제 1 장 거대분자

ㆍ세포내에는 수많은 종류의 분자들이 있다. 어떤 것은 크기가 작고  어떤 것은 아주 큰 것도 있다. 작은 것은 분자량이 수십 dalton에 불과하지만 큰 것은  수십억 dalton이나 되는 것도 있다. 이 chapter에서 이야기 하고자 하는 거대분자는 일정한 모양을 갖고 있는 단위분자들이 서로 연결되어 만들어진 중합체(polymer) 분자로서 분자량  10000 dalton 이상의 분자들을 말한다. 이러한 polymer의  예로 다당류(단당류가 연결되어  형성됨), 단백질(아미노산이 서로 연결된 것임), 고분자 핵산(nucleotide가 연결되어 형성됨)등을 들 수 있다.

ㆍ거대분자 중에서 주로 핵산과 단백질에 초점을 두고 설명하고자함

1.1 거대분자의 화학적 성질

1.1.1. 단백질

ㆍ단백질은 20가지의 아미노산이 수십 - 수백 개가 연결된 것이다.  단백질의 성질을 이해하기 위해서는 우선 아미노산의 일반적인 특성과 20 여종 아미노산 각각의 특징을 이해하는 것이 중요하다.

ㆍ아미노산의 일반적인 특징은 다음과 같다.

1). 각각의 아미노산 분자는 두 가지의 공통된 기능을 갖고 있는 분자단(functional group)이 있다. 이들은 각각 아미노기(-NH2)와 카르복시기(-COOH)이다.

2). 아미노기는 수용액 중에서 수소 양이온과 결합하여 양이온인 -NH3+으로 존재하려고 하는 경향이 있는 반면에 카르복시기는 수소 양이온을 방출하여 음이온-COO-으로 존재하려는 경향이 있다.

※그렇다면 하나의 아미노산 분자 내에 양이온인 부분과 음이온인 부분이 공존할 수 있다는 것이군요! 그렇지만, 아미노산이 녹아 있는 수용액의 pH에 따라서 어느 한 쪽으로 기울어 질 수 있음. 잘 상상이 되지 않겠지만, pH가 높으면 카르복시기가 음이온으로 전환되고, 낮으면 아미노기가 양이온으로 전환됨. 그  중간 pH에서는 양음 두 이온이 같은 정도로 공존할 수 있죠. 그 중간 pH는 아미노산의 종류에 따라 다르다는 것에 주의.

3). 모든 아미노산은 α-탄소에 치환기(R group)을 갖고 있으며, R group은 아미노산의 종류를 결정한다. 각각의 아미노산의 성질은 각 아미노산이  갖고 있는 R group에 따라서 다르게 된다. 여기서 R group의 종류에 따라서 아미노산의 용해도

가 다르게 된다. R group에 아미노가나 카르복실기가 있는 아미노산은 물에 잘 녹는다(친수성). 반면에 탄화수소로만 되어 있는 아미노산들은 물에 잘 녹지 않는다(소수성).

※친수성 아미노산과 소수성 아미노산에는 어떤 것이 있는지 알아 봅시다.

ㆍ단백질의 성질과 구조는 그것을 구성하는 아미노산의 종류, 배열순서 등에 따라서 달라지게 된다. 아미노산에서와 마찬가지로 단백질의 한 쪽은 -NH2 (아미노 말단 혹은 N-terminus)이고 다른 한 쪽은 -COOH(카르복실  말단 혹은 C-terminus)로 되어 있다.

ㆍ아미노산의 배열순서를 1차구조라고 한다.  2차구조는 배열된 아미노산이  열역학적 안정성 도모하기 위하여 인접한 아미노산 혹은  인접한 사슬의 아미노산과 상호작용하는  과정에서 만드는 구조로서, 수소결합이 중요한 역할을 한다. 나선구조과 병풍구조의 두가지 형태가 주된 구조이다. 나선구조는  우측으로 꼬인 α-helix 구조이다.

Alpha helix - YouTube

ㆍ병풍구조(β-sheet)는 인접한 아미노산 사슬이 서로 반대방향 평행되게 만났을 때 사슬간의 아미노산이 수소결합에 의해 결합된 구조이다.

Beta sheet - YouTube

※α-helix와 β-sheet 구조에서 수소결합의 형태를 조사해 보세요.

ㆍ단백질의 3차구조는 2차 구조로 되어 있는 단백질 사슬이  굽혀져서 만드는 3차원적인 구조를 말한다. 4차구조는 3차 구조로 되어 있는 두 개 이상의 단백질이 서로 뭉쳐서 된 단백질 덩어리를 말한다.

※ 4차구조로 된 단백질의 예를 찾아보세요.

1.2 Nucleic Acid(핵산)

ㆍ핵산의 기본적인 구조는 nucleotide라고 하는 분자이다. 하나의 nucleotide는  염기(base), 당(sugar), 인산(phosphate)으로 되어 있다. 염기는  탄소와 질소로 구성된 고리구조를 기본으로 하고 있으며, 고리의 모양과  고리에 연결된 group에 따라서 몇 가지로 분류된다. 즉, adenine, guanine, cytosine, thymine, uracil(RNA의 경우) 등이 있다. 염기는 당의 1번 탄소에 연결 되어있다. 당은 5개의 탄소골격을 갖고 있는 5탄당인 ribose(RNA의 경우) 이거나, ribose의 2번 탄소에 산소 원자가 없는 2-deoxy-ribose(DNA의 경우)의 두 가지가 있다. 인산은 ribose 혹은 2-deoxy-ribise의 5번 탄소에 연결되어 있다.  nucleotide에 따라서 연결된 인산의 수는 1-3개로서 1개 이상의 인산이 연결될 때는 인산과 인산이 연결된다. 염기와 당 사이의 결합은 N-glycosidic bond 이며, 당과 인산 사이의 결합은 ester 결합이다. 인산과 인산 사이의 결합은 고 에너지 결합이다.

ㆍ두 개의 nucleotide가 연결된 핵산은 dinucleotide라고 한다. dinucleotide는 한 nucleotide의 당과 다른 nucleotide의 인산이 결합하여 형성된다. 즉, dinucleotide는 한  nucleotide의 당의 3번 탄소의 하이드록실기(-OH)와 다른 nucleotide의  당의 5번 탄소에 결합된 인산 사이의 ester 결합으로 만들어진다. 다른 nucleotide의 인산은 이미 당의 5번 탄소에 ester 결합으로 연결되어 있으므로, 그 인산은 두 개의 ester 결합을 하게 된다. 이러한 형태의 결합을 phosphodiester bond 라고 한다.

※trinuclotide의 구조를 각자 그려봅시다.

ㆍNoncovalent interactions that determine the three dimensional structures  of proteins and nucleic acids

ㆍ단백질이나 핵산과 같이 polymer로 되어 있는 분자들은  그들 각자의 특징적인 3차원적 구조를 갖게 된다. 그러한 3차원적 구조를 유지하기 위하여는 그 구조가 열역학적으로 비교적 안정한 형태이어야 할 것이다. 안정성을  유지하기 위해서는 여러 가지의  비공유성 결합을 하게 된다.

ㆍHydrogen bond :

우선 hydrogen bond가 무엇인지 알아야 할 것이다. 산소, 질소 등과  같이 전기음성도가 높은 원자에 수소가 결합되어 있는 분자를 생각해보자. 예를들면 물분자는 산소에 두 개의 수소가 결합되어 있다. 이 경우 산소는 수소가 갖고 있는 전자를 끌어당겨서 약한 음전하를 띠게 되고 상대적으로 수소는 약한 양전하를 띠게된다. 한 물분자의 산소(음전하)가 다른 물분자의 수소에 가까워지면 약한 정전기적 결합이 생길 것이다.

※ hydrogen bond links

http://www.biology.arizona.edu/biochemistry/tutorials/chemistry/page3.html

ㆍ단백질의 경우 peptide bond의 -N-H 와 다른 peptide bond의 =C=O원자 사이에 수소결합이 형성될수 있다. 이러한 수소결합은 우선 단백질의 2차 구조의 형성에 관여하고, 또한 3차구조의 유지에도 관여 한다. 한편, 단백질을 구성하는 아미노산들의 R group에 있는 아미노기(-NH2)와 카르복실기 사이에도 수소결합이 가능하다.

ㆍ핵산의 경우 염기와 염기사이에 수소결합이 형성되어 염기와 염기가 짝을 이루는데 기여한다.

Base Pairing

제 2 장 핵산

ㆍ핵산의 구조에 대해서 앞 chapter에서 조금 배웠지요. 지금부터 나오는 내용에는 복습을 겸하는 부분도 있을 것이지만 기본적이면서 중요한 내용도 있지요.  핵산에는 DNA와 RNA가 있지만 여기서는 DNA를 주로 설명합니다.

2.1 DNA의 물리화학적 성질

ㆍDNA의 물리적인 성질은 무엇을 말하는가? 그것은  DNA의 모습(3차원적인 구조), 온도 등과 같은 물리적 요인에 따른 DNA의 구조변화,  밀도, 강도 등을 포함하고 있다. 반면에 화학적 구조는 원소의 배열, 화학적 결합 방법등을 말한다.

2.1.1 Base-pairing and the DNA Double Helix

ㆍDNA의 구조에 있어서 Chargaff's rule이라고 하는 것이 있다. 물론 Chargaff이라는 사람이 만든 것이다. 그것은 DNA에서 염기의 구성비율에 관한 것으로 A의 양과 T의 양이 같으며, G의 양과 C의 양이 같다는 것이다. 다른 방법으로 표기하면 A=T, G=C 혹은 A+G =T+C이라는 것이다. 이러한 구성비를 만드는 기본적인 원리는 염기 짝짓기이다. 즉, A는 T와 짝을 이루며, G는 C와 짝을 짓는다는 것이다. 염기는 polynucleotide의 구조에서 당-인산 골격에 가지처럼 붙어 있는 구조이다. 이러한 염기가 짝을 짓기 위해서는 두 염기사이에 어떤 결합 혹은 상호작용이 존재하여야 할 것이다. 실제로 염기와 염기사이에는 수소결합이  가능하며, 염기의 구조적 특징으로 인하여 A는  T와 G는 C와 짝을  이루게 된다. Watson과 Crick은 DNA의 결정을 만들었다. DNA의 결정은  DNA 분자들이 규칙적으로 배열된 것을  말한다.

ㆍ이 결정에 x-ray를 통과시켰다. x-ray가 통과하면서 DNA 분자내의  원자 배열상태에 따라 회절된다. 이 회절된 x-ray에 의해 x-ray 필림이 감광되는 모양을 수학적으로 해석하여 DNA 구조를 이루고 있는 원자들의 배열모양을 역추론 하였다. 그 결과  DNA는 이중나선 구조로 되어 있다는 것을 발견하였다. 이러한 구조는 그 이전에 이미 밝혀져 있던 Chargaff's rule과도 일치하는 구조이었다.

ㆍDNA의 이중나선 구조를 space-filling model(원자의  상대적인 크기를 구형으로 만들어 실제의 분자의 모양을 보기 쉽게 만든 것)을 이용하여 만들어 보면, 당-인산 골격은 바깥으로 노출되어 능선응 형성하고 있고, 염기짝들은 내부에 있다. 이러한 나선구조의 당-인산 골격의 능선과 능선사이는 깊은 골짜기를 형성하게 된다. 한 능선의  좌우 골짜기는 각각 그 폭이 다르다. 폭이 넓은 골짜기는 major groove라고  하고 폭이 좁은 골짜기는 minor groove라고 한다. 이들 골짜기 특히 major groove는 단백질이 상호작용할 수 있는 공간을 제공한다.

2.1.2 Antiparallel Orientation of the Two Strand of DNA

ㆍ이중나선구조에서 각각의 가닥은 서로 반대 방향으로 놓여 있다. 한 가닥의 DNA는 대칭적인 구조가 아니므로 방향을 임의로 정할 수 있다. 즉 한 쪽 끝은 5'-P이고  다른 쪽 끝은 3'-OH로 되어 있다. 따라서 이중나선을 이루고 있는 두 가닥중 하나는 5'-P--->3'OH의 방향으로 놓여 있으면, 다른 한 가닥은 3'-OH---->5'-P의 방향으로 나란히 놓여 있는 것이다. 이러한  방향을 보여 주면서 DNA의 가닥을 염기순서로 표시하는 방법을 알아보자. phosphodiester bond는 소문자 p로 표시한다. 즉, 5'-P-GACT-3'OH는 pGpApCpT로 표시할 수 있다.

2.1.3 Variation of Base Composition of DNA of Different Organism

ㆍ생물에 따라서 유전자는 서로 다르고, 따라서 염기서열 및 그 구성 비율도 다르다. DNA의염기 구성비는 G+C content 혹은 G+C ratio로 표시한다. G+C content는 (G+C)/all bases로서 전체 염기 중 G와 C의 합의 비율을 말한다. G+C ratio는 (G+C)/(A+T)로서 A+T에 대한 G+C의 비율을 말한다. 고등생물의 경우 G+C content는 0.5 에 가깝다. 그러나 하등 생믈의 경우는  G+C  content가 생물종에 따라서 다양한 편이다. 대장균은 0.5 인 반면에 Clostridium은 0.27, Sarcina는 0.76이다. G+C content를 측정하는 방법은 CsCl equilibrium centrifugation이다. CsCl 용액속의 DNA 밀도는 G+C content와 비례한다.

2.1.4 Forms of DNA Helix

ㆍ우리가 일반적으로 알고 있는 DNA 이중나선의  3차원적인 구조의 수치는 다음과 같다: 폭은 2 nm, 아래 위 염기 짝사이의 거리는 0.34  nm, 나선이 한 바퀴 회전할 때의 직선 거리는 34 nm, 염기 짝의 DNA 축에 대한 각도는 90°이다. 그러나 이러한 구조는 상대습도 92%에서 유지되는 구조이다. 이 형태의 구조를 B-form이라고 한다.  생리적 상태에서 이와 유사한 구조를 갖고 있을 것으로 보여진다. 만약 상대습도를 66%로 떨어뜨리면, DNA의 이중나선은 다음과 같은 구조로 변한다. 나선이 한번 회2전할  때 그 사이에 11개의 염기짝이들어가고, 나선축에 대한 염기짝의 각도가 90°가 아니라 직각에서 20°기울어져 있다. 이 형태의 구조를 A-form 이라고 한다.  RNA-RNA 이중나선구조 및 RNA-DNA 이중나선구조는 A-form을 형성한다. 한편 어떤 특징적인 염기배열(예를들면, 피리미딘과 퓨린이 교대로 반복되는 DNA  이중나선 부분은  Z-form을 형성하기도 한다. Z-form의 경우는 left-handed helix(좌선성 이중나선)으로서 당-인산 골격이 지그재그로 배열되어 있다.

DNA forms link:

http://www.tulane.edu/~biochem/nolan/lectures/rna/images/abz.GIF

2.1.5 The Size of DNA Molecules

ㆍ어떤 분자의 크기는 그 분자의 분자량으로 표시하는 것이 일반적이다. DNA의 크기도 분자량으로 표시할 수 있다. DNA를 구성하는 nucleotide 하나의 분자량은 평균  330 daltons 정도이다. 따라서 한 쌍의 염기 짝은 660  dlatons에 해당한다. 만약 100개의 염기짝으로 된 DNA 분자, 즉 100 base  pair의 DNA를 생각한다면, 그  분자량은 100 x 660 = 66,000 daltons 이 될 것이다. 그러나 자연 상태에서 DNA의 크기는 대부분 이보다 훨씬 크다. 가장 작은 유기체인 virus의 경우도 그 크기가 적어도 수천 base pair 이상이다. 따라서 그 분자량도 아주 크게된다.  그러므로 분자량을 Mega dalton의  단위로 표시해양한다. 예를들면, 10,000 base pair(10  Kilobase  pair)dlsa  DNA의  분자량은 660 x 10,000  = 6.6 x 106로서 6,600,000 daltons 혹은  6,600 kilodaltons 혹은 6.6 Megadaltons이 된다. 그러나, 이와같이 DNA를 분자량으로 표기하면 그 실제적인 크기를 쉽게 파악하기 힘들기 때문에 DNA의 크기는  염기짝의 수로 표기하는 것이 훨씬 감각에 와 닿는다. 1,000 base pairs는 1 Kilobase pair로, 1,000 Kilobase pair는 1 Megabase pair 표기한다. 단선 DNA 혹은 RNA의 경우는 base pair 대신 base로 표기한다.

2.1.6 The Factors That Determine The Structure of DNA

ㆍDNA의 구조는 단선과 이중나선에 따라서 다를 것이다. 단선의 경우는 우선 phosphodiester bond가 단일 결합이기 때문에 free rotation이 가능할 것이다. 반면에, 이중나선의 경우는 마주보는 염기사이의 수소결합으로 인하여 phosphodiester bond가 단일  결합임에도 불구하고 free rotation이 불가능한 상태가 된다.

제 3 장 엑손과 인트론

3.1 엑손

진핵세포의 유전자의 경우 그 유전자의 암호부위와 그로부터 생성된 단백질에서 추론된 아미노산 배열을 일치시키 보면 유전자의암호부위가 연속적으로 연결되어 있지않고, 여러 부분으로 나누어져 있음을 알 수 있다. 이와 같이 나누어져 있는 각각의 암호부위들을 엑손이라고 한다.

3.2 인트론

유전자의 암호부위(엑손)이 여러 부분으로 나누어져 있으며, 엑손과 엑손 사이에는 비암호부위가 존재한다. 이 비암호부위를 인트론이라고 한다.

3.3 진핵세포 유전자의 구조

진핵세포의 유전자 구조는 유전자 전사 조절을 담당하는 프로모터와 전사부위로 나눌 수 있다. 전사부위는 다시 비암호부위와 암호부위로 나눌 수 있다. 비 암호 부위는 5‘ 비암호부위와 인트론 그리고 3’ 비암호부위로 구분되어지고, 암호부위는 엑손으로 구성된다. 그러나 모든 유전자의 암호부위가 인트론에 의해 나누어져 있는 것은 아니다. 다시 말하면 암호부위가 하나의 엑손으로 되어 있는 유전자도 있다.

※조사해봅시다

엑손과 인트론의 존재를 확인하는 실험방법:  R-looping 방법이란?

※공부해봅시다

비 암호 RNA 유전자(rRNA, tRNA 유전자)의 경우 어떤 종의 생명체에 있어서 일부의 tRNA와 일부의 rRNA가 인트론을 갖고 있을 수 있다. 어떤 종의 생명체의 tRNA 혹은 rRNA 가 인트론을 갖고 있는가?

인트론과 엑손으로 되어있는 유전자의 예를 찾아보고 그 구조를 그림으로 그려 봅시다.

3.4 RNA 스플라이싱

비 암호부위인 인트론의 존재로 인하여 유전자의 발현에 있어서 해결 되어야 할 점이 있다. 인트론에 의하여 분리되어져 있는 엑손들의 암호가 서로 연결 되어져야 한다는 것이다. 그러면, 유전자가 발현되어지는 여러 단계 중에서 어느 단계에서 엑손들이 서로 연결 되어질 것인가? 우선 엑손과 인트론이 포함된 유전자 전부가 핵속에서 전사되어진다. 이렇게 핵속에서 전사된 RNA를 1차 전사체라고 한다. 1차 전사체는 인트론과 엑손의 크기 및 수에 따라서 그 크기가 결정될 것이다. 작게는 수 kilobase에서부터 큰 것은 수백 kilobase에 달 하는 것도 흔히 존재한다. 이러한 1차 전사체는 인트론이 존재하므로 그 자체로서는 해독될 수 없는 것이다. 1차 전사체로부터 인트론이 제거되고 엑손이 연결되어지는 과정을 스플라이싱 이라고 한다.

※공부해봅시다

이질핵 RNA(heterogeneous nuclear RNA, hnRNA)란 무엇인가? 그리고, 1차 전사체와는 어떤관계인가?

3.5 스플라이싱과 인트론 구조

스플라이싱을 촉매하는 효소가 인트론을 제거하기 위해서는 인트론을 인식할 수 있어야 할 것이다