- DNA는 폴리뉴클레오티드 사슬로 구성되어 있다.
- 각각의 염기는 선호하는 토토머형을 가진다.
- 이중나선의 두 가닥은 역평행 방향으로 서로 감고 있다.
- 이중나선의 두 사슬은 상보적인 서열을 가진다.
- 이중나선은 염기쌍과 염기중첩에 의해 안정화된다.
- 수소결합은 염기쌍 형성의 특이성을 위해 중요하다.
- 염기는 이중나선으로부터 돌출되어 나올 수 있다.
- DNA는 보통 오른손방향의 이중나선이다.
- 이중나선은 작은홈과 큰홈을 가진다.
- 큰홈은 화학적 정보가 풍부하다.
- 이중나선은 다양한 구조로 존재한다.
- DNA는 때로 왼손방향 나선을 갖기도 한다.
- DNA 가닥은 분리되고 재생될 수 있다.
- 일부 DNA 분자는 원형이다.
DNA 입체구조의 특징
인 당 염기 – 염기 당 인
10개가 하나의 턴이 되는 것을 보여주는 실험
모아서 전기영동하면 동위원소 표지한 잘라서 10개의 bp로 한턴이 돈다 라는 것을 알 수 있다.
2번 탄소자리의 탄소가 떨어져 나가있는 핵산이 DNA이다.
DNA의 단위체는 뉴클레오티드이고
뉴클레오티드는 3개의 구조로 되어 있다.
****
염기는 1번 탄소에 결합되어 있고,
인산기는 5번 탄소에 결합되어 있고,
5탄당은 디옥시리보오스 이다.
뉴클레오티드는 2'-디옥시리보오스로 알려져 있는 당에 인산기와 염기가 결합된 형태이다.
리보오스에서 탄소의 위치는 염기상의 위치와 구별하기 위해 프라임 부호(')를 붙여 표시하고 있다.
두 뉴클레오티드 사이의 인산기 그룹이 3' 을 통해서 에스테르화된 당 하나를,
그리고 5'을 통해서 에스테르화 된 두번째 당을 가지는 것을 인산에스테르 결합이라 한다.
인산에스테르 결합은 폴리뉴클레오티드 사슬의 반복적인 당-인산 골격을 형성하는데, 이것이 DNA의 규칙적인 특징이다.
뉴클레오티드는 디옥시리보오스의 1번 탄소(C-1')과 피리미딘 1번 질소(N-1), 또는 퓨린 9번 질소(N-9) 사이의 글리코시드(Glycoside)결합을 갖고 있으며, 디옥시리보오스의 5번 탄소(C-5')과 인산 사이의 인산에스테르(Phosphoester)결합을 갖는다.
그리고 디옥시리보오스의 3번 탄소(C-3')에 다른 뉴클레오티드의 인산이 인산디에스테르 결합을 함으로써 뉴클레오티드의 중합체 사슬이 형성되고, 이것이 DNA 단일 사슬이다.
즉, 디옥시리보오스와 인산의 반복된 결합이 뼈대(Back bone)를 이루며, 이 뼈대에 4 종류의 염기들이 무작위한 순서로 결합될 수 있는 구조이다.
그리고 DNA나 염기의 순서 등을 나타낼 때 항상 기재하는 DNA의 3' 말단과 5' 말단은 바로 디옥시리보오스의 탄소 위치에 따른 것이다.
간단히 말해 3'말단은 당, 5'말단은 인산이며, 두 개의 DNA 단일 사슬은 서로 방향이 교차되어있어 한 쪽 사슬의 5' 말단 염기는 반대쪽 사슬의 3' 말단 염기와 결합되어 있다.
DNA의 염기는 퓨린과 피리미딘 두가지 부류로 나뉜다.
염기는 퓨린계와 피리미딘계로 구분할 수 있으며, 피리미딘에는 시토신(Cytosine)과 티민(Thymine)이, 퓨린에는 아데닌(Adenine)과 구아닌(Guanine)이 해당된다.
아데닌과 구아닌은 두 개의 고리구조로 되어있다.
마찬가지로 하나의 고리구조로 되어있는 시토신과 티민이 있다.
피리미딘과 퓨린은 수소결합을 통해 상보적으로 결합할 수 있는데, 시토신:구아닌(C:G), 티민:아데닌(T:A)끼리만 결합이 가능하다.
어째서인가? 그야 염기들의 구조가 서로 다르니까.
수소 결합을 하기 위해선 쌍극자 모멘트를 가져 분자 내에서 부분적으로 + 전하와 - 전하를 가져야 하는데, 이게 분자들끼리 서로 구조가 들어맞지 않으면 결합이 불가능하다.
같은 위치에 둘 다 + 나 - 전하를 띄고 있을 경우, 당연히 정전기적 척력이 발생하게 될테니까. 한 쪽이 + 전하를 띄고 있다면, 반대편에선 - 전하를 띄고 있어야 수소 결합이 이루어질 수 있다.
C:G 간의 수소 결합은 3중결합, T:A 간의 수소 결합은 2중 결합으로 이루어져 있다.
하지만 꼭 C:G, T:A 끼리만 결합하는 것은 아니다. 아니 이게 무슨 소리요.
각각의 염기는 선호하는 토토머형을 가진다
각각의 염기는 두 가지 서로 다른 토토머형(tautomeric state)으로 존재하는데, 이것들은 서로 평형을 이루고 있다.
아데닌(A)과 시토신(C) 고리에 붙어 있는 질소 원자는 아미노 형태가 우세하며, 이미노 배열로 존재하는 경우는 매우 드물다.
마찬가지로, 구아닌(G)과 티민(T)에 붙은 산소원자는 보통 케토형태를 가지며, 에놀 배열을 취하는경우는 매우 드물다.
A,G,T,C 는 이성질체로 존재할 수 있다.
G와 T는 케토머, 에놀머 로 존재할 수 있고
A와 C는 아미노, 이미노 로 존재할 수 있다.
피리미딘과 퓨린은 각각 두 종류의 이성질체(Isomer)를 갖는데 우리가 이미 잘 알고 있던 형태는 아미노(Amino, 피리미딘) 형태와 케토(Keto, 퓨린) 형태이다.
거의 대부분의 염기는 아미노, 케토 형태를 갖고 있으며 위에서도 볼 수 있다시피 T:A, C:G 간의 정상적인 결합이 일어난다.
그러나 매우 드물게 이미노(Imino, 피리미딘) 형태와 에놀(Enol, 퓨린) 형태가 나타날 수 있는데, T:G, C:A 간의 비정상적인 염기 결합을 유도하여 DNA 복제 또는 전사과정에서 일어나는 오류의 원인 중 하나다.
이것을 특별히 염기의 토토머(Tautomer)형이라고 부르며 아미노-이미노(피리미딘), 케토-에놀(퓨린) 형태 간 평형을 이루고 있다. 나중에 좀 더 자세히 말할 기회가 있을 것이다.
(한 쪽으로 극단적으로 치우친 형태의 평형이므로 염기의 토토머형에 의한 문제는 생각보다 자주 일어나지는 않는다)
어쨌거나, 수소 결합은 DNA의 이중나선 구조를 형성하는 데에도 큰 영향을 끼치게 되는데, 당-인산 뼈대의 2차 구조를 지지하는 강력한 힘이 된다.
(단백질의 2차 구조와 비슷한 면이 있다)
따라서, 보통 흔히 말하는 B-DNA의 경우 10bp(Base pair)당 1바퀴 꼬이게 되며, 폭은 2nm, 간격은 3.4nm이다.
(하지만 이건 이상적인 조건에서의 B-DNA이고, 실제 수용액 내에선 평균적으로 10.5bp당 1바퀴 꼬이게 된다)
아니 DNA면 DNA지 B-DNA는 또 뭡니까?
아직 설명이 끝나지 않았다. 다음 포스트에서 설명할테니 조금만 기다려 달라.
어쨌거나, 위의 모식도에서도 나타나 있지만 DNA 이중나선에는 넓은 홈(Major groove)과 좁은 홈(Miner groove)이 있는데 넓은 홈의 폭은 대략 2.2nm 정도이며, 좁은 홈의 폭은 대략 1.2nm 정도다.
넓은 홈과 좁은 홈이 구분되는 이유는, 당과 염기가 서로 이루는 각도가 좁은 각으로는 120도, 넓은 각으로는 240도를 이루는 구조적 특징 때문이다. (위의 모식도를 보면, 염기와 당의 결합이 서로 cis 형태로 굽은 모양을 하고 있는 것이 보일 것이다)
그렇다면 이것은 무엇을 시사하는가?
DNA를 다루는 여러 효소들(전사효소, 제한효소 등)은 DNA의 특정 염기서열(Sequence)를 인식하여 결합한다.
DNA의 염기서열을 인식하기 위해선 염기들을 인식해야 한다. 그러나 DNA는 굉장히 안정한 구조로써 염기는 내부에 위치하고 외부에는 당-인산 뼈대가 위치하고 있다.
그렇기 때문에 이들 효소들은 나선의 홈을 통해 염기를 인식하게 되는데, 넓은 홈이 좁은 홈 보다 염기의 작용기들이 더 많이 노출되어 있어 인식하기도 쉬울 것이다.
실제로도 대부분의 효소들은 우선 DNA의 넓은 홈을 통해 염기(특히 작용기)를 인식하고 넓은 홈에 끼어들어가 결합한 후에 DNA를 자르거나, 수선하거나, 사슬을 푼다.
(특히 전사 또는 복제과정에서 잘 드러나는데, 효소가 DNA 이중나선의 넓은 홈에 결합한 상태로 나선을 타고 빙빙 돌면서 사슬을 풀게 된다)
자, 이 쯤에서 한 가지 알아두면 좋을 사실이 있다.
DNA는 종종 하나의 염기가 나선 밖으로 튀어나가는 경우가 있다.
이렇게 될 경우, 그 염기는 메틸화(Methylation)되거나, 또는 손상된 염기를 제거하는 특정한 효소의 활성 부위에 기질로써 쉽게 작용할 수 있다. (즉, 잘못된 것이므로 아예 작동을 꺼버리거나 수선하는 것이다)
또한, DNA 수선 효소들이 비상보적인 잘못된 염기를 검사하거나 수선할 때에도 기존의 나선에서 염기를 하나하나 밖으로 돌출시켜서 확인하는 것으로 여겨지고 있다.
아미노 A = 케토 T
케토 G = 아미노 C
이중결합의 배치에 따라서 아미노 form 이미노 form으로 존재할 수 있다.
단 아미노 form이 훨씬 더 안정한 상태라서 대부분 아미노 form으로 존재한다.
에놀 => 알코올기 OH
아데닌도 아미노 form이 일반적인 형태이다.
그러나 Tautomer 때문에 돌연변이가 생길 수 있다.
DNA의 Tautomer 때문에 약간의 염기의 변화가 온다.
일반적으로 T 와 G는 케토이지 에놀이 아니다.
또한 A와 C도 아미노이지 이미노가 아니다.
4개의 염기는 토토머 형을 가질 수 있다.
분자 내에 들어있는 수소와 이중 결합할 수 있다.
이미노형이 되면 A는 C와도 결합할 수 있게 된다.
위는 생물체 자체 고유의 특성 때문에 생기는 자발적 돌연변이이다.
아미노형의 C는 G와 결합하는데
돌연변이가 일어난 이미노형의 C는 A와 결합한다.
이런 돌연변이는 자발적인 화학변화에 의한 돌연변이이다.
열역학적으로 안정한 형태가 아미노형과 케토형이기 때문에 잘 나타나진 않는다.
이미노와 에놀형은 열역학적으로 불안정하다.
4번에서 유전정보를 어느 정도의 변이를 수용해야한다 의 예가 바로 토토머 형이다.
앞쪽이 major면 뒷쪽은 minor 그룹이다.
Magor 그룹에는 화학적 정보가 더 많다. 그래서 AT 쌍인지 GC 쌍인지 더 확실히 알 수 있다.
치우쳐져서 연결 되어있기 때문에 좁은 홈과 넓은 홈이 존재한다.
좁은 홈 넓은 홈
DNA에 다른 생체 고분자가 결합할 때, 즉 단백질의 인지와 결합에 중요하다
염기쌍을 인식하고 염기쌍 특이적으로 결합할 때 중요하다.
이중나선은 다양한 구조로 존재한다.
위에서 B-DNA라는 말을 한 바 있다. DNA는 DNA지 B-DNA는 또 무엇인가?
DNA의 종류는 지금까지 3종류가 알려져 있는데 A형 DNA(A-DNA), B형 DNA(B-DNA), Z형 DNA(Z-DNA)가 있다.
이 중 가장 흔하게 찾아볼 수 있는 형태는 B-DNA 형태로, 앞 포스트에서 나왔던 DNA도 B-DNA다.
순서대로 A-DNA, B-DNA, Z-DNA 순이다.
자세히 보면 A-DNA와 B-DNA는 반시계방향(Right-handed)으로 꼬여있는 형태이며, Z-DNA는 시계방향(Left-handed)으로 꼬여있는 형태이다.
여기서, 반시계방향(오른손감기)는 무엇을 기준으로 하는가?
B-DNA를 사진과 같이 바닥에 수직으로 세운 후에 위에서 바라보면, 반시계방향으로 빙글빙글 돌면서 올라오는 것을 볼 수 있다.
(오른손 엄지손가락을 세우고 네 손가락으로 DNA를 감싸는 식으로 잡는다면, 엄지손가락이 가리키는 곳으로 감으며 올라갈 수 있다)
이들 각각의 대략적인 차이는 다음과 같다.
잘 보면, 염기쌍(Base pair)끼리의 거리는 B보다 A가 더 짧고 나선 직경은 B보다 A가 더 크다는 것을 알 수 있다.
실제로 A-DNA는 B-DNA를 위에서 누른 듯한 형태를 띄고 있으며, 직경이 더 넓어졌기 때문에 1회전 당 염기쌍 역시 11쌍 정도이다.
그런데 우리는 대부분 B-DNA에 대해서만 열심히 공부했었다. 왜 그랬을까? 헷갈릴 것 같아서?
A-DNA와 Z-DNA의 형태가 다르니 이들 역시 무언가 하는 일이 있지 않을까?
아쉽지만 그것은 아니다. A-DNA는 대부분 실험실에서 DNA를 추출한 후에 탈수시켰을 때, B-DNA의 형태가 변한 형태다.
그렇기 때문에 A-DNA는 우리 몸에서 쉽게 찾아볼 수 있는 형태가 아니다. 하지만 미라라면 어떨까?
어째서 저렇게 변하는가? DNA는 많은 수의 인산기로 인해 상당한 음전하(- charge)를 띄고 있다.
이 음전하는 평소에 Na+, K+와 같은 양이온이나 물 분자의 부분적 양전하(+ charge)를 띄는 부분이 결합하여 척력을 줄여주게 된다.
그런데 이런 극성 분자들이 사라지게 되면 DNA 사슬 사이의 척력이 발생해 서로를 밀어내게 되고, 결과적으로 회전축이 비틀려 옆으로 넓게 퍼진 형태를 띄게 되는 것이다.
즉, 정확하게 말하면 B-DNA를 위에서 눌러 옆으로 퍼진 형태가 아니라 옆으로 퍼졌기 때문에 내려앉은 형태다.
DNA는 때로 왼손방향 나선 형태를 갖기도 한다.
그렇다면 Z-DNA는 대체 어떤 놈인가? 이놈은 갑자기 왜 시계방향(왼손 방향) 꼬임을 갖고 등장하여 우리를 놀라게 하는가?
Z-DNA는 실제로 우리 몸에서도 종종 발견된다. 아니 어디서요?
Z-DNA는 음성 초나선(Negative supercoil)을 갖는 DNA의 전사 혹은 복제 때 잠깐 나타나거나, 혹은 음성 초나선 내에서 매우 적은 비율로 존재하는 것으로 여겨진다.
(사실상 우리 몸의 DNA는 거진 다 음성 초나선 형태로 꼬여있다. 초나선에 대해선 다음 포스트에서 다룰 것이다)
그럼 얘들이 무슨 역할을 하죠?
그건 아직까지 명확하지 않다. 다만, 음성 초나선을 풀어 전사를 하는 과정에서 나타나는 비틀림 응력을 완화하는 역할을 하는게 아닌가 하고 여겨지고 있다.
이미지 상으로는, 과도하게 꼬여 있는 밧줄을 순간적으로 칼로 탁 끊으면 휘리릭 돌아서 반대방향으로 감기는 것을 생각하면 조금 이해가 수월할 것이다.
그런데 Z-DNA는 왜 반대로 꼬이나요?
이 사진은 뉴클레오시드(Nucleoside)의 글리코시드(Glycoside) 결합 형태를 나타낸 것이다.
A-DNA, B-DNA의 경우, 모든 글리코시드 결합이 anti 형을 이루고 있다. 교과서나 교재에 나타난 것들을 봐도 전부 anti 형일 것이다.
syn 형은 anti와 방향이 반대로 결합한 것이다. 굳이 글리코시드 결합을 끊었다가 재결합 할 필요없이 단순히 결합한 곳을 축으로 삼아 염기를 180도 빙글 돌리면 형태가 손쉽게 바뀐다.
Z-DNA는 피리미딘 잔기에선 anti 결합을 하고 있고, 퓨린 잔기에선 syn 결합을 하고 있는데, 그 결과 저런 형태의 시계방향(왼손 방향) 꼬임이 나타나게 된다.
(대신에 구조가 상당히 느슨하고 B-DNA를 잡아 늘린 듯한 형태를 하고 있다)
따라서 Z-DNA를 추출하여 용액에 풀어놓게 되면 인산기의 음전하를 충분히 상쇄시킬 정도의 양이온(Na+, K+ 등)을 투입해주어야 구조를 유지할 수 있다.
그렇지 않으면 음전하 사이의 척력으로 인해 곧바로 전형적인 반시계 방향의 DNA로 돌아가버리고 만다.
DNA를 구성하는 두 사슬을 결합하고 있는 수소결합은 비공유결합 중에선 강한 힘이지만 열을 가하거나 높은 pH조건에서 쉽게 분리될 수 있다.
이 과정을 변성(Denaturation)이라 하는데, 이렇게 단일 사슬로 분리된 DNA 단일 사슬을 다시 냉각시키거나 pH를 회복시켜주면 본래의 DNA 이중나선을 형성하게 된다.
PCR이나, 서던 블로팅(Southern blotting), DNA 마이크로어레이(Microarray) 등은 이것을 활용한 기술이지만 여기에선 굳이 설명하지 않겠다.
그렇다면 DNA가 이중나선 구조에서 단일사슬 구조로 변성되는 것을 어떻게 확인할 수 있을까?
DNA, 그 중에서도 염기들은 자외선을 흡수할 수 있는데, 이중나선 구조일때는 꼬이는 과정에서 염기들이 규칙적으로 겹쳐지는 현상이 나타나기 때문에 자외선의 흡광도가 단일사슬일 때보다 낮다.
(자외선 중에서도 260nm 대역의 자외선을 가장 잘 흡수한다)
DNA를 버퍼(Buffer)에 집어넣고 천천히 열을 가하면서 흡광도를 측정하면 흡광도는 서서히 증가하다가 어느 지점에 이르러서 급격하게 증가한다.
이 때가 바로 이중나선 구조가 단일사슬 구조로 변성된 지점이다. 이 지점을 Tm, 즉 융점(Melting point)라 부른다.
DNA의 Tm은 DNA의 종류마다 각각 다른데, DNA의 길이가 길수록 Tm은 높아지며, 초나선을 이루고 있을 때에도 Tm은 높아지게 된다.
(특히 극호열균이 갖고 있는 양성 초꼬임 형태를 하고 있을땐 Tm이 급격히 증가한다)
또한, 염기쌍 비율에서 삼중수소결합을 하고 있는 G-C 염기쌍의 비율이 높을수록 Tm은 높아지며, DNA를 안정화시킬 수 있는 양이온의 농도가 높을때도 Tm은 높아지게 된다.
(양이온은 DNA를 안정화 시킨다. DNA는 무슨 전하를 띄고 있다?)
B form 이나 A form 이나 전부 옳은 나선구조이다.
또 다른 나선구조인 Z form 은 반대방향으로 돌고 있어서 왼선나선 구조이다.
Z form은 특정 조건 하에서만 형성이 가능하다.
Salt의 양이 많으면 반대 방향으로 감아진다.
지그재그로 꺾이면서 돈다 -> Z-DNA
이중나선구조가 유지되려면 양전기적인 요소가 있어야 이중나선 주변이 전기적으로 중성이 되고 두 사이의 거리가 가까워져서 수소결합이 이루어질 수 있다.
수소결합이 깨질 수도 있다.
열을 가하면 수소결합에 관여했던 원자들의 운동에너지가 증가하기 때문이다.
변성(Denaturation) : 두 가닥이 풀어지는 것
재생(Renaturation) : 두 가닥이 다시 붙는 것
분리되어도 상보될 수 있는 짝이 있기 때문에 다시 수소결합 할 수 있다.
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