[생명과학] 생명체의 구성 분자들: 핵산

 

핵산

핵산은 생명 유지에 필요한 유전 정보를 담고 있는 고분자 물질이다.

 

1. 기본 단위체

(1) 뉴클레오시드 삼인산(Nucleoside triphosphate = NTP)

뉴클레오시드 삼인산은 리보오스와 염기, 인산 3개로 이루어져 있다. 5탄당 리보오스에 염기가 붙어있는 구조를 뉴클레오시드라고 한다. 그리고 뉴클레오시드에 인산이 붙어 있는 것을 뉴클레오티드라고 한다.

인산이 1개 붙어 있으면 뉴클레오시드 일인산(NMP), 2개 붙어 있으면 뉴클레오시드 이인산(NDP), 3개 붙어있으면 뉴클레오시드 삼인산(NTP)이다.

뉴클레오시드 삼인산에 붙을 수 있는 염기는 아데닌, 구아닌, 시토신, 우라실이 있다.

 

(2) 디옥시뉴클레오시드 삼인산(Deoxynucleoside triphosphate = dNTP)

디옥시뉴클레오시드 삼인산은 디옥시리보오스와 염기, 인산 3개로 이루어져 있다. 뉴클레오시드 삼인산과 다른 점은 5탄당인 디옥시리보오스가 있다는 것이다. 그리고 붙을 수 있는 염기는 아데닌, 구아닌, 시토신, 티민이다. 우라실이 결합될 수 있었던 뉴클레오시드와 달리 티민이 가능하다는 점에서 차이를 보인다.

 

*염기의 종류

퓨린: 오각형과 육각형이 연결되어있는 구조로 아데닌(A)과 구아닌(G)이 있다.

피리미딘: 육각형 구조로 시토신(C), 티민(T), 우라실(U)이 있다.

 

 

2. 중합체

(1) RNA

RNA는 NTP가 인산다이에스테르(Phosphodiester) 결합을 형성하면서 선형으로 배열된 구조를 보인다.

보통은 RNA가 합성될 경우 DNA를 주형으로 5' 말단에서 3' 말단 방향으로 합성이 이루어진다.

그리고 DNA와 달리 RNA는 리보오스에 있는 2'-OH기 때문에 pH가 높은 알칼리 조건에서 쉽게 가수 분해된다.

RNA의 염기들 간의 상호작용으로 인해 2차 구조나 3차 구조 등으로 접힐 수 있다.

 

(2) DNA

DNA는 dNTP가 인산다이에스테르(Phosphodiester) 결합을 형성하면서 선형으로 배열된 구조로 보인다.

DNA는 두 가닥이 역평행으로 놓여있어 이중 가닥 구조로 되어있다. 그리고 인산기들은 바깥쪽으로 노출되어있다.

두 가닥의 결합은 아데닌과 티민의 수소 이중 결합이나 구아닌과 시토신의 수소 삼중 결합으로 이루어져 있다.

두 가닥으로 이루어진 DNA 중 다른 나머지 가닥을 주형으로 5' 말단에서 3' 말단 방향으로 합성이 이루어진다.

DNA는 RNA에 비해 안정하다.

 

*DNA가 RNA보다 안정적인 이유

-이중 가닥이기 때문에 한 가닥이 변형되더라도 나머지 가닥의 상보적인 염기를 활용해 수선할 수 있다.

-RNA는 우라실과 시토신 사이에 전환이 쉽게 일어나지만 DNA는 우라실 대신 티민을 사용하기 때문에 염기가 바뀔 가능성이 줄어든다.

-산이나 알칼리 조건에서 이중 가닥이 벌어질 수 있지만 디옥시리보오스의 2'-H기 때문에 쉽게 가수분해 되지 않는다.

 

 

3. DNA와 흡광도

퓨린과 피리미딘은 260nm의 빛을 잘 흡수한다.

이중 가닥 DNA의 염기쌍들은 평행하게 쌓여있기 때문에 가장자리 쪽 염기들은 빛을 잘 흡수하지만 안 쪽의 염기들은 빛을 흡수하지 못한다. 빛이 가운데까지 도달하지 못하기 때문이다. 그렇기 때문에 가열할 경우 수소 결합이 파괴되어 외가닥으로 벌어지면 염기들이 노출되어 흡광도가 증가한다.

그리고 이중 가닥 DNA 내에 GC 염기쌍이 많을수록 가열할 경우 외가닥으로 벌어지기 어려워진다. GC 염기쌍이 삼중결합이라 더 결합이 끊어지기 어렵기 때문이다. 외가닥으로 벌어지기 어려우면 Tm 값이 높아진다. Tm은 녹는점(Melting temperature)이라는 뜻이다.

 

 

4. DNA와 염의 관계

(1) DNA 분자 내

NaCl은 이중 가닥 DNA 내 인산의 음전하 간의 반발력을 감소시키기 때문에 이중 가닥 구조를 더 안정화한다.

Sodium Trifluoroacetate는 낮은 농도에서는 DNA를 안정화하지만 높은 농도에서는 염기 사이에 형성된 수소 결합을 파괴하기 때문에 더 불안정해진다.

 

(2) DNA 분자 사이

알코올을 넣으면 알코올이 DNA의 음전하와 염의 결합을 더 강화시킨다. NaCl이 DNA 간의 인산 반발력을 상쇄하면서 DNA들이 뭉치게 되고 침전된다.

 

*Tm 값이 높아지는 조건

Tm 값은 DNA 이중 가닥이 안정적일수록 더 높아진다.

-GC 염기쌍의 비율이 높아질수록 Tm 값이 높다. (GC는 삼중 결합이라 이중 결합보다 결합력이 강해 안정하다.)

-중성 pH일수록 Tm 값이 높다. (DNA는 산이나 알칼리 조건에서 이중 가닥이 벌어지기 때문에 중성 pH에서 가장 안정하다.)

-NaCl 농도가 높을수록 Tm 값이 높다.

 

 

5. DNA 검출법

(1) 삽입 물질(Intercalating agent)을 활용하는 검출법

DNA 염기쌍 사이에 소수성 결합을 통해 끼어들게 하고 특정 파장의 빛을 쪼인다. 삽입 물질이 빛을 흡광하면서 DNA를 검출할 수 있다.

삽입 물질의 종류로는 아크리딘 오렌지(Acridine Orange), 브롬화 에티듐(Ethidium Bromide(EtBr)), 프로피디움 요오드화물(Propidium Iodide), 7-아미노액티노마이신(7-Aminoactinomycin) 등이 있다.

 

(2) 핵산의 음전하를 이용하여 염색

양전하인 염기성 염색약이 음전하인 DNA의 인산과 이온 결합을 하게 되면서 DNA가 검출된다.

염색약의 종류로는 메틸렌블루, 아세트산카민, 헤마톡실린 등이 있다.

 

(3) A260 흡광도 측정

퓨린과 피리미딘이 260nm에서 흡광하는 성질이 있기 때문에 이를 이용하여 핵산의 양을 확인할 수 있다.