으로 이루어져 있다. 그러나 RNA에서도 상보적 염기 결합이 일어날 수 있으며, RNA 가닥이 구부러져 하나의 가닥의 다른 부분끼리 상보적으로 결합할 수도 있다. 대표적인 예시로 리보솜에서 폴리펩타이드가 합성될 때 아미노산을 운반하는 transfer RNA(tRNA)가 있는데, 이 분자는 단일 가닥이지만 한 가닥 안에서 일어나는 상보적 염기 결합으로 인해 입체적인 모습을 하고 있다.

아래는 DNA, tRNA의 입체 구조이다. (이미지 출처: 위키백과)

References

1. Campbell, N. A., Urry, L. A., Cain, M. L. et al. 『Biology: A Global Approach』. 12th ed. Pearson Education Ltd.(2021). p66-72
2. [Image Source] https://courses.lumenlearning.com/suny-microbiology/chapter/structure-and-function-of-dna/