DNA & RNA & 단백질의 정의와 관계

어서 오세요~ 힐링 만다린입니다:)

 

CSI와 같은 범죄 수사 영화나 범죄 드라마를 보시면 ‘현상에서 채취한 머리카락의 DNA를 통해 범인을 검거하였다’ ‘ 범인의 검체로 DNA 분석을 진행하였다’라는 말들을 들어보신 적이 있으실 겁니다.

한 번쯤은 들어봤을 'DNA가 무엇인데?'라는 의문을 오늘 이 페이지에서 풀어드리도록 하겠습니다.

 

먼저, 유전자에 대한 정의를 말씀드리겠습니다. 유전자란 부모에서 자식으로 물려지는 특징, 즉 형태를 만들어 내는 인자로서 유전 정보의 단위입니다. '아빠랑 붕어빵이네~'' 넌 엄마를 닮았구나!'라는 이야기를 주변에서 들어본 적이 있거나 말씀해보신 적이 있죠? 이게 바로 유전자의 힘! 부모의 유전 정보가 자식으로 전달되었기 때문에 나올 수 있는 것입니다. 유전자의 정의를 생물학적으로 내린다면, 생물 세포의 염색체를 구성하는 DNA가 배열된 방식으로도 정의됩니다.  DNA를 복제함으로써 다음 세대로 이어지는 과정이 나타나는데, 이때 DNA는 이중나선 형태를 띠고 있기 때문에 이 이중나선이 풀린 후 각각의 사슬이 연쇄적으로 다시 이중나선으로 합성됨으로써 DNA가 복제되고 아이에 몸안에 지녀지게 됩니다.

 

DNA가 다음 세대로 이동할 수 있는 '정보'라고 한다면, 정보는 다음 세대로 내려가 그 기능을 발휘하기 위해 발현이라는 과정을 거쳐야 됩니다. 발현이란 DNA라는 정보가 RNA로 전사(transcription)되고, 그 전사된 RNA가 단백질로 바뀌는 번역(translation)의 전체 과정을 이야기합니다. 이렇게 해서 만들어진 단백질이 생체 내에서의 온갖 작용을 일으킴으로써 유전자의 효과가 나타나고 보여지게 되는 것입니다. DNA가 RNA로 마지막엔 단백질로 전사와 번역 단계를 거치는 것을 생물학자인 크릭(F.Crick)은 중심 원리(Central Dogma)라고 이름을 붙였습니다. 우리 몸 안에 있는 유전자를 이루는 물질은 대부분 DNA이지만, 생태계에서 보게 되면 일부 바이러스의 경우에서 RNA의 형태로 유전자가 보존되어 있기도 합니다.

 

DNA를 좀 더 자세하게 알아보면, DNA란 DeoxyriboNucleic Acid 라 하여 디옥시리보 핵산이라고 해석되는데, 4 종류의 뉴클레오타이드가 중합 과정을 통해 연결된 가닥을 의미합니다. 뉴클레오타이드를 하나의 블록이라고 생각하면 좀 더 쉽게 이해가 될 것입니다. 구아닌, 사이토신, 아데닌, 티민이라는 독특한 핵염기들이 서로 붙어서 하나의 블록이 두 개의 블록, 두 개의 블록이 10개의 블록, 100개의 블록으로 점차 쌓이게 되면서 선을 만들게 되고 이것을 흔히 DNA 염기서열이라고 합니다. DNA 염기 서열은 유전정보를 나타내는 유전자 구간과 그렇지 않은 비부호화 구간으로 나눌 수 있습니다. 유전자 정보를 나타내는 유전자 구간이 그렇지 않은 비부호화 구간보다 중요할 것이라고 생각하겠지만, 아직까지도 사라지지 않고 보존되고 있다는 것은 이 구간들도 생물에게는 꼭 필요한 존재이겠죠?

 

이렇게 기다란 가닥의 뉴클레오타이드 중합체 두 개가 서로 꼬여 이중나선 구조로 되어 있게 되면 우리는 이를 DNA, 고분자 화합물이라 부릅니다. DNA가 이중나선 구조를 가졌다는 결정적인 증거는 과학자 로절린드 프랭클린이 찍은 DNA의 X선 회절 사진 때문이며, 그녀와 앙숙이었던 동료 과학자 윌킨스가 프랭클린의 사전 허락 없이 회절 사진을 분석하고 왓슨과 크릭에게 제공함으로써 왓슨과 크릭의 연구로 세상에 알려지게 되었습니다. 이후 왓슨과 크릭은 '프랭클린의 영광을 도둑질했다'는 비판을 받고 있지만, 안타깝게도, 프랭클린은 암으로 1958년에 사망하여 노벨상 후보에 오르지 못하였습니다. 세포핵에서 발견되어 핵산이라는 이름이 붙게 되었지만 미토콘드리아 DNA와 같이 핵 이외의 세포 소기관도 독립된 DNA를 갖고 있습니다. 우리가 갖고 있는 미토콘드리아 DNA는 엄마에게서만 전달됩니다.

 

DNA는 스스로를 복제하고 유전정보를 통해 유전자 발현이 일어나게 됩니다. 유전자는 DNA 사슬의 특정 구간으로 실제 단백질 형성과 같은 발현에 관여하는 엑손 구간과 그렇지 않은 인트론을 포함합니다. (유전자 정보를 나타내는 유전자 구간을 엑손, 그렇지 않은 비부호화 구간을 인트론이라 생물학에서는 명명합니다.)  DNA가 직접 유전자 발현을 실행하는 것은 아니며 실제 발현 과정은 DNA에서 전사된 전령 RNA(mRNA)가 지닌 코돈에 의해 진행됩니다. 코돈은 세 개의 염기서열이 묶인 유전 단위로 시작 코돈과 종결 코돈 그리고 그 사이에 실제 아미노산 결합을 지시하는 코돈들로 이루어져 있습니다. 코돈은 간단하게 암호 코드라고 생각하시면 됩니다. 이런 코드들이 그다음 단계로 진행될 때 아미노산들이 단백질로 합성하게끔 신호를 주는 역할을 합니다.  이렇게 mRNA는 리보솜에서 효소와 같은 단백질을 합성하게 됩니다.

 

두 번째, RNA는 RiboNucleic Acid로 리보핵산이라 해석할 수 있으며, 오탄당의 일종인 리보스를 기반으로 뉴클레오타이드를 이루는 핵산의 한 종류입니다. DNA와는 다르게 하나의 나선이 길게 꼬여 있는 구조를 지니며, DNA의 일부가 전사되어 만들어집니다. RNA는 단백질을 합성하는 과정에 작용하며, 핵 염기로는 DNA와 달리 티민 대신 우라실을 갖고 있으며, 각 핵 염기들이 블록을 하나씩 쌓으면서 사슬구조를 이루게 됩니다.

 

RNA는 분자구조와 생물학적 기능에 따라 9가지로 나누어집니다. 그중에서 중심 원리(Central dogma)에 개입하는 rRNA, mRNA, tRNA에 대해서만 간략하게 설명드리려고 합니다. rRNA는 ribosomal RNA라 하여 RNA가 단백질로 번역할 때 리보솜이라는 공간에 들어간다고 설명드렸는데, 그 리보솜을 구성하고 있는 RNA를 말합니다. mRNA는 messenger RNA라 하여 DNA의 유전 정보를 옮겨 적어 리보솜에서 단백질을 합성하게 만듭니다. tRNA는 transfer RNA로 mRNA가 지니고 있는 코돈과는 상응하는 안티코돈을 갖고 있으며, 단백질을 이루는 아미노산을 연결해주는 효소에 의해 아미노산을 달고 있어 리보솜으로 아미노산들을 운반해줍니다. 

 

아미노산들이 뭉쳐 만들어진 것이 바로 단백질입니다. 단백질은 생물의 몸을 구성하는 고분자 유기 물질로, 수많은 아미노산의 연결체로 20가지의 서로 다른 아미노산들이 펩타이드 결합이라고 하는 화학 결합으로 길게 연결하여 폴리펩타이드를 만들게 됩니다. 여러 가지의 폴리펩타이드 사슬이 4차 구조를 이루어 고유한 기능을 갖게 되었을 때 비로소 단백질이라고 불리며 단백질과 폴리펩타이드는 엄밀히 말하면 다른 분자이지만 경우에 따라 구분 없이 쓰이기도 합니다. 일반적으로는 분자량이 비교적 작으면 폴리펩타이드라고 하며, 분자량이 매우 크면 단백질이라고 합니다. 참 쉽지요~?

 

여기서도 블록 한 개를 아미노산이라고, 블록이 길게 연결된 것을 폴리펩타이드라고, 이 폴리펩타이드들이 뭉쳐진 것을 단백질이라고 상상하시면 쉽게 이해가 됩니다.

 

단백질은 생물체 내의 구성 성분으로 세포 안의 각종 화학반응의 촉매 역할(효소), 항체를 형성하여 면역을 담당하는 등 여러 가지 형태로 중요한 역할을 수행합니다. 하지만 물리적, 화학적 환경으로 단백질이 변성될 수 있는데, 물리적인 요인(가열, 건조, 교반, 압력, X선, 초음파, 진동, 동결)이나 화학적인 요인(산, 염기, 요소, 유기용매, 중금속, 계면활성제)등을 단백질이 겪게 되면 원래의 성질을 잃어버리고 중요한 역할을 생물체 내에서 진행하기 못해 몸에 이상 증상이 발생하기도 합니다. 

 

단백질은 고유한 3차원 구조로 접히는 폴리펩타이드 사슬을 말합니다. 단백질이 자연 상태에서 접히는 구조는 단백질의 이 폴리펩타이드를 이루는 아미노산 서열에 의해 결정됩니다. 아미노산도 곁사슬을 지니고 있기 때문에 어떤 아미노산이 옆에 위치하느냐에 따라 곁사슬들끼리 결합을 하는지, 만약 결합한다면 그 힘이나 종류가 달라지게 됩니다. 생화학자들은 단백질의 구조를 4개의 단계로 나누어 설명합니다.

 

1차 구조는 아미노산 서열이 하나의 선으로 이어진 기본적인 구조를 말하며, 2차 구조는 1차 구조에서 더 나아가 알파 나선구조와 베타 병풍 구조를 말합니다. 아미노산 뼈대에 곁사슬들이 서로 밀어내는 힘을 최소화하기 위해 그들 간의 결합에 의해 안정한 모양을 유지하게 됩니다.  3차 구조는 곁사슬들의 소수성 결합에 의해 결정되는데, 더 안정된 모양을 만들어 줍니다. 3차 구조를 이루는 과정에는 단백질 접힘이 나타납니다. 4차 구조는 여러 개의 폴리 펩 타이들, 3차 구조의 폴리펩타이드들이 함께 모여 하나의 단백질로 만들어지는 것을 말합니다. 하나의 폴리펩타이드가 단백질로써 고유 역할을 하는 경우는 존재하지 않지만, 서로 똘똘 뭉쳐 안정된 구조를 이루게 되면 그 단백질을 생물체 내의 중요한 역할을 이행합니다.

 

인간뿐만 아니라 전 생물체를 구성하고 있는 작은 크기의 DNA, RNA, 단백질에 대해 설명해보았습니다. 하늘에서 떨어진 우주선에 탑승한 외계인의 DNA를 분석하는 과학자들의 모습이 영화 속에 종종 등장하는데, 그들의 DNA, RNA, 단백질만으로도 충분히 외계인을 대변할 수 있는 유전 정보들이 해석된다는 사실이 놀랍지 않으신가요? 

 

그럼, 오늘 하루도 힐링하세요 :)