핵산(nucleic acid), DNA, RNA - 1

핵산, RNA, DNA

 

핵산(nucleic acid)은 살아 있는 모든 생명체에 필수적인 생체고분자 또는 작은 생체분자이며, 세포의 개체 증식에 중심적인 역할을 한다. 핵산이라는 용어는 DNA와 RNA를 모두 포함한다. 디옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA)은 유전정보를 저장하고 보존한다. 리보핵산(ribonucleic acid, RNA)은 단백질합성에 중심적인 역할을 한다. DNA나 RNA는 상응하는 뉴클레오타이드(nucleotide)로 만들어진 선형 중합체이다. 뉴클레오타이드는 DNA와 RNA의 구성요소이고 에너지와 환원력을 저장하는 역할을 한다.

 

뉴클레오타이드의 세 가지 주요 구성 요소로는 인산, 5탄당 (리보스, 디옥시리보스)과 핵염기 [때로는 질소 염기 또는 단순히 염기라고도 부른다, 퓨린(purine), 피리미딘(pyrimidine)]이 있다. 뉴클레오타이드에 존재하는 두 가지의 중요한 퓨린 염기에는 아데닌(adenine, A)과 구아닌(guanine, G)이 있고, 세 개의 주요 피리미딘 염기에는 티민(thyminc, T), 사이토신(cytosine, C), 그리고 우라실 (uracil, U)이 있다. DNA는 염기로 A, T, G, C를 함유하고 RNA는 염기로 A, U, G, C를 함유한다. 단백질합성의 유전정보를 가진 것은 DNA의 염기서열이다.

 

아데노신의 3 인산과 구아노신의 3 인산은 세포의 가장 중요한 에너지 보급원이다. ATP (아데노신 3인산)과 GTP(구아노신 3 인산)의 인산 결합은 고에너지 결합이다. 인산 결합의 생성과 해리는 세포 내 에너지의 저장과 사용의 최우선 수단이다. 예를 들면, 열역학적으로 자발적으로 일어날 수 없는 합성도 ATP의 ADP (2 인산) 또는 AMP (1인산) 로의 가수분해와 연결되어 일어날 수 있다. 연결반응은 자유에너지의 변화가 더 큰 음의 값을 가지기 때문에 많이 진행된다. 에너지를 방출하는 반응에서는(예, 당의 산화반응) ADP가 ATP로 전환되는 짝반응을 통하여 인산결합이 형성되어 에너지가 '획득(captured)'되고 저장된다. 에너지 저장을 위하여 ATP가 활용되는 것과 더불어 세포는 뉴클레오타이드 유도체를 이용한 생물학적 산화• 환원 반응으로부터 수소 원자를 저장하거나 방출한다. 환원력의 두 가지 중요한 운반체는 NAD(nicotinarnide adenine dinucleotide)와 NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)이다. 

 

에너지대사 과정에서의 중요성과 더불어 뉴클레오타이드는 중요한 단위체이다. 폴 리뉴클레오타이드(DNA, RNA)는 뉴클레오타이드의 축합반응에 의하여 생성된다. 뉴클레오타이드들은 서로 이웃하고 있는 당의 3 탄소와 5 탄소 사이에 생기는 인산 이중에스터(phosphodiester) 결합에 의하여 서로 연결된다. 

 

DNA는 매우 큰 나선형의 거대 분자(대장균의 경우, 분자량은 2 x 10⁹달톤)이며 이중나선의 3차원 구조를 가졌다. DNA에서의 염기(퓨린과 피리미딘)의 서열은 유전 정보를 전달하고 당과 인산기는 구조 역할을 한다. DNA의 염기서열은 PAGCT처럼 5 에서 3' 방향으로 쓰인다. 이 구조에서 두 개의 나선형 폴리뉴클레오타이드는 이중나선 DNA의 형성을 위해 공동 축 주위로 꼬이고, 사슬은 반대 방향인 5 → 3'과 3 → 5' 방향으로 된다. 이중나선구조의 주요 특징은 다음과 같다.

 

1. 인산과 디옥시리보스는 바깥면에 있지만 염기는 사슬 중심을 향한다. 염기들의 면은 나선축과 수직이다.
2. 나선의 지름은 2nm이다. 나선구조는 각각의 사슬에서 10개의 잔기마다 반복되고, 그 간격은 3.4 nm이다.
3. 두 사슬은 염기쌍 사이의 수소결합에 의해 서로 연결된다. 아데닌은 항상 티민과 결합하고(두 개의 수소결합), 구아닌은 항상 시토신과 결합한다(세 개의 수 소결합). 이것은 DNA의 유전적 역할에 필수불가결한 특징이다.
4. 폴리뉴클레오타이드의 염기서열이 어떤 경우에도 제한되는 것은 아니지만 각 각의 가닥은 서로 상호보완적이어야 한다. 정확한 염기서열이 유전정보를 전달한다.

 

염기쌍 간에 형성된 많은 수소결합은 분자를 안정하게 한다. 원래의 DNA 단편에 서 또 다른 DNA 단편을 만드는 것을 DNA복제(replication)라 한다. DNA 단편이 복제될 때 새로운 DNA 중 한 가닥은 어버이 DNA에서 오는 것이고, 다른 한 가닥은 주형(template) 형식으로 어버이 DNA를 이용하여 합성된다. 그러므로 DNA 복제는 반보존적이다.