제10장 DNA 구조와 기능

유전체는 꼬마선충과 사람에 이르기까지 지구상에 존재하는 모든 생물체가 관련되어 있음을 보여준다.

그림 10.1 DNA는 고도로 응축되어 있다. 세균에서 터져 나온 DNA를 보면 세포 안에 DNA가 얼마나 잘 응축되었는지 알 수 있다.

10. 1. 유전물질의 발견 Mendel과 Morgan 등의 유전학자 – DNA에 대한 지식이 X - 이전연구  1989 미세르 : 핵에서 질소와 인을 포함하는 산성물질 발견 뉴클레인  핵산  단백질이 유전물질일 것으로 추정 효소결핍 선천성장애자  단백질이 유전물질과 연관 초파리의 눈색, 빵곰팡이의 영양결핍  단백질이 비정상/없을 경우 발생 - 1928년 그리피스 (Federick Griffith) : 폐렴쌍구균의 병원성(S형)/비병원성(R)을 이용한 쥐실험 (10.2) : 살멸된 S형과 살아있는 R형 실험  죽은 세균의 어떠한 물질이 형질전환되어 유전의 원인 - 1944년 에이베리, 멕레오드 맥카티  Griffith의 형질전환인자가 DNA라 주장 (그림10.3) - 1952년 Alfred Hershey & Martha Chase (결정적인 실험, 10.4-5) : E.coli + Bacteriophase(T4) : A 방사성 황이 있는 배지에서 배양된 파지는 외투막에 황 방사선 방출 : B 방사성 인이 있는 배지에서 배양된 파지는 DNA  방사성 방출 : A와 B를 대장균이 있는 배지에 접종  몇분 후 믹서기로 믹싱  원심분리 파지를 대장균으로부터 분리  대장균 내에 방사선을 방출한 것은 B임을 확인 : 즉 파지의 동위원소가 세균내로 감염된 물질은 단백질이 아닌 DNA임을 확인 : 이 DNA자기 복제를 유도

그림 10.2 형질전환물질을 발견한 그리피스의 실험. 폐렴균의 S형은 다당류인 캡슐의 독성 때문에 쥐에 폐렴을 일으켜 죽게 한다. S형의 돌연변이체인 R형은 캡슐이 없어 독성이 없다. 죽은 S형과 살아있는 R형을 섞어 세균에 접종하면 쥐는 폐렴으로 죽는다. 죽은 쥐에서는 살아있는 S형이 발견된다. 따라서 S형에 있는 어떤 물질이 R형을 S형으로 형질전환시킨다.

그림 10.3 S형의 ‘형질전환물질’은 DNA이다. 형질전환물질을 단백질 분해효소로 처리한 후 살아있는 R형과 함께 쥐에 주입하면 쥐는 폐렴으로 죽었고, 죽은 쥐에서 살아있는 S형이 검출되었다. 그러나 DNA 분해효소로 처리한 경우 형질전환은 일어나지 않았다. 따라서 단백질이 아니라 DNA가 형질전환물질이다.

그림 10. 4 박테리오파지는 세균을 감염시킨다. (A) 박테리오파지는 바이러스의 일종으로 단백질 외투막에 핵산을 가지고 있다 그림 10.4 박테리오파지는 세균을 감염시킨다. (A) 박테리오파지는 바이러스의 일종으로 단백질 외투막에 핵산을 가지고 있다. 파지는 외투막을 사용하여 세균에 부착하고 DNA를 세균 안으로 주입한다. (B) 이 사진은 한 마리의 세균을 감염시키는 여러 개의 박테리오파지를 보여준다.

그림 10.5 허시-체이스 실험. 허시와 체이스는 두 종류의 방사능 동위원소를 사용하여 파지의 단백질(35S)과 DNA(32P)를 각각 표지한 다음 배양 중인 대장균과 혼합하여 파지의 감염을 유도하였다. 몇 분이 지난 다음 혼합액을 혼합기로 갈아 파지와 대장균을 분리시키고, 방사선이 어디에서 검출되는가를 조사하였다. 방사성 황은 배양액에 있는 외투막에서만 검출되었고 방사성 인은 세균에서만 검출되었다. 따라서 세균에 침투하는 것은 DNA이고 DNA가 파지의 자손을 증식시키는 유전물질로 증명되었다.

2. 데이터와 논리로 DNA 구조가 밝혀졌다. - DNA가 유전물질이라는 확신을 가졌지만 구성물질에 대한 정보가 X - 레빈 : DNA와 RNA의 차이점을 밝힘(당+인산+염기) - 1950년 초 DNA 구조를 밝히는데 기여한 중요한 증거 1) 샤가프 (Erwin chagaff)의 실험 ▪ DNA포함된 A의 양은 T의 양과 일치한다는 결과를 보고 ▪ 물리학적인 구도와 화학적인 결합이 일치 2) 프랭크린( W. Franklin)의 DNA X-선 회절연구 ▪ 뉴클레오티드가 일정한 간격으로 반복되어 있는 3차구조밝힘 ▪ 나선의 두께는 DNA가 두 개의 nucleotide 즉, 이중나선으로 구성되었음을 확신 - 1953년 왓슨(James D. Watson)과 크릭(Francis Crick) : 이 두 가지 단서에 근거하여 DNA의 이중나선 모델 : 염기와 염기가 수소결합을 잘 할 수 있는 결합  A-T, G-C (상보적이다)  대칭성 가짐 : DNA구조  DNA의 기능에 대한 단서를 제공

그림 10.6 생명의 비밀. 윌킨스와 프랭클린은 DNA에 X선을 조사하여 DNA가 일정한 간격의 나선형 구조를 갖고 있다고 밝혔다. 이들의 데이터를 이용하여 왓슨과 크릭은 DNA 분자의 이중나선 구조를 발표하였다. 1962년 생명의 비밀을 밝힌 이 업적으로 윌킨스, 왓슨, 크릭은 공동으로 노벨상을 수상하였다. 1958년 사망한 프랭클린은 죽은 사람에게는 상을 주지 않는다는 노벨상 규정에 따라 수상에서 제외되었다.

10.2 이중 나선 1. 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다. ▶ 요약 - DNA 분자는 당-인산의 사다리 기둥과 퓨린-피리미딘 염기쌍이 발판으로 된 이중나선 - DNA 두 가닥은 역평행이며 5’에서 3’으로 진행 - DNA는 고도로 농축되어 핵 안에 존재한다. 진핵세포는 히스톤 단백질을 사용하여 핵 안에서 DNA 를 체계적으로 응축한다. 1. 2개의 상보성 가닥에서 퓨린은 피리미딘과 쌍을 이룬다. - DNA와 RNA는 핵산으로 뉴클레오티드라고 하는 단량체가 사슬처럼 길게 연결된 중합체이다. - Nucleotide : 당, 인산염, 질소성 염기로 구성  monomer  polymer(가닥) 그림 10.7 - DNA (Deoxyribose nucleic acid)의 염기 A, T, C, G  퓨린(2개의 고리구조: A, G), 피리미딘 (한 개의 고리구조: C, T) 그림 10.8  수소결합  A-T, G-C  상보적 염기쌍 (유전자 기능과 DNA복제의 기본, 그림 10.9) - DNA 이중나선을 구성하는 2개의 사슬 : 서로 반대방향으로 구성  역평행 그림 10.10  DNA 가닥  디옥시리보스의 5번 탄소에서 시작하여 3번탄소에서 끝이 난다.  이두 가닥은 서로 반대방향으로 놓임

그림 10. 7 DNA 이중나선 구조를 나타내는 세 가지 방법 그림 10.7 DNA 이중나선 구조를 나타내는 세 가지 방법. (A) 풀어진 나선에서 청색의 염기쌍과 초록과 노랑으로 각각 나타낸 당-인산 골격을 보여준다. (B) DNA 이중나선 구조. 당-인산 가로대는 모든 DNA 분자에서 동일하며, 반대방향으로 진행된다. (C) DNA 구성 원소의 3차원적 관계를 보여주는 스페이스-필링 모델.

그림 10.8 DNA 염기. 구아닌과 아데닌은 6개의 고리와 5개의 고리를 포함하는 퓨린 유도체이고 시토신과 티민은 6개의 고리를 갖는 피리미딘 유도체이다. 뉴클레오티드에는 염기, 당, 인산이 각각 하나씩 결합되어 있다.

그림 10. 9 DNA 염기쌍. 퓨린과 피리미딘이 염기쌍을 이루기 때문에 DNA 이중나선은 폭이 일정하다

그림 10. 10 DNA 가닥은 역평행이다. (A) 화학자들은 유기물에 있는 탄소에 각각 다른 번호를 부여한다 그림 10.10 DNA 가닥은 역평행이다. (A) 화학자들은 유기물에 있는 탄소에 각각 다른 번호를 부여한다. (B) DNA 이중나선의 두 가닥은 서로 반대방향으로 뻗어나간다. 이러한 배열을 역평행이라 한다. (C) 에스케르의 󰡐그림을 그리는 손󰡑. 두 손의 배열은 이중나선을 이루는 2개의 DNA 사슬과 비슷하다.

2. 염색체의 DNA는 고도로 응축되어 있다. - 인간의 염색체가 46개  32억개의 염기  500쪽의 4000권에 해당  하나의 세포에 어떻게 이 많은 양의 염기가 들어있는가? - 아주 긴 실이 실패에 감겨있는 것처럼 DNA가 단백질을 감싸고 있다.  공간을 줄이고 세포가 사용할 수록 DNA가 체계화 되어 있음 - 146개의 염기쌍이 8개의 히스톤 단백질로 구성  두 번 휘감아 1개의 뉴클레오솜을 형성  뉴클레오솜의 지름은 10nm  뉴클레오솜이 휘어감아 30nm의 염색사 섬유를 형성

그림 10. 11 진핵세포의 DNA는 고도로 응축되어 있다 그림 10.11 진핵세포의 DNA는 고도로 응축되어 있다. DNA는 히스톤 단백질을 휘감고 있는 뉴클레오솜 단위로 이루어지며 뉴클레오솜은 실에 꿰인 구슬처럼 연결되어 있다. 이것이 다시 꼬여 30 nm의 지름을 가진 염색사 섬유로 된다. DNA는 세포분열 동안 딸세포로 신속히 이동하기 위하여 염색체 형태로 가장 작게 응축된다. DNA가 복제되거나 RNA가 만들어질 때 DNA는 히스톤 단백질에서 분리되어 노출된다.

10.3 DNA 복제 : 암호전달 ▶ 요약 - 여러 종류의 효소가 DNA를 정확하게 복제한다. DNA 중합효소는 DNA중합효소는 DNA 뉴클레오티드를 첨가한다. - DNA 연결효소는 인접한 DNA 두 조각을 연결하고 다른 종류의 DNA중합효소가 RNA와 부정확한 염기를 제거한다. - DNA를 빨리 복제하기 위하여 수백 개의 복제원점에서 복제가 시작된다. 1. DNA는 반보존적으로 복제된다. - 이중나선이 풀려 생기는 2개의 가닥을 각각 주형으로 사용하여  새로운 사슬을 만드는 반보존적 복제를 상상 - 멜슨스와 슈탈 반보존적 방식으로 DNA가 복제된다고 증명 1) 1세대: N15 배지에서 배양한 후 DNA를 추출하여 원심분리  DNA의 띠  N15/N15  제일아래 2) 2세대: 1세대인 세균을 N14 배지에서 배양한 후 추출/원심분리  DNA의 띠  N15/N14  중간 위치 3) 3세대: 2세대인 세균을 N14 배지에서 배양한 후 추출/원심분리  DNA의 띠  N14/N14  위에 위치

그림 10.12 DNA는 반보존적으로 복제된다. DNA 복제 메커니즘은 반보존적, 보존적 또는 다발적 등의 세 가지로 설명할 수 있다. 밀도이동 실험을 통하여 복제 메커니즘은 반보존적으로 밝혀졌다. 질량이 다른 2개의 방사성 질소(14N과 15N)로 DNA를 표지했을 때 󰡐LL󰡑은 가벼운 질소(14N/14N), 󰡐HH󰡑는 무거운 질소(15N/15N), 󰡐LH󰡑는 가볍고 무거운 질소를 하나씩 포함하는(14N/15N) DNA를 의미한다.

2. 5개의 효소가 협력하여 새로운 가닥을 만든다. - 이중나선이 벌려진 부분  복제분기점 (replication fork) - 복제원점에 헬리카제(helicase)가 수소결합을 끊으면서 시작 - 결합단백질은 열려진 DNA사슬이 다시 붙지 못하도록 한다. - 프리마제는 짧은 길이의 RNA 시발자(RNA primer)를 만든다. - DNA중합효소는 RNA시발자에 주형 DNA와 상보적인 염기를 하나씩 붙인다. - DNA연결효소는 당-인산 골격을 연결한다. - DNA 중합효소는 3’ 말단에 새로운 뉴클레오티드를 결합하며 5’ 3’ 방향으로만 복제 다른 한 가닥은 불연속적으로 복제된다. (짧은 5’ 3’ DNA)  오카자키 절편  이 절편은 DNA연결효소가 연결한다. (그림 10.14)

그림 10. 13 DNA 복제과정의 개요. DNA 복제는 이중나선 DNA가 풀어지면서 시작한다 그림 10.13 DNA 복제과정의 개요. DNA 복제는 이중나선 DNA가 풀어지면서 시작한다. 풀어진 DNA 가닥들은 주형으로 사용되고 주형 DNA와 상보적인 새로운 DNA 가닥을 만들며 이중나선을 이룬다. 반보존적 복제 방식으로 하나의 DNA로부터 2개의 딸 DNA가 만들어진다.

그림 10. 14 단계별 DNA 복제과정과 복제에 참여하는 효소들의 이름과 기능 그림 10.14 단계별 DNA 복제과정과 복제에 참여하는 효소들의 이름과 기능. DNA 복제에는 헬리카제, 결합단백질, 프리마제, DNA 중합효소, DNA 연결효소를 포함한 많은 효소들이 사용된다. 한쪽 사슬에서는 새로운 딸 DNA가 연속적으로 복제되고 다른 한쪽 사슬에서는 오카자키 절편이라 하는 작은 조각의 DNA가 합성된 후 서로 연결된다.

10.4 DNA 수선 : 암호를 정확하게 유지함 - 세포에 있는 여러 종류의 효소가 DNA를 복제하는 동안 잘 못 삽입된 염기를 복구한다.  광활성화 복구, 절단복구, 불일치 복구 - 이 효소들은 티민 이량체 또는 염기쌍의 불일치를 제거하고 유전자 기능을 복구한다. - 복구체계가 없으면 세포와 생명체에 심각한 문제를 일으킬 수 있다.

그림 10.15 두 종류의 복구 메커니즘. 자외선에 의해 티민 이량체가 형성되어 손상된 DNA는 광활성화 복구 또는 절단 복구에 의해 수선된다. 자외선은 DNA의 동일 사슬에 서로 인접해 있는 2개의 티민 사이에 공유결합을 하나 더 유도하여 이량체를 만들면서 DNA에 손상을 가져온다. 그 결과 DNA 이중나선은 어긋나고 DNA가 복제될 때 돌연변이가 생긴다.

10.5 유전자 발현: 암호의 활동 (1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다. - 중심원리라는 유전정보의 흐름 (그림 10.16)  DNA 복제, 전사, 번역 - 3종류의 RNA : mRNA, rRNA, tRNA  mRNA (단백질 합성에 필요한 유전정보를 가지는 전령 RNA)  rRNA ( 리보솜의 구성성분인 리보솜 RNA)  tRNA (아미노산을 운반하는 운반 RNA) - RNA 중합효소 : DNA를 주형으로 사용하여 유전자의 mRNA 전사체를 만듬 (1) 오페론은 세균에서 유전자 발현을 조절한다. - 1961년 제이콥과 모나드 어떻게 젖당분해효소 유전자의 전사를 조절하는가? 의문에서 시작  젖당유전자의 발현을 자극하는 것은 젖당 자체이다. - 억제자 : 프로모터로 알려진 DNA에 결합하여 전사를 방해 즉, RNA중합효소의 결합을 방해 - 오페론 : 젖당대사과정에 필요한 유전자와 조절부위를 일컬음  젖당이 없을 때는 억제자가 작동자에 결합하여 RNA중합효소의 결합을 방해  젖당이 존재시, 젖당이 억제자를 억제, RNA중합효소가 결합하여 전사가 진행  효소를 합성

그림 10. 16 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로 그림 10.16 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로. 생물학의 중심원리에 따르면, DNA에 저장된 정보가 RNA로 복사되고(전사), RNA를 이용하여 단백질을 합성한다(번역). DNA 복제는 유전정보를 영원히 자손에게 물려주는 것이다.

그림 10. 17 DNA와 RNA는 기능과 구조가 다르다. (A) DNA와 RNA는 기능이 서로 다르다 그림 10.17 DNA와 RNA는 기능과 구조가 다르다. (A) DNA와 RNA는 기능이 서로 다르다. (B) DNA는 이중나선이고 RNA는 보통 단일가닥이다. (C) DNA는 디옥시리보오스를 RNA는 리보오스를 갖는다. (D) 마지막으로 DNA는 티민을, RNA는 우라실을 갖는다.

그림 10.18 젖당 오페론. (A) 젖당 오페론에서는 젖당을 분해하는 데 필요한 단백질을 암호화하는 유전자 그룹이 하나의 프로모터에 의해 조절된다. (B) 젖당이 없으면 억제자 단백질이 DNA의 작동자에 결합하여 유전자들의 전사를 억제한다. (C) 젖당이 있으면 억제자가 젖당과 결합하여 작동자에 결합하지 못하고 3개의 유전자로부터 전사가 일어난다. 이처럼 세포는 특정 효소를 필요할 때, 필요한 만큼 합성한다.

(2) 전사인자는 진핵세포의 유전자 발현을 조절한다. - 진핵세포의 유전자조절은 더 복잡, - 전사인자(transcription factor)는 조절단백질들이 염색체의 특정부위에 RNA중합효소가 결합하여 전사를 시작  유전자 근처에 결합하여 유전자를 활성화  모티프라는 공통부위를 가짐 나선고리나선, 아연손가락, 루신-지퍼 등 3차구조로 접혀있는 단백질  수백 종이 존재 (3) 전사과정을 통해 DNA 암호로 부터 RNA가 만들어 진다. - 전사인자가 DNA 특정부위에 결합하고 RNA중합효소가 결합 - TATA 박스부착단백질 결합(그림 10.20)  전사인자를 유인  RNA중합효소가 부착  DNA의 두 가닥이 분리  상보적인 RNA를 합성 (5’3’ 방향) (그림 10.21, 22)

그림 10.19 DNA에 결합하는 전사인자. 전사인자는 DNA에 결합하여 특정 유전자의 전사를 시작하거나 억제함으로써 유전자 발현을 조절하는 단백질이다. 모티프의 이름은 모티프가 DNA에 결합할 수 있는 모양의 특징에 따라 붙여졌다. 나선고리나선 구조가 그림에 예시되어 있다.

그림 10. 20 전사의 시작. (A) 유전자의 프로모터 부위에 있는 특정 염기서열을 개시 단백질이 인식한다 그림 10.20 전사의 시작. (A) 유전자의 프로모터 부위에 있는 특정 염기서열을 개시 단백질이 인식한다. (B) TATA 부착단백질이 DNA의 TATA 박스를 인식하고 결합한다. 이것은 다른 전사인자들이 결합하도록 도와준다. (C) 필요한 전사인자가 있으면 RNA 중합효소가 결합하여 RNA를 합성하기 시작한다.

그림 10. 21 RNA, DNA 주형가닥, DNA 암호가닥 사이의 관계 그림 10.21 RNA, DNA 주형가닥, DNA 암호가닥 사이의 관계. RNA 염기서열은 DNA 주형가닥과 상보적이므로 DNA 암호가닥의 염기서열과 같다. 단, DNA에 있는 티민(T) 대신에 RNA에는 우라실(U)이 있다.

그림 10. 22 DNA로부터 RNA의 전사. (A) 전사는 개시, 신장 및 종결의 세 단계로 일어난다 그림 10.22 DNA로부터 RNA의 전사. (A) 전사는 개시, 신장 및 종결의 세 단계로 일어난다. 개시는 어느 유전자를 언제 전사할 것인지를 결정하는 조절 단계이다. RNA 뉴클레오티드는 신장 단계에서 첨가되며 유전자의 종결서열이 전사의 종결을 유도한다. (B) 특정 유전자로부터 RNA가 동시에 많이 만들어진다. RNA 중합효소가 전사를 시작한 후 또 다른 RNA 중합효소들이 연속적으로 mRNA를 합성한다.

(1) 세종류의 RNA가 단백질 합성에 관여한다. 10.6. 번역 : 코돈에서 아미노산으로 (1) 세종류의 RNA가 단백질 합성에 관여한다. - mRNA : 3개의 염기가 하나의 코돈이 되고 각 코돈은 아미노산과 대응 - rRNA : 단백질 합성장소로 2개의 소단위로 구성, 세포질에 분리되어 존재 합성시 결합 (그림 10.23) - tRNA : 3개의 루프가 있으며 이중 하나가 안티코돈 (즉, 코돈에 상보적인 3개의 염기서열)  반대 끝에는 아미노산이 공유결합하는 줄기가 존재 (그림 10.24) (2) 진핵세포는 mRNA를 핵에서 변형 - 세균과 고세균의 mRNA는 단백질로 즉시 번역 - 진핵세포는 단백질 합성에 사용되기 전에 핵내에서 변형된다.(그림 10.25)  mRNA의 분해를 막기위해 5’끝에 고깔(cap)– 3’에 poly A가 결합  인트론과 엑손이 존재  인트론을 제거하고  엑손염기서열(번역에 사용)로 변형

그림 10.23 리보솜. 진핵세포의 리보솜은 2개의 소단위체로 구성되며, 82개의 단백질과 4개의 rRNA 분자를 포함한다.

그림 10.24 tRNA. (A) tRNA 내에 있는 특정 뉴클레오티드 사이에 수소결합이 형성되어 tRNA는 클로버 잎 모양의 2차 구조를 이룬다. 맨 윗부분의 진한 색으로 표시된 염기는 안티코돈으로 상보적 서열을 지닌 mRNA의 코돈과 결합한다. 각 tRNA의 한쪽 끝은 CCA 염기서열로 끝나는데 이곳에 특정 아미노산이 이곳에 공유결합으로 연결된다. (B)는 tRNA의 3차구조를 나타내고, (C)는 tRNA가 번역과정에서 제 기능을 하기 위해 리보솜과 상호작용을 하는 루프를 표시한다.

그림 10. 25 mRNA의 성숙과정. 성숙한 mRNA는 여러 단계를 거쳐 만들어진다 그림 10.25 mRNA의 성숙과정. 성숙한 mRNA는 여러 단계를 거쳐 만들어진다. 첫째, 유전자를 포함하는 큰 부위의 DNA가 전사된다. 전사 후 5′ 고깔과 3′-폴리 A 꼬리가 첨가되고 인트론은 잘려진다. 마지막으로 성숙한 mRNA가 핵에서 세포질로 이동한다.

10.7. 유전암호 : 유전자에서 단백질로 - DNA유전정보  mRNA  특정 아미노산 서열로 번역  유전암호 : 3개의 염기가 특정 아미노산을 지시 (그림 10.26) A. 몇 개의 RNA염기가 하나의 아미노산을 지정하는가?  코돈이 1나의 염기(4개만 지정), 2개이면 (16개_아미노산은 20개이므로 부족),  3개이면 (64개) B. 유전암호는 중복될 까?  중복되지 않음 C. 아미노산이 아닌 다른 것에 신호를 보내는가?  단백질합성을 시작하는 암호 AUG  단백질합성을 종결하는 암호 UGA, UAA, UAG D. 모든 생명체는 같은 유전암호를 사용하는가?  모든 생명체는 동일한 유전암호를 사용 E. 어떤 코돈이 어떤 아미노산을 암호화하는가? 표 10.1

그림 10. 26 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로. mRNA는 부분적으로 풀린 DNA 부위에서 합성된다 그림 10.26 DNA에서 RNA로, RNA에서 단백질로. mRNA는 부분적으로 풀린 DNA 부위에서 합성된다. 번역은 tRNA가 mRNA 코돈과 아미노산을 연결시키는 과정이다.

그림 10. 27 한 번에 3개씩. DNA에 1개 또는 2개의 염기가 추가되거나 제거되면 아미노산 서열이 바뀐다

(1) 리보솜에서 단백질이 합성 - 번역에 필요한 것 : mRNA, t-RNA, 리보솜, ATP와 GTP(에너지저장물질), 단백질 인자 - 번역 개시  신장  종결순으로 진행 - 번역 개시 (그림 10.28) : mRNA에 개시 t-RNA가 AUG개시 코돈과 소단위 리보솜이 결합하여 복합체를 형성 - 신장 (그림 10.29)  두번째 코돈이 결합하고 리보솜 큰고리 리보솜 소단위가 결합  두 아미노산사이에 펩티드결합을 촉매  개시-tRNA가 방출  리보솜은 mRNA를 따라 1개 코돈씩 이동  세번째 tRNA가 위치  두번째 아미노산과 펩티드 결합  반복 - 종결 (그림 10.29)  종결코돈이 리보솜에 위치하면 단백질합성을 종결한다.

그림 10.28 번역 시작. 작은 리보솜 소단위, mRNA와 개시 tRNA가 함께 모여 적절한 방향으로 정렬되면서 번역을 시작한다. 작은 리보솜 소단위를 구성하는 rRNA 하나가 mRNA의 선도서열을 인식하여 결합하고 단백질 인자와 GTP의 도움으로 메티오닌을 운반하는 개시 tRNA가 시작코돈에 결합하여 개시복합체를 형성한다.

그림 10.29 폴리펩티드 합성. 큰 리보솜 소단위가 개시복합체에 붙고, 두 번째 아미노산 글리신을 운반하는 tRNA가 자신의 안티코돈과 mRNA의 두 번째 코돈과 수소결합을 이룬다. (A) 첫 번째 tRNA가 전달한 메티오닌이 두 번째 tRNA가 전달한 아미노산과 펩티드 결합을 하고 시스테인을 운반하는 세 번째 tRNA가 도착한다. (B) 네 번째 아미노산이 연장되고 있는 폴리펩티드 사슬에 연결되고(C), 종결 코돈에 이르기까지 이 과정이 계속된다. (D) 방출인자가 종결 코돈과 결합하면 완성된 단백질이 tRNA에서 방출되고 (E) 번역에 관여했던 모든 인자들이 해체된다.

(2) 단백질 접힘은 샤페론 단백질에 의해 도움을 받는다. - 단백질은 복잡한 3차 구조를 이루어야 기능  번역된 단백질은 샤페론 단백질의 도움을 받아 올바른 접힘이 일어나고, 3차 구조가 형성 (그림 10.30) - 부적절한 접힘으로 인한 현상  질병유발(낭세포섬유증, 알츠하이머병, 광우병(프리온) 등) - 일부 단백질은 변형이 이루어져야 기능을 갖는다.  인슐린 두 개의 작은 아미노산사슬  프리인슐린 프로인슐린 인슐린 - 당이나 다른 분자가 첨가되어야 기능을 갖는다. - 일부 두개이상의 단백질이 복합체를 이룬후 기능을 갖는다.  적혈구 : 알파-헤모글루빈과 베타-헤모글루빈이 각각 2개씩 모인 4개의 단백질로 구성

그림 10. 30 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질이 동시에 합성된다 그림 10.30 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질이 동시에 합성된다. 여러 개의 리보솜은 하나의 mRNA로부터 많은 양의 단백질을 동시에 합성할 수 있다. (A) 리보솜에 다양한 크기의 폴리펩티드가 달려있다. 리보솜이 유전자 끝에 더 가까이 있을수록 리보솜에 달려있는 폴리펩티드의 길이는 더 길다. 샤페론 단백질은 폴리펩티드가 특징적인 구조를 형성하도록 접힘을 도와준다. (B) 현미경 사진에서, 왼쪽에 있는 리보솜은 번역을 방금 시작하여서 폴리펩티드가 간신히 보일 정도이다. 번역이 더 진행되면 폴리펩티드는 길어진다. 샤페론은 보이지 않는다. 리보솜의 지름은 20~30 nm이다.

10.8 돌연변이 (1) 겸상 적혈구 빈혈증은 단일 염기 돌연변이의 결과로 생김 - 돌연변이 : 유전물질의 물리적 변화  자연 돌연변이 : DNA 복제동안 염기의 화학적인 변화 또는 실수에 의해 발생  돌연변이원에 의한 변이 : 화학물질이나 방사능에 의해서 발생 - 치환, 삽입, 결실, 교환 등에 의한 염기의 변화  아미노산 암호를 변화 - 암호화하는 유전자의 부분, 전사를 조절하는 염기서열, 인트론, 인트론을 제거하고 엑손을 연결하는 결정적인 부분 등 - 돌연변이가 해가 되지 않으면 침묵돌연변이라 함 - 일부의 돌연변이는 지구상에 수많은 종을 만든다. (1) 겸상 적혈구 빈혈증은 단일 염기 돌연변이의 결과로 생김 - 베타-헤모글루빈 유전자의 6번째 코돈이 CAC(글루탐산)  CTC(발린)로 변이 (겸상적혈구빈혈증) (그림 10.31) - 단단해지고, 깨지기 쉽고, 낫모양의 세포로 휘어지며, 좁은 혈관에 머무를 때 혈액공급을 막아 빈혈, 관철통, 기관손상을 유발

그림 10. 31 겸상적혈구빈혈증은 염기 하나가 변하여 생긴다. 헤모글로빈은 몸 전체로 산소를 운반한다 그림 10.31 겸상적혈구빈혈증은 염기 하나가 변하여 생긴다. 헤모글로빈은 몸 전체로 산소를 운반한다. 정상 헤모글로빈(A)은 둥근 모양이며 서로 응집되지 않는다. 겸상적혈구빈혈증(B)의 경우, DNA 염기 하나가 변하여 헤모글로빈을 구성하는 아미노산 발린이 글루탐산으로 바뀌었다. 그 결과 헤모글로빈의 표면에 변화가 생겨 긴 막대기 모양으로 응집되면서 적혈구의 모양이 달라진다. 겸상적혈구는 혈액순환을 저해하고 빈혈 등의 합병증을 유발한다.

(2) 돌연변이는 자연적으로 생기거나 유도될 수 있다. - 돌연변이 : 자연발생적 또는 화학물질 또는 자외선에 의해 유도 - 돌연변이원 : 돌연변이를 일으키는 물질 - 자연발생돌연변이는 1/100,000정도로 낮음 (3) 돌연변이는 효과에 의해 분류된다. - 점돌연변이 : DNA염기중 1개가 변한 것  미스센스돌연변이 : 코돈의 변화로 인하여 아미노산이 다른 아미노산으로 변화 (예, 겸상적혈구빈혈증 등)  넌센스 돌연변이 : 염기 1개의 변화로 아미노산을 지정하는 코돈이 종결코돈으로 변화

그림 10. 32 자연발생 돌연변이. DNA 염기는 화학적으로 다소 불안정하여 짧은 순간 동안 변형된 형태로 존재한다

그림 10.33 유전자 중복과 결실. 알파글로빈 유전자는 중복되어 있기 때문에 제1감수분열 동안 상동염색체가 정열이 잘못되면 돌연변이가 일어나기 쉽다. 알파글로빈 유전자 하나가 없는 사람은 빈혈을 일으킬 수 있다.

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