정보를 가진 거대 분자 DNA & RNA

 1950년대에 이르러서 DNA의 조성은 잘 알려졌다. 과학자들은 DNA는 네 종류의 염기로 이루어져있고, 아데닌adenine(A)와 티민thymine(T)의 비율과 구아닌guanine(G)와 시토신cytosine(C)의 비율이 언제나 일정하다는 것을 알았다. 하지만 DNA 분자의 정확한 구조는 미스테리였다. DNA의 구조를 알아낸 것은 생물학의 역사에서 가장 중요한 발견중 하나이다. 제인스 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA의 구조를 결정했고 그에 대한 공로로 1962년 모리스 윌킨스와 함께 노벨 생리의학상을 수상한다. 다음을 클릭하면 1962년 노벨 생리의학상의 연설문을 볼 수 있다.

1962년 노벨 생리의학상" less="접기">

핵산의 분자 구조 및 생체 내 기능에 관한 연구 - 1962년 노벨 생리의학상
프랜시스 해리 컴프턴 크릭 Francis Harry Compton Crick
제인스 듀이 왓슨 James Dewey Watson
모리스 휴 프레더릭 윌킨스 Maurice Hugh Frederick Wilkins

 전하, 그리고 신사 숙녀 여러분
 이 자리는 올해 노벨 생리·의학상을 수상하는 연구의 중요성을 설명하는 자리이지만 오늘은 생물리학이나 생화학과는 다소 거리가 먼 이야기부터 시작해야 할 것 같습니다.
 '우리는 초상화나 캐리커쳐를 보고 어떤 기준으로 섬세하다거나 훌륭하다고 판단하는 것일까요?'
 캐리커쳐는 대상이 되는 사람의 개인적 특성을 강조하여 그리는 그림입니다. 이런 현상은 조각이나 시 또는 산문과 같은 문학작품에서도 가끔 나타납니다. 유난히 강조된 개인의 특성은 이상한 모양의 코를 만들어 내기도 하고 흐트러진 머리카락 또는 불쑥 내민 턱을 만들어 내기도 합니다. 이 때문에 우리는 자신의 특징이 정확하게 강조되는 캐리커쳐에 감정이 상하기 쉽습니다. 그러므로 캐리커처는 그 안에 사실적인 그림 이상의 의미를 담고 있어야만 합니다. 만약 화가가 일반적인 외모에서 개개인의 특징적인 차이를 잡아내는 데 성공한다면 그 캐리커처는 그 사람의 삶 전체를 표현할 수 있는 흥미로운 작품으로 완성될 것입니다. 따라서 화가는 일반적인 것과 개개인의 특징적인 외모를 융합해야만 좋은 작품을 만들 수 있습니다.

 이와 마찬가지로 과학자가 생명체의 다양성을 이해하고 설명하기 위해서, 또는 물리적 · 화학적 특징들을 밝히기 위해서는, 보편성과 개채성을 잘 조합해야 합니다. 과학자에게는 모든 생명체에 보편적으로 존재하는 일반적인 성질을 구별하는 능력이 필요합니다. 예를 들어 모든 생명체는 자연환경에서 영양 성분을 추출하는 능력이 있고, 자손을 얻기 위해 번식하는 능력이 있다는 것 등을 구별해야 합니다. 더 나아가 과학자는 생명체 혹은 세포의 물리적·화학적 특징을 연구할 때 그 정밀한 구조와 내부 질서를 인식하고, 새롭게 전달되는 신호를 구별할 수 있어야 합니다. 그러나 같은 종이라고 해도 개체에 따른 특징을 무시할 수는 없습니다. 엄격한 질서의 틀 안에서도 개개인의 특징이 존재한다는 것 또한 인정해야만 합니다.

 고등 생물의 유전 전달물질인 디옥시리보핵산deoxyribonucleic acid, 즉 DNA의 3차원 분자 구조의 발견은 생명체의 보편성과 개체성을 결정하는 분자 배열을 자세하게 이해할 수 있는 틀을 마련해 주었습니다. 그리고 이것은 매우 중요한 의미를 갖습니다.

 디옥시리보핵산은 수많은 고분자 물질로 이루어져 있으며, 이 고분자 물질은 몇 개의 단위체로 구성됩니다. 이들 단위체에는 당sugar, 인phosphate, 그리고 질소를 함유한 염기base가 포함되어 있으며, 거대한 DNA분자 전체에서 똑같은 당과 인이 반복적으로 나타납니다. 그렇지만 염기는 단 네 종류만이 존재합니다. 왓슨 박사님, 모리스 윌킨스 박사님, 그리고 프랜시스 크릭 박사님은 이들 단위체가 서로 어떻게 3차원적으로 연결되어 있는지 그 구조를 발견하였고, 그 공로로 올해의 노벨 생리의학상을 수상하게 되었습니다.

 윌킨스 박사님은 엑스선 결정학 기술을 이용하여 다양한 생물의 디옥시리보핵산을 연구하였습니다. 이 기술은 지금까지 분자구조를 분석하는 기술 중에 가장 우수하다고 평가되는 기술입니다. 바로 이 우수한 기술을 이용하여 윌킨스 박사님은 디옥시리보핵산의 긴 분자사슬이 이중 나선 형태로 배치되어있음을 밝혔습니다. 그리고 왓슨 박사님과 크릭 박사님은 서로 얽혀있는 두 개의 나선 안에서 유기염기들이 특별한 방법으로 짝지어져 있음을 발견하고 그 배열의 중요성을 강조하였습니다.

 디옥시리보핵산은 두 개의 나선이 연결되어 하나의 긴 계단처럼 보이기도 합니다. 이 계단의 바깥쪽은 당과 인으로 구성되며 염기들이 짝을 지어 연결되면서 형성됩니다. 각각의 염기를 다르게 염색한 후에 이 디옥시리보핵산의 계단을 사람이 걸어 올라간다고 상상해 봅시다. 이 사람은 너무나도 다양한 모습에 깊은 인상을 받게 될 것입니다. 그러나 그는 얼마 지나지 않아 빨강색은 언제나 파랑색과 연결되어 있고 검은색은 언제나 하얀색과 연결되어 있음을 발견할 것입니다. 또한 계단의 오른쪽이 검은색이면 왼쪽이 하얀색이고, 오른쪽이 하얀색이면 왼쪽이 검은색이라는 것도 확인할 수 있을 것입니다. 그리고 빨강과 파랑에서도 마찬가지 현상을 관찰하게 될 것입니다. 이 사람은 거대한 디옥시리보핵산 속의 무수히 많은 계단을 올라가면서 빨강색-파랑색, 파랑색-빨강색 그리고 검정색-하얀색, 하얀색-검정색의 배열이 끝없이 다양하게 나타나는 것을 보게 될 것입니다. 결국 그는 이 배열이 어떤 의미를 갖는지 궁금해질 것이며, 그 계단이 어떤 메시지, 즉 어떤 유전 정보를 담고 있다는 것을 깨닫게 될 것입니다.
 
 하지만 실제로 디옥시리보핵산은 누군가가 올라갈 수 있는 계단이 아닙니다. 이것은 매우 활동적인 생물학적 물질입니다. 보통은 디옥시리보핵산에서 리보핵산이 만들어지고, 이것에 의해 아미노산이 연결되어 단백질 사슬을 형성하는 3단계의 과정으로 단백질이 합성됩니다. 결국 단백질의 아미노산 서열은 핵산의 염기서열에 의해 결정되는 것입니다. 그러므로 핵산은 어떤 단백질이 생성될지를 결정하며, 이렇게 생성된 단백질은 생명체 내에서 특정 기능을 담당합니다. 결국 다양한 단백질이 생성되고 이들은 모두 생명체의 필요에 따라 전체적인 생명 현상의 일부 기능을 담당하는 것입니다. 즉 어떤 단백질들이 어떤 형태로 협력하는가에 따라 개개인의 특성이 달라지는 것입니다.

 디옥시리보핵산에 담긴 정보는 세포가 분열할 때 그대로 전이됩니다. 이것이 생명체의 일반적인 성장 과정입니다. 또한 생식 세포가 융합할 때에도 디옥시리보핵산의 정보는 전이됩니다. 이와 같은 방법으로 디옥시리보핵산의 정보는 부모를 꼭 닮은 새로운 개체의 발생을 결정하고 조절합니다.

 오늘날 새롭게 밝혀진 유전 메커니즘의 결과를 실제로 확인할 수는 없습니다. 우리는 다만 질병을 극복할 수 있는, 그리고 유전과 환경의 상호작용에 대해 보다 많은 지식을 얻을 수 있다는 가능성만을 예견할 수 있을 뿐입니다. 그리고 이를 통해 생명의 본질적인 메커니즘을 좀 더 이해할 수 있을 것이라고 기대하고 있습니다. 우리가 어떤 방향으로 가든지 이제 우리는 새로운 가능성에 대한 기대를 갖게 되었습니다. 존 켄드루 박사님의 말처럼 크릭 박사님, 왓슨 박사님, 윌킨스 박사님의 연구 업적을 통해 우리는 '새로운 세계를 여는 첫 번째 섬광'을 목격한 것입니다. 

 프랜시스 크릭 박사님, 제임스 왓슨 박사님, 모리스 윌킨스 박사님.
 세분의 연구로 디옥시리보핵산의 분자구조가 밝혀졌고 이 물질이 유전정보를 전달한다는 것도 알게 되었습니다. 이것은 생명 유지를 위한 생물학적 현상을 이해하는 데 너무나도 중요한 것이였습니다. 실제로 세분의 연구 결과는 생명과학을 연구하는 모든 과학자들에게 놀라움을 안겨 주었습니다. 디옥시리보핵산의 이중나선 구조가 4가지 유기염기의 특이적인 짝짓기에 의해 형성된다는 사실은 유전 정보의 전이와 조절에 관한 보다 상세한 연구를 가능하게 할 것입니다.

 왕립 카롤린스카 연구소를 대표하여 진심 어린 축하를 전해드리며, 이제 올해의 노벨 생리의학상을 수상하는 이 자리에 세분을 모시고자 합니다.

왕립 카롤린스카 연구소 교수위원회 A. 엥스트룀
<당신에게 노벨상을 수여합니다|노벨 생리의학상|, 노벨 재단 엮음, 유영숙·권오승·한선규 옮김>

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 핵산은 당-인 골격에 연결된 염기로 이루어져 있다.

 핵산Nucleic acid의 두 종류, DNA와 RNA는 유전 정보를 다음 세대로 넘겨주는 기능을 하기에 알맞은 구조를 가지고 있다. 이 거대분자는 선형 중합체linear polymer로 비슷한 단위체들의 끝과 끝이 연결되어 있다. 각각의 단위체는 세 성분을 가지고 있다. 당Sugar, 인phosphate, 그리고 염기base이다. 그리고 이중 염기의 서열은 핵산의 성격을 유일하게 만들어주고, 1차원적인 정보를 가지게 해준다.


Deoxyribonucleic acid(DNA) 안에 있는 당은 디옥시리보오스deoxyribose 이다. Ribose 앞의 'deoxy' 라는 접두사는 ribose라는 당의 2'-carbon 원자에 산소 원자가 없다는 것을 의미한다. 그리고 Ribosenucleic acid(RNA) 안에 있는 당은 리보오스ribose이다.

 핵산Nucleic acid에 들어 있는 당sugar은 다른 sugar와 phosphodiester로 연결되어 있다.

[왼쪽부터 ester, diester, phosphodiester]

 정확하게는 sugar의 3'-hydroxyl group(3'-OH)이 phosphoryl group과 붙어있고, 다시 phosphoryl group은 sugar의 5'-hydroxyl group과 붙어있다. 이런식으로 길게 연결된 사슬chain을 nucleic acid의 backbone골격이라고 한다.

[왼쪽은 DNA, 오른쪽은 RNA의 구조이다. base 부분에 DNA는 ATCG, RNA에는 AUCG가 들어갈 수 있다.]

이러한 backbone은 DNA나 RNA에서 변하지 않고 계속 반복되지만 base염기는 다양하게 바뀐다. Base는 두 종류로 나눌 수 있는데 purine퓨린의 유도체인 adenine아데닌과 guanine구아닌과 pyrimidine피리미딘의 유도체인 cytosine시토신과 DNA에서만 사용되는 thymine티민, RNA에서만 사용되는 uracil우라실이 있다.

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 핵산의 단위체

 핵산을 구성하는 단위체를 살펴보자. 염기와 당이 결합된 것을 누클레오시드nucleoside라고 한다. DNA에 있는 누클레오시드 단위체들은 데옥시아데노신deoxyadenosine, 데옥시구아노신deoxyguanosine, 데옥시시티딘deoxycytidine, 티미딘thymidine 이라고 한다. 티미딘의 경우 앞에 '데옥시deoxy'를 붙이지 않는 까닭은 T가 DNA에서만 사용되어 구별할 필요가 없기 때문이다. RNA에 있는 누클레오시드 단위체들은 아데노신adenosine, 구아노신guanosine, 시티딘cytidine, 우리딘uridine 이라고 부른다.

 염기와 당은 퓨린의 N-9 또는 피리미딘의 N-1이 당의 C-1'에 붙어있다. 당을 그렸을 때, 염기는 평면 위쪽에 놓이게 되어(C-5'와 같은 면) β 형이 되고 이 결합을 β-글리코시드 결합, β-glycosidic bond라 한다.

 DNA나 RNA에서 당은 인산기와 결합되어 골격을 형성한다. 누클레오시드에 한 개 또는 여러 개의 인산기가 에스테르ester 결합에 의해 연결된 것을 누클레오티드nucleotide라고 한다. 인산기가 세 개 붙은 누클레오티드는 DNA와 RNA를 연결하는 단위체이다.

 DNA를 형성하는 4개의 누클레오티드 단위체들은 각각 데옥시아데닐산deoxyadenylate, 데옥시구아닐산deoxyguanylate, 데옥시시티딜산deoxycytidylate, 티미딜산thymidylate 라고 부르는 인산기가 한개 있는 누클레오티드 일인산nucleotide monophosphate이다. 티미딜산도 역시 앞에 '데옥시deoxy'를 붙이지 않는데, RNA에서 아주 드물게 발견되므로 붙이지 않는다.

 접미사 'ate'를 갖는 염기는 누클레오티드지만 당의 몇번째 탄소에 몇개의 인산이 붙어있는지는 알 수 없다. 그래서 더 확실하게 알 수 있는 명명법도 사용되는데, 인산기가 C-5'에 붙은 화합물을 누클레오시드 5'-인산nucleoside 5'-posphate 또는 5'-nucleotide라고 한다. ATP는 아데노신 5'-삼인산adenosine 5'-triphosphate이다.

[ATP의 구조]

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 DNA는 길다

 때로는 DNA의 염기 서열을 써야할 때가 있다. 그럴 때 복잡한 화학 구조를 일일이 쓰는 것 보다는 약어를 사용을 하기로 과학자들은 정하였다. pApTpCpG 또는 pATCG, ATCG 라고 하는 것은 네 개의 뉴클레오티드를 나타낸다. ATCG로 표시한 염기서열은 각각 phosphodiester 결합으로 연결된 것이며 p는 인산기를 뜻한다. 4개의 누클레오티드의 화학구조는 다음과 같이 약식으로 표시한다.

 DNA와 RNA는 방향성이 있는데, 5'에서 3' 방향으로 DNA와 RNA의 염기서열을 쓴다. 5'과 3'는 탄소 번호이고 각각 인산기에 부어있다.