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1 Chapter 10 DNA 의구조와기능 PowerPoint Lectures for Campbell Essential Biology with Physiology, Third Edition Eric Simon, Jane Reece, and Jean Dickey

1918 년과 1919 년사이꼭 18 개월동안전세계적으로약 4,000 만명이사망함

2 우리와함께하는생물학 : 살인범추적하기 독감바이러스는세상에서가장치명적인병원체중의하나임 [ 그림 10.0] 미국에서매년 20,000 명이상이독감감염으로사망함 년과 1919 년사이꼭 18 개월동안전세계적으로약 4,000 만명이사망함 독감백신이공중보건을지키는최선의방법임 독감바이러스는돌연변이가신속하게일어나므로, 매년새로운백신이만들어져야만함

3 그림 10.0 독감바이러스사람을죽일수도있지만독감은단백질과핵산으로이루어진상대적으로아주단순한바이러스에의해일어난다.

4 DNA: 구조와복제 DNA 가 세포에있는화학물질이라는것이 1800년대말엽에알려졌으며 유전정보를저장하고능력을가지며 복제되고그런다음세대로전달될수있다

5 10.1 DNA 와 RNA 의구조 DNA 와 RNA 는핵산임 이들은뉴클레오티드 (nucleotide) 라부르는화학적단위 ( 단량체 ) 로이루어져있다 [ 그림 10.1] 이들뉴클레오티드는당 - 인산골격 (sugar-phosphate backbone) 에의해서로연결되어있다 DNA 와 RNA 의구조 (Animation: DNA and RNA Structure) 허시와체이스의실험 (Animation: Hershey-Chase Experiment)

6 그림 10.1 DNA 폴리뉴클레오티드의화학구조 인산기 질소성염기 당 뉴클레오티드 질소성염기 (A 나 G 나 C 나 T 일수있다 ) 티민 (T) DNA 이중나선 인산기 당 ( 디옥시리보오스 ) 폴리뉴클레오티드 당 - 인산골격 DNA 뉴클레오티드

7 DNA 를구성하는네종류의뉴클레오티드는질소성염기만서로다른데, 이들염기는 티민 (thymine, T) 시토신 (cytosine, C) 아데닌 (adenine, A) 구아닌 (guanine, G) 이다 RNA 는티민대신우라실 (uracil, U) 을갖는다

8 10.2 왓슨과크릭이발견한이중나선 왓슨과크릭은 DNA 가이중나선 (double helix) 으로되어있음을밝혀냄 왓슨과크릭은 DNA 의기본구조를밝히기위해 X 선 - 결정사진자료를사용하였음 이 X 선 - 결정사진은로잘린프랭클린이찍은자료였다 이 DNA 모델은단단한나무가로발판이매달려있는줄사다리가나선으로꼬여있는것과같은구조인데, 양쪽에있는밧줄은당 - 인산골격을나타내며 각나무가로발판은수소결합으로연결된염기쌍을나타낸다

9 DNA 염기는상보적인방식으로쌍을이루는데, [ 그림 10.2] A 는 T 와쌍을이루며 G 는 C 와쌍을이룬다 DNA 이중나선의구조 (Blast Animation: Structure of DNA Double Helix) DNA 에서수소결합 (Blast Animation: Hydrogen Bonds in DNA) DNA 이중나선 (Animation: DNA Double Helix)

10 그림 10.2 DNA 를표현하는세가지방법 수소결합 (a) 리본모델 (b) 원자모델 (c) 컴퓨터모델

11 10.3 DNA 복제 세포가생식할때완전한 DNA 복사본이한세대에서다음세대로전달되어야함 DNA 에대한왓슨과크릭의모델은즉시각 DNA 는주형메커니즘에의해복제하리라는것을암시하고있었음 [ 그림 10.3] DNA 복제의개관 (Animation: DNA Replication Overview) DNA 복제의복습 (Animation: DNA Replication Review)

12 그림 10.3 DNA 복제 어버이 ( 헌 ) DNA 분자 딸 ( 새 ) 가닥 딸 DNA 분자 ( 이중나선 )

13 DNA는자외선에의해손상될수있음 DNA 중합효소 (DNA polymerase) 는 효소이며 새로운 DNA 가닥의뉴클레오티드사이에공유결합을만들고 손상된 DNA의수선에도관여한다

14 진핵생물에서 DNA 복제는 복제기점이라고불리는이중나선의특정위치에서시작되며 양방향으로진행된다 지연가닥 (Animation: Lagging Strand) 선도가닥 (Animation: Leading Strand) 복제기점 (Animation: Origins of Replication)

15 DNA 에서 RNA 를거쳐단백질로흐르는유전정보 DNA 가세포와생물에유전지령으로써기능을함 이들지령이어떻게수행되는가?

16 10.4 생물의유전자형이표현형을어떻게결정하나 생물의유전자형은그생물의유전자구성, 즉 DNA 에있는뉴클레오티드염기의서열을말함 표현형은그생물의물리적인형질을말하는데, 그것은다양한단백질의작용에의해생김 DNA 는두단계를통해단백질을만들어내는데, [ 그림 10.4] DNA 의유전정보를 RNA 분자로옮기는전사 (transcription) 와 RNA 에있는정보를단백질로옮기는해독 (translation) 이다 한유전자의기능은하나의폴리펩티드의생산을명령하는것임 단백질이두개이상의폴리펩티드사슬로이루어질수도있음

17 그림 10.4 진핵세포에서유전정보의흐름 핵 DNA 전사 RNA 해독 단백질 세포질

18 10.5 뉴클레오티드에서아미노산으로 : 개관 DNA 에있는유전정보가 RNA 로전사되고 그런다음폴리펩티드로해독된다 무엇이핵산의언어인가? DNA 에서그것은한줄로된뉴클레오티드염기의서열임 [ 그림 10.5] 보통유전자는수천개의뉴클레오티드로되어있음 DNA 한분자는수천개의유전자를가지고있음 DNA 의한부분이전사되면, 그결과로얻어지는것은 RNA 분자임 그런다음 RNA 는폴리펩티드의아미노산서열로해독됨

19 그림 10.5 코돈의전사와해독 유전자 1 유전자 2 유전자 3 DNA 분자 DNA 가닥 전사 RNA 해독 폴리펩티드 코돈 아미노산

20 RNA 메시지가폴리펩티드로해독되는규칙은어떤것인가? 코돈 (codon) 이라는것은 3 개의염기로이루어진 3 염기조를말하는것인데, 이것은한아미노산의암호에해당함

21 10.6 유전암호 유전암호 (genetic code) 는 뉴클레오티드서열과아미노산서열사이를연결하는한세트로된규칙을말하며, [ 그림 10.6] 모든생물에서같이사용된다 64 개의 3 염기조중에서 61 개가아미노산을지정하는아미노산의맘호에해당하고 다른 3 개는폴리펩티드의끝을나타내는종결코돈이다

22 RNA 코돈의첫번째염기 그림 10.6 RNA 코돈으로표시된유전암호사전 RNA 코돈의세번째염기 RNA 코돈의두번째염기 페닐알라닌 (Phe) 류신 (Leu) 세린 (Ser) 티로신 (Tyr) 종결 종결 종결 Cysteine (Cys) 트립토판 (Trp) 류신 (Leu) 프롤린 (Pro) 히스티딘 (His) 글루타민 (Gln) 아르기닌 (Arg) 이소류신 (Ile) 메티오닌또는개시 트레오닌 (Thr) 아스파라긴 (Asn) 리신 (Lys) 세린 (Ser) 아르기닌 (Arg) 발린 (Val) 알라닌 (Ala) 아스파르트산 (Asp) 글루탐산 (Glu) 글리신 (Gly)

23 10.7 전사 : DNA 에서 RNA 로 전사는 DNA 주형으로부터 RNA 를만드는것을말하며 [ 그림 10.7a] DNA 복제와닮은과정을사용하는데 U 가 T 를대신하고있다 RNA 뉴클레오티드는 RNA 중합효소 (RNA polymerase) 에의해연결됨 한유전자의전사과정 [ 그림 10.7b]

24 그림 10.7 전사 RNA 중합효소 유전자의 DNA 프로모터 DNA 개시 종결신호 DNA RNA 중합효소 RNA 뉴클레오티드 RNA 신장 종결 왼쪽의 (a) 에서보았던부분 신장중인 RNA 새로만들어진 RNA 전사의방향 DNA 의주형가닥 완성된 RNA RNA 중합효소 (a) 전사의상세한모습 (b) 한유전자의전사

25 전사의개시 전사시작 을알리는신호에해당하는뉴클레오티드서열을프로모터 (promoter) 라부름 전사의첫번째단계는개시단계인데, 여기에서 RNA 중합효소가프로모터에부착하여 RNA 합성의시작된다

26 RNA 신장 전사의두번째단계인신장단계에서 RNA 가점점길어지며 RNA 가닥의그부위는 DNA 주형으로부터떨어져나온다 전사 (Blast Animation: Transcription) RNA 의역할 (Blast Animation: Roles of RNA)

27 전사의종결 전사의세번째단계인종결단계에서 RNA 중합효소가주형에있는종결신호 (terminator) 라고부르는특정 DNA 염기서열에도달하게되면 RNA 중합효소는 RNA 로부터떨어져나오고 DNA 가닥은다시재결합한다

28 10.8 진핵세포 RNA 의가공 전사후에 진핵세포의경우에는 RNA 가공이일어나지만 그러나원핵세포에서는가공이일어나지않는다 RNA 가공과정에서는 [ 그림 10.8] 모자 (cap) 와꼬리 (tail) 가첨가되며 인트론 (intron) 들이제거되고 엑손 (exon) 이서로연결되어 mrna가만들어진다 전사 (Animation: Transcription)

29 그림 10.8 진핵세포에서전령 RNA(mRNA) 의생산 DNA 모자와꼬리를가진 RNA 전사체모자 모자 전사모자와꼬리의첨가 제거된인트론 꼬리 엑손이서로연결 mrna 암호서열 핵 세포질

30 10.9 해독 : 선수들 해독은핵산언어를단백질언어로전환하는것에해당함 전령 RNA(mRNA) 해독에필요한성분은 mrna와 ATP와 효소와 리보솜과 운반 RNA(tRNA) 이다

31 운반 RNA(tRNA) 운반 RNA(tRNA) 는 [ 그림 10.9] 분자통역자로행동하며 아미노산을운반하고 안티코돈 (anticodon) 을사용하여 mrna 의코돈과아미노산을서로맞물리게만들어준다

32 그림 10.9 trna 의구조 아미노산부착부위 수소결합 RNA 폴리뉴클레오티드사슬 trna 폴리뉴클레오티드 ( 리본모델 ) 안티코돈 trna ( 단순하게표시 )

33 리보솜 리보솜은세포소기관인데, [ 그림 10.10a] mrna 와 trna 의기능을조정하는데 두개의단백질소단위로이루어져있으며 리보솜 RNA(rRNA) 를포함하고있다 완전히조립된리보솜은해독에사용할 mrna 와 trna 를붙잡음 [ 그림 10.10b]

34 그림 리보솜 폴리펩티드에첨가될다음아미노산 trna 결합부위 P 자리 A 자리 신장중인폴리펩티드 mrna 결합부위 큰소단위 작은소단위 Ribosome mrna 코돈 trna (a) 리보솜의단순한그림 (b) 해독에서 선수들.

35 10.10 해독 : 과정 해독과정은전사와마찬가지로 3 단계로나눌수있는데, 개시와 신장과 종결이다

36 개시 개시는 mrna 와 [ 그림 10.11] 첫번째아미노산인 Met 가결합되어있는 trna 와 리보솜의두소단위들을함께모이게된다 mrna 분자는리보솜에결합하도록돕는모자와꼬리를가지고있음 개시는두단계로일어나는데, [ 그림 10.12] 먼저 mrna 분자는작은리보솜소단위와결합하고, 그런다음개시 trna 가개시코돈 (start codon) 에결합한다 그다음큰리보솜소단위는작은소단위와결합하여기능을갖춘리보솜이만들어지게된다 해독 (Blast Animation: Translation)

37 그림 mrna 분자 모자 유전정보의시작 끝 꼬리

38 그림 해독의개시 개시 trna mrna Met P 자리 리보솜의큰소단위 A 자리 개시코돈 리보솜의작은소단위

39 신장 신장은세단계로일어나는데, [ 그림 10.13] 1 단계코돈인지 (codon recognition): 들어오는 trna 분자의안티코돈은리보솜의 A 자리에있는 mrna 코돈과염기쌍을이룬다 2 단계펩티드결합형성 (peptide bondformation): P 자리에있는 trna 에붙어있던폴리펩티드는분리되어 A 자리에있는 trna 에붙어있는아미노산에부착되는데 이때리보솜은두아미노산사이에펩티드결합의형성을촉매한다

40 그림 폴리펩티드의신장 폴리펩티드 아미노산 P 자리 mrna 코돈코돈인지 안티코돈 A 자리 신장 종결코돈 새로운펩티드결합 펩티드결합형성 mrna 이동 전이

41 3 단계전이 (translocation): P 자리의 trna 는리보솜을떠나가고 폴리펩티드를지닌 trna 는 A 자리에서 P 자리로이동하여옮겨간다 해독 (Animation: Translation)

42 종결 신장은 리보솜이종결코돈 (stop codon) 에이르게되고 완성된폴리펩티드가떨어져나오고 리보솜은소단위로해체될때까지계속된다

43 10.11 복습 : DNA RNA 단백질 진핵세포에서유전정보는, 핵안에서는 DNA 로부터 RNA 로, 그리고세포질에서 RNA 로부터단백질로흐름 일단폴리펩티드가만들어지면, 그것은 꼬이고접혀져서 3 차원의형태, 즉 3 차구조를만든다 여러개의폴리펩티드가함께모여 4 차구조를갖는단백질을만들기도함 전사와해독은유전자가 세포의구조와 활동을조절하는방법이다

44 10.12 돌연변이 돌연변이 (mutation) 는 DNA 뉴클레오티드서열에서어떤변화가생긴것을말함 돌연변이는한단백질에아미노산을바꿀수도있음 돌연변이는 염색체의큰부위가 또는낫적혈구병에서처럼단하나의뉴클레오티드쌍만관련될수있다

45 돌연변이의유형 한유전자내에일어나는돌연변이는 [ 그림 10.14] 하나의염기가다른염기로대체되는염기치환이나 뉴클레오티드를잃게된뉴클레오티드의결실이나 뉴클레오티드가첨가되는뉴클레오티드삽입의결과로일어난다 삽입또는결실된돌연변이는 유전메시지의해독틀이변할수있어서 심각한결과를초래할수있다

46 그림 두종류의돌연변이와그영향 정상유전자의 mrna 와단백질 (a) 염기치환 결실된 (b) 뉴클레오티드결실삽입된 (c) 뉴클레오티드삽입

47 돌연변이원 돌연변이는 DNA 복제과정에서실수나 돌연변이원 (mutagen) 이라는물리적그리고화학적요인에의해일어난다 돌연변이는자주해로운영향을미치지만, 이것은생물계에서자연선택에의한진화에필요한유전자다양성의출처가됨

48 바이러스와그밖의다른비세포성감염체 바이러스는살아있는생물체의특성전부는아니지만몇몇특성을보여주는데, 바이러스는 핵산형태의유전물질을가지고있으며 세포로되어있지않으며스스로생식할수는없다

49 10.13 박테리오파지 박테리오파지 (bacteriophage) 또는간단히파지 (phage) 라고도부르는이것은, 세균을공격하는바이러스를말함 [ 그림 10.15] 파지는두가지생활사를가짐 (1) 용균성생활사 (lytic cycle) 에서는 복제된많은파지가세균세포안에서만들어진다음 세균은용해 ( 부수어져열리게 ) 된다 (2) 용원성생활사 (lysogenic cycle) 에서는 파지 DNA 가세균의염색체에삽입되며 매세포분열마다파지가복제되면서세균은정상적으로생식한다 T2 파지의증식생활사 (Animation: Phage T2 Reproductive Cycle)

50 그림 세균세포에감염하는박테리오파지 ( 바이러스 ) 머리 박테리오파지 ( 길이 200 nm) 꼬리 꼬리섬유 세균세포 바이러스의 DNA Colorized TEM

51 10.14 식물바이러스 식물세포에감염하는바이러스는 식물의성장을저해하며 생산량을감소시키고 식물전체로퍼져나간다 식물바이러스병은 치료방법이없고 바이러스감염에내성을갖는식물품종을개발하는것이최선의예방법이다 람다파지의용원성및용균성생활사 (Animation: Phage Lambda Lysogenic and Lytic Cycles ) T4 파지의용균성생활사 (Animation: Phage T4 Lytic Cycle)

52 10.15 동물바이러스 동물세포에감염되는바이러스는 질병의보통의원인이며 [ 그림 10.16] RNA 나 DNA 게놈을가질수있다 일부동물바이러스는보호외피막으로서약간의숙주세포막을차용함 외피막바이러스의증식생활사는 7 단계로나눌수있음 단순화한바이러스증식생활사 (Animation: Simplified Viral Reproductive Cycle)

53 그림 독감바이러스 단백질돌기 외피막 RNA 단백질외투

55 과학연구의과정 : 독감백신이과연노인을보호하는가? 관찰 : 노인의백신접종이 1980 년에 15% 이던것이 1996 년에는 65% 로증가되었다 의문 : 독감백신이백신접종을받은노인들의사망률을감소시키는가? 가설 : 면역이된노인에서는백신접종후에맞이한겨울에병원입원과사망이더적을것이다 실험 : 1990 년대 10 번의독감계절동안에 65 세이상의사람수만명을추적하였다.

56 결과 : 백신을접종한사람은 [ 그림 10.17] 다음독감계절에병원에입원할가능성은 27% 이하였고 사망할가능성은 48% 이하였다 HIV 의구조 ( Blast Animation: HIV Structure)

57 백신접종그룹에서심각한병과사망의백분율감소 그림 노인에서독감백신의효과 입원 겨울기간 ( 독감계절 ) 사망 0 여름기간 ( 비독감계절 )

58 10.16 에이즈바이러스인 HIV HIV 는 DNA 분자를재생산하는 RNA 바이러스, 즉레트로바이러스 (retrovirus) 임 [ 그림 10.18] 레트로바이러스는 RNA 를주형으로하여 DNA 를합성하는역전사효소 (reverse transcriptase) 를사용함 HIV 는보호외피막으로서숙주의세포막을차용함 감염된세포에서 HIV 핵산의행동을 6 단계로나눔 에이즈치료전략 (Blast Animation: AIDS Treatment Strategies) HIV 증식생활사 (Animation: HIV Reproductive Cycle)

59 그림 에이즈바이러스인 HIV 표면단백질 외피막 단백질외투 RNA (2 개의동일한가닥 ) 역전사효소

60 에이즈 (AIDS, [acquired immunodeficiency syndrome, 후천성면역결핍증 ]) 는 에치아이비 (HIV, 사람면역결핍바이러스 ) 감염이그원인이며 모두바이러스의증식을방해하는약제로치료한다 [ 그림 10.19]

61 그림 AZT 와 T 뉴클레오티드 티민 (T) T 뉴클레오티드한부분 AZT

62 10.17 비로이드와프리온 바이러스는작고단순하지만그러나이들보다더작은두종류의병원체인비로이드와프리온이있는데, 비로이드는단백질을암호화하지않는작은원형 RNA 분자이고 프리온 (prion) 은정상단백질분자를잘못접힌프리온버전으로전환시키는잘못접힌단백질분자를말한다 프리온은퇴행성뇌질환을일으키는데, 여기에는 광우병과 양과염소의스크래피와 사슴과엘크에서만성쇠약병과 사람의크로이츠펠트야콥병이있다

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<4D F736F F F696E74202D20312DC0AFC0FCC0DAC0C7BAD0C0DABBFDB9B0C7D0205BC8A3C8AF20B8F0B5E55D> 주제 (1) 유전자의분자생물학 생명과학 : 개념과현상의이해 9 판 (Pearson) 10 장 유전물질의구조 : 1~3 DN 복제 : 4~5 DN 에서 RN 로그리고단백질로의유전정보의흐름 : 6~15 겸상적혈구빈혈증 ( 낫모양적혈구빈혈증 ) 1 21 삼염색체성 21 삼염색체성 ( 다운증후군 ) 그림암세포발달중의돌연변이축적과정 2 그림 1.2_1 그림 1.2_2