DNA & Double Helix 물리현상의 원리 8조
DNA & Double Helix 물리학과 생명과학(DNA) X선 회절 DNA 구조 DNA와 자외선 Human Genome Project와 인간복제 21세기의 생명과학
물리학과 생명과학 현미경 DNA의 발견 DNA 구조 연구
현미경 사람의 눈으로 관찰이 불가능한 미세한 물질을 광학 렌즈와 적당한 빛을 이용하여 표본을 자신이 원하는 크기로 확대시켜 주는 것
눈의 구조 구조상 사진기와 비슷
현미경 광선의 원리
DNA의 발견 미셔는 환자의 고름이 묻은 천에서 Nuclein(DNA 포함 물질)을 발견하였다.
DNA 구조 연구의 선구자들 Erwin Chagarff Linus Pauling Rosalind Franklin Mauris Wilkins James Dewey Watson Francis Crick
Erwin Chagarff A-T, G-C의 염기만이 서로 결합한다는 상보성을 보여주는 실험 결과 발표
Linus Pauling DNA는 나선의 모양임을 발견
Franklin & Wilkins X선 회절법으로 DNA의 규격을 밝힘
Watson & Crick DNA가 이중나선임을 밝힘 DNA 구조 모형 제작
왓슨과 크릭은 1953년 ‘Molecular Structure of Nucleic Acids’란 제목의 논문에서 DNA 구조를 밝힘으로써 노벨상을 받았다.
X선 회절(X-ray diffraction) DNA 구조 발견
X선(X-Ray)이란? X선의 본질은 빛을 비롯한 라디오파, 감마선 등과 함께 파장이 각기 다른 전자기파에 속한다.
X선의 발견 X선이 처음 발견된 것은 1985년 독일의 물리학자 뢴트겐에 의해서 였다.
X선의 성질 사진작용 형광작용 이온화작용 진공 중에서 빛과 같은 속도로 진행한다. 회절(Diffraction) 현상을 갖고 있다. 굴절률이 거의 1 에 가깝다. 투과력이 커서 의료에 이용하여 몸의 뢴트겐Roentgen)사진, 공업용으로는 재료시험에 이용한다.
X선의 발생 X선은 진공 중에서 고전압에 의해 가속된 초고속의 전자를 만들어 음극에 충돌시키면 발생한다.
X선의 강도(Intensity) 계수관(Counter)으로 측정하여 단위시간당 Counter에 들어온 광양자의 개수(Counts per Sec.)를 나타낸다.
X선의 스펙트럼(Spectrum) 연속X선(Continuous X-Ray) 특성X선(Characteristic X-rays)
연속X선(Continuous X-Ray) 이것은 전자가 가지고 있던 운동에너지의 일부가 X선 광양자로 바뀌며 생기는 제동방사(Bremsstrahlung)이다.
특성X선(Characteristic X-rays) 특성X선의 파장은 Target물질을 구성하고 있는 원소에 따라 고유한 값을 갖고 있으며 K,L,M,…등의 계열로 분류된다.
Characteristic X-rays 원자에서 입사전자의 운동에너지가 전자의 결합에너지보다 크면,그 각의 전자를 떼어낸다. (광전효과)
X선 회절(X-Ray Diffraction)
Laue와 Bragg 독일의 라우에와 영국의 브래그는 X선 회절에 대한 연구로 원자의 구조를 밝혔다.
회절 현상 X선이 결정 내 원자간 거리와 비슷한 파장을 가진 전자기파라면 결정에 의해 회절 되리라고 추정되었는데 이것을 실험적으로 증명한 것은 1912년 독일의 Von Laue 이다. 이것은 X선의 파동성과 원자의 규칙적인 배열을 동시에 실증하였다. Bragg부자는 이 실험결과를 해석하여 간단한 수식으로 표현하였고, X선 회절을 이용하여 각종 물질의 결정구조를 제공하였다.
What is Diffraction? 회절이란 둘 이상의 Wave간의 보강이나 상쇄 간섭으로 일어난다.
보강간섭과 상쇄간섭 보강 간섭 상쇄 간섭
결정격자면(Lattice Planes)
브래그(Bragg)의 법칙
X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometer, XRD) 결정 내의 원자 위치에 관한 구조적 정보는 X선이나 중성자 beam이 만드는 예리한 회절spot으로부터 유추될 수 있다.
X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometer, XRD) 결정이 회절기에 장입된 후 회절spot이 측정되며, 새로운 각도로 회전된 후 측정이 반복된다.
X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometer, XRD)
DNA 구조 발견 James Watson Francis Crick Maurice Wilkins Rosarind Franklin
X선은 간섭현상으로 인하여 서로 다른 강도의 spot을 만들고 이것을 필름에 기록할 수 있다.
Spot들은 특이한 형태의 분자 사진을 그려내었다.
DNA를 결정화 시킬 수 없었으므로 두개의 다른 형태의 사진을 얻게 되었다.
프랭클린은 더 많은 Spot을 가진 사진에 관심을 가졌고, DNA분자의 기본적인 크기들을 계산할 수 있었다.
프랭클린이 다른 X선 사진으로 연구하는 동안 왓슨과 크릭은 이처럼 간단한 형태의 사진에 관심을 가졌다.
X선 사진의 “X”자 형태는 나선구조를 밝히는 핵심적인 것이었다.
X선 사진의 형태가 규칙적이라서 나선의 구조 또한 명백했다. 예를 들어 나선의 직경이 어느 곳이나 같다.
회절형태에서 가까운 점들 일수록 실제로는 거리가 더 멀다.
나선의 높이는 34Å이고, 나선 1회전 당 10개의 뉴클레오디드가 있으므로 기본 염기쌍간 거리는 3.4Å이다.
나선의 pitch가 “X”형태의 각으로 결정된다.
나선을 여러 각도로 돌려 보면 “X”형태와 pitch의 관계를 알 수 있다.
왓슨과 크릭은 X선 회절로부터 DNA는 이중나선구조라는 것을 깨달았고, 프랭클린과 윌킨스는 기본적인 크기를 알게 해 주었다.
DNA의 구조 DNA와 Nucleotide 염기(Base) 상보성 DNA 구조 다른 형태의 DNA
DNA란 무엇인가? DNA(Deoxyrobonucleic Acid) 모든 생물에 존재하며 유전현상을 담당하는 물질 사슬 모양의 정보 고분자 물질 여러 개의 뉴클레오티드(Nucleotide)로 구성 원소:탄소, 산소, 질소, 인, 수소
뉴클레오티드(Nucleotide) 염기(Base), 당(Sugar), 인산(Phosphate)으로 구성 나선의 1회전은 10개의 뉴클레오티드로 형성 Base+Backbone
뉴클레오티드의 종류
염기(Bases) 질소를 포함 염기성 퓨린(Purine) 6각형고리+5각형고리 피리미딘(pyrimidine) 하나의 6각형고리
퓨린(Purine) 아데닌(Adenine) 구아닌(Guanine)
피리미딘(pyrimidine) 시토신(Cytosine) 티민(Thymine) 또는 우라실(Uracil)
염기쌍(Base Pairs) 규칙 DNA 이중나선의 두께를 일정하게 유지 퓨린(Purine)-피리미딘(pyrimidine)
샤가프의 실험
샤가프의 법칙 같은 생물종이 지닌 퓨린의 양(A+G)과 피리미딘의 양(T+C)은 같다. A와 T의 양이 같고, G와 C의 양이 거의 같다. 즉 아데닌(A) : 티민(T) = 1 : 1이고, 구아닌(G) : 시토신(C) = 1 : 1인 것이다.
염기의 크기 비교
G+T와 A+C의 크기 비교
T+C와 G+A의 크기 비교
A+T와 G+C의 크기 비교
상보결합의 규칙 한쪽 사슬의 염기배열을 결정하면, 다른쪽 사슬의 염기배열이 자동적으로 결정 A=T (아데닌-티민) G≡C (구아닌-시토신)
A(아데닌)=T(티민)
G(구아닌)≡C(시토신)
DNA 구조의 특성 방향성 역평행(Antiparallel) 상보결합
방향성 5’3’ 방향으로 결합 진행
역평행(Antiparallel) DNA의 두가닥 사슬은 서로 반대방향으로 되어있다.
상보결합 (complementary sequence)
이중나선(Double Helix) 여러 개의 뉴클레오디드가 결합된 긴 사슬의 상보적 결합 알파 나선이라고도 함 다양한 형태의 DNA존재
여러가지 형태의 이중나선
선형과 환형 DNA
DNA와 자외선 DNA 손상 자외선 자외선과 인체 자외선 살균
DNA 손상이란? DNA의 여러 구성성분의 화학구조가 생물학적으로 의미있는 변화를 일으킨 것 상해의 정도에 따라 돌연변이, 기형, 암 유발, 노화, 세포의 죽음 등의 결과가 초래 세포 내에 자체적인 회복기구가 존재하여 수복
DNA가 손상되는 원인. 전리방사선 화학물질 자외선
전리방사선 X-ray, cosmic ray, gamma ray 물질을 이온화시키고 투과성(유리 등도 쉽게 투과) → 동식물의 돌연변이 유발에 많이 쓰임
화학물질 염기 유사물 DNA와 반응하여 염기의 pairing 변화 담배, 배기 gas, 세제(cleaning agents), 살충제(pesticide) 등에 많은 양이 존재 음식(양배추, 상추, 시금치, 홍차 등)이나 (특히 숯불에) 탄 고기류에도 극미량 존재
자외선 태양광의 스펙트럼을 사진으로 찍었을 때, 가시광선의 단 파장보다 바깥쪽에 나타나는 눈에 보이지 않는 빛 파장이 약 390nm ~ 400nm인 전자기파의 총칭 화학선이라고도 불린다.
전자기파 스펙트럼
자외선의 4대 작용 광화학 반응(화학선:365nm) 홍반현상(건강선:297nm) 살균작용(살균선:253.7nm) 오존(O3)발생(오존발생자외선:184.9nm)
자외선과 인체 생명체에 영향을 미치는 자외선 자외선 C (UVC) 자외선 B (UVB) 자외선 A (UVA)
UVC(자외선 C) 파장 200∼280nm 사이의 자외선 생명체에 치명적 대기권의 오존층에서 완전하게 흡수 지표면까지 도달하지는 않음
UVB(자외선 B) 파장 280∼320nm 사이의 자외선 일광화상(Sunburn 또는 Erythema)의 원인 피부의 염증반응 유발
UVA(자외선 A) 파장 320∼400nm 사이의 자외선 피부의 진피층까지 투과 피부암이나 피부 노화를 촉진
자외선이 인체에 미치는 영향 유전물질인 DNA를 파괴 면역체계를 혼란 피부암 발생
자외선에 의한 피부질환 자외선에 의하여 파괴된 DNA가 불완전하게 복구되거나 자외선에 의해 혼란된 면역체계가 비정상적으로 작동되어 암 발생과 연관된 유전자가 자외선에 의하여 작동되어 피부암이 발생
DNA의 안정성 Backbone에 의한 보호 Histone에 의한 보호 DNA의 상보성 DNA Repair System
Backbone DNA 구성요소 뉴클레오티드(염기+당+인산) 중 유전정보를 가진 염기는 Backbone(당-인산 골격)으로 보호
Histone DNA는 histone 단백질에 결합되어 직접적으로 자외선에 노출되지 않음
DNA 상보성 DNA의 두 사슬이 상보적 한쪽의 정보가 변해도 보정 가능
DNA Repair System DNA 규칙성이 어긋나면 정교한 작용으로 고침
돌연변이 DNA Repair System으로 수복 불가능 대부분의 피부암이 UV에 의한 돌연변이를 고치지 못하기 때문
자외선 살균 자외선은 DNA의 상보결합을 깨뜨리고 티민2량체(Thymine dimer)를 생성 정상적인 기능을 할 수 없게 만듦
자외선의 파장별 살균 비율
Human Genome Project와 인간복제 인간복제와 윤리
Genome Project의 정의 Genome(게놈) =gene(유전자)+ chromosome(염색체) DNA 서열을 밝히는 일
Human Genome Project 정의 연구 목적
Human genome Project의 정의 DNA=아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C)의 4가지 염기가 나열된 이중 나서 구조 유전자 약 10만개 염기 약 30억쌍
Human genome Project의 연구 DNA 서열을 밝힌다 =염기의 서열을 밝힌다 1990년 NIH와 DOE의 주도하에 18개의 국가가 참여한 형태로 2003년 완성될 계획이다.
Human genome Project의 목적 인간 DNA안에 있는 10만개의 유전자를 규명 인간 DNA를 구성하고 있는30억개의 염기쌍의 서열을 밝히는 것 데이터 베이스에 이들 정보를 저장하는 것 프로젝트로부터 개발된 개인 영역까지 이전시키는 것 ELSI(Ethical, Legal, Social Implications, Reasearch Program)을 말하는 것
게놈 지도 DNA에 담겨 있는 각각의 유전정보의 위치 NCBI 홈페이지 참고 NCBI 홈페이지
Human genome Project의 이용 암과 같은 각종 질병(특히, 유전병)의 퇴치 혈흔을 이용하여 범인을 색출 장기 손상을 대비하여 장기를 인공적으로 만들어 놓음 인간 복제
복제
복제 양 돌리 1997.2.27 복제 양 탄생 체세포를 이용한 복제
돌리 복제 순서 복제양 돌리의 탄생 정자와 난자가 결합하는 정상적인 수정과정을 통해서 태어난 것이 아니라 성숙한 동물 세포의 핵으로부터 한 마리의 새로운 개체가 태어난 것이었다.
인간 복제와 윤리 인간복제는 인간 인격이 갖는 개별성,독립성, 유일회적인 가치에 깊은 손상을 끼친다. 시간과 공간의 격차로 태어난 복제 인간들이 심리적 사회적 갈등으로 혼란을 야기시킨다. 인간의 존엄성 파괴
Human Genome Project의 진척과 전망 우리나라의 게놈프로젝트 1996년에야 생명 공학연구소에 게놈사업단이 생김 1999년 12월부터 실질적인 게놈 연구 들어감 1백억 원씩 10년간지원할 계획
Human Genome Projet의 효과 긍정적 효과 부정적 효과
긍정적 효과 DNA Chip 에너지 환경 멸종생물의 복원 식량문제 의약품 생산 생체 모방의 제품의 생산 유전자 치료 혈흔을 이용한 범인 색출
부정적 효과 낙태 보험 고용 범인 색출 프라이버시 배아치료 체세포 치료 특허
인간 게놈 분석이 가져 다 줄 정보는 매우 유용하지만, 사용을 잘못하면 돌이킬 수 없는 결과를 초래할지도 모르는 ‘양날의 칼’ 이다. 우리는 이점을 항상 염두에 두지 않으면 안된다.
21세기의 생명과학 생명과학에 사용되는 물리학 생명과학의 미래
생명과학에 사용되는 물리학 광학현미경 핵자기공명(NMR) 전기영동법
광학현미경 자외선에 의한 형광현상을 이용 자외선 발생장치와 광원(光源)필터를 사용하여 암실 또는 반암실 내에서 보통의 광학현미경에 의해 관찰 개개의 시료에 따라서 적합한 형광색소를 선택
형광 현미경을 통해 본 염색체
핵자기공명 (NMR) 원자핵의 자기화(磁氣化), 즉 핵자기에 의한 자기공명 현상 마이크로파의 진동수, 요컨대 에너지를 바꾸면서 자기장 안에 놓인 시료(試料)를 조사(照射)하면, 그 중의 필요한 에너지의 마이크로파만을 흡수함으로써 핵자기 공명흡수 스펙트럼을 얻을 수 있다.
전기영동법 전기영동 전기장 안에서 하전된 입자가 양극 또는 음극 쪽으로 이동하는 현상 아미노산, 뉴클레오티드, 단백질 들과 같은 하전된 물질들을 분리하거나 분석하는 데 매우 효과적인 수단으로 이용
프로테오믹스(Proteomics) 게놈프로젝트그 이후 프로테오믹스란? 주어진 환경에서 Genome에 의하여 발현되는 단백질들을 proteome이라 하며, 이를 연구하는 학문을 Proteomics라고 한다.
Proteomics가 대두되는 이유 mRNA의 발현으로 단백질의 발현 예측 불가 단백질이 변형 (methylation, phosphorylation 등등) 된 것을 gene sequence에서는 알 수 없음
프로테오믹스 응용 알츠하이머병 진단법 개발 암 억제, 유발 유전자 단백질 규명
생명과학의 Good Future 의학 분야 사회 분야 환경 분야
의학적으로 기대되는 연구들 의약품의 생산 생체 모방 제품의 생산 유전자 치료 불로 장생에 도전하는 유전자
사회적으로 기대되는 연구들 조작할 수 있는 인간 DNA 지문 검사 자신과 같은 지문을 가진 사람을 만날 확률은 640억 분의 1
환경적으로 기대되는 연구들 환경 정화 멸종생물 복원 유전자 조작 식품
미래 생명과학의 Bad Future 윤리적 문제 사회적 문제
윤리적인 문제점 얻어지는 유전정보를 이용한 개인 자료의 철저한 보호 정치적, 사회적 악용 정상, 비정상 구분의 모호성 유전자의 무분별한 변형 및 향상 유전정보가 효용 있는 곳에 제대로 사용 되는가? 유전자를 이용한 인류의 통제
사회적인 문제점 유전자 조작을 통한 맞춤 인간 생물 다양성 파괴 인구 폭발 유전 정보의 유출 - 상업적 악용 의료보험 문제
우리들이 해야할 노력 자신의 DNA 관리 지식 축적 윤리 의식 변화에 대처
조원 및 참고문헌 조 원 Homepage 이명준 1996022890 이용희 1996022964 Reference http://myclub-www.korea.com/mjgump Reference DNA from the Beginning Oh! Genetics NCBI An Introduction to GENETICS ANALYSIS Softdisc 조 원 이명준 1996022890 이용희 1996022964 김경민 2001020975 이창협 2001021406 임병하 2001021439 김대원 2001021622 류정희 2001021826