생물계의 혁명, DNA와 이중 나선 구조의 발견

DNA(deoxyribonucleic acid):

DNA가 유전 물질이라는 것은 20세기들어 밝혀졌으며 이전까지는 염색체의
단백질 안에 유전 정보가 들어있을 것으로 믿었다.

영국의 세균학자 프레드 그리피스가 생쥐를 이용한 폐렴균 실험을 통해 '형질전환 물질'이 본래 감염성이 없던 폐렴균을 폐렴균에 걸린 생쥐에게 주입했을때 이 생쥐의 몸속에서 폐렴을 발생시키는 균으로 형질을 전환시켜서 폐렴에 감염된다는 것을 밝혀 냈다.

DNA가 유전정보의 매개체로 작용한다고 하는 실험은 1944년 미국 오즈월드 에이버리 등에 의해 진행되었고 에이버리 외의 과학자들은 그리피스의 실험을 기초로, 감염성 S형의DNA가 비감염성 폐렴균 R형의 DNA에 전이되어 감염성 S형으로 형질 전환이 된다는 것을 확인하였다.

분꽃을 이용한 실험으로 유명한 그레고르 멘델의 '멘델의 유전법칙'이 주목을 받기 시작하자, 유전에 대한 이론적 기초가 세워지기 시작했고 유전자의 정체가 무엇인지 연구를 하다
처음에 학자들이 복잡한 정보를 가진 단백질을 유전물질로 지목했었다.

DNA는 1860년대 스위스 생리화학자인 프리드리히 미셰르가 처음 발견했다. 당시 독일에서 활동하던 미셰르는 병원에서 수술한 환자의 붕대에 묻어있는 고름에서 백혈구 세포를 채취, 이로부터 단백질을 추출하던 중 인산 성분이 매우 높고 단백질 분해효소로 분해되지 않는 물질을 발견했고 당시 미셰르는 이 물질을 '뉴크레인(nuclein)'이라고 이름 붙였고 이것이 오늘날 우리가 알고있는 DNA이다. 이것이 최초 DNA의 발견이었고 오늘날, 이 사건이 있었던 1869년을 유전학 연구의 이정표를 세운해로 기록하고 있지만 미셰르의 성과는 초기에 그다지 주목 받지 못했었다.

1950년, 앨프리드 허시와 체이스가 대장균에 감염하는 박테리오파지를 이용한 실험을 통해 DNA가 유전물질이라는 사실을 결정적으로 밝히게 되었고 파지는 DNA와 단백질로 이루어진 바이러스로 숙주인 대장균을 감염시켜서 새로운 파지들을 만들어낸다. 이러한 사실을 기초로 허시와 체이스는 2가지 종류의 파지를 준비했다, 한 종류는 방사선 동위원소로 파지의 단백질을 표지하고 다른 종류는 파지의 DNA를 표지했다. 이들 파지를 각각 대장균에 감염시킨 후 방사선 동위원소의 위치를 확인한 결과, 숙주의 체내로 들어가서 새로운 파지를 만드는 유전물질이 DNA임을 확인했다. DNA는 거의 모든 생물의 유전물질이지만, 레트로바이러스와 같은 바이러스들은 유전물질로 DNA 대신 RNA를 가지고 있다.

*RNA(ribo nucleic acid)
source: http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=933244&cid=43667&categoryId=43667

핵산의 일종으로, 유전자 본체 DNA(디옥시리보 핵산)이 가지고 있는 유전정보에
따라 필요한 단백질을 합성할 때 직접적으로 작용하는 고분자 화합물이다.
리보오스, 염기, 인산의 세 가지 성분으로 되어있으며 DNA의 염기인 티민(T)대신
우라실(U)을 가진다. RNA는 DNA로부터 만들어지고 DNA는 핵 속에서
transcription factor의 작용에 의해 RNA를 생성한다. RNA는 DNA의 정보를
직접저긍로 받는 mRNA, mRNA로부터 폴리펩타이드(단백질)을 합성하는 데 작용
하는 tRNA, 단백질 합성에 작용하는 리보솜의 작용에 관여하는 rRNA로 구분한다.
DNA는 RNA와 사슬 구조에서 차이가 나는데, DNA의 염기는 A, G, C, T이며
RNA의 염기는 A, G, C, U이다. 그리고 DNA는 이중나선인 반면, RNA는 단일사슬이다.


*리보솜
source: 두산 백과

RNA와 단백질로 이루어진 복합체로서 세포질 속에서 단백질을 합성하는 역할
리보솜에서 단백질이 합성되면 단백질이 효소로 작용해 세포 내의 특수한 화학반응
을 진행시키고 여러 가지 화학 반응 결과 유전 형질이 나타나게 된다.



DNA의 분자구조는 1953년 미국의 제임스 왓슨과 영국의 프랜시스 크릭에 의해 해명되었다. 이 구조는 2중나선(二重螺旋:double helix)구조로, 뉴클레오티드 (뉴클레오티드?)의 기다란 사슬 두 가닥이 새끼줄처럼 꼬여있는 형태이다. 마치 사다리를 비틀어서 꼬아놓은 것과 같은 것이라고도 할 수 있다.

오른쪽- 제임스 왓슨
왼쪽- 프랜시스 크릭

1953년 4월에 제임스 왓슨(James Watson)과 프랜시스 크릭(Francis Crick)은 DNA가 이중나선 구조임을 '네이처'에 발표했고 이로부터 9년 후 생물학계의 가장 중요한 수수께끼를 푼 공로를 인정받아, DNA의 구조를 밝히는데 기여한 또 다른 과학자 모리스 윌킨스와 함께 노벨 생리의학상을 수상하였다.

당시 저명한 과학자 라이너스 폴링과 왓슨과 크릭이 경쟁관계에 있었는데, 폴링은 물질과 결정들의 화학결합 및 구조연구에 대한 공로를 인정받아 1954년 화학분야에서 노벨상을 받았다. 그는 DNA구조가 삼중나선이라고 가정하고 인산의 뼈대가 안쪽, 염기가 바깥쪽에 있는 모델을 제시했으나 설명할 수 없었던 부분들이 많았다.

당시 네이처에 실린 이중나선구조에 대한 논문

로잘린드 프랭클린의 실험 데이터(X선 사진)가 DNA의 구조를 밝히는 과정에서 매우 중요한 단서를 제공했기 때문에 많은 사람들이 로잘린드 프랭클린도 함께 노벨상을 받았어야 한다고 안타까워하지만 1958년 그녀의 실험으로 방사능에 노출된 탓에 백혈병으로 죽어, 살아있는 사람에게만 상을 주는 노벨상의 관례에 따라 제외되었다. 훗날 왓슨은 'Scientific American'에 실린 인터뷰에서 윌킨스와 프랭클린은 노벨 화학상을, 자신과 크릭은 노벨 생리의학상을 받았더라면 좋았을 것이라고 말하기도 하였다.

A,G,C,T 는 아데닌(Adenine), 구아닌(Guanine), 사이토신(Cytosine), 타이민
(Thymine)의 4종의 염기를 표시, S는 디옥시리보오스(C5H10O4), P는 인산(H3PO4)을 나타낸다. 사다리의 두 다리는 디옥시리보오스와 인산의 연결에 해당하고 사다리의 발판은
두다리에서 직각으로 뻗어나와 서로 마주보고 있는 염기에 해당한다고 할 수 있다.

A, G, C, T의 4가지 염기는 반드시 3개가 자유롭게 만나 암호문을 만드는데, 따라서
AGC, AGT등 총 64가지의 암호문을 만들 수 있다. 이와 같이 3개의 염기로 된 DNA
의 트리플렛 코드(triplet code, 3염기설)는 독특한 아미노산을 지정하게 되므로
DNA 가닥의 염기 배열 순서에 따라 만들어지는 단백질의 종류가 달라진다. 그래서 DNA
가닥의 염기 배열 순서가 바로 유전 정보가 된다.

위의 구조에서 A는 T, G는 C와 서로 짝을 이루고 있는데 그들 사이의 점선은 이 두 염기 사이에 형성된 약한 결합인 수소결합( 수소결합 )을 의미한다. A와 T는 두 곳에서 수소결합이 형성되어 있고, G와 C 사이에는 세곳에서 형성되어 있다. 이 수소결합으로 2개의 서로 마주보는 염기가 붙들려 있어 사다리의 두 다리 또는 새끼의 두 가닥이 서로 붙어 있는 형상을 하게 된다. 염기와 염기와의 결합은 비교적 약한 수소 결합이어서 이중 나선은 단일 나선으로 풀릴 수 있으며 이를 위해서는 헬리카제(helicase, DNA에서 수소 결합을 전단해
나선 구조를 풀게 해주는 효소의 일종)나 그 밖의 여러 조건이 필요하다. 그러다 외부의
힘이 사라지면 다시 염기가 결합해 이중나선 구조를 이룬다.

DNA의 2중 나선 구조에서는 A는 반드시 T, G는 반드시 C와 마주보고있는데
그 이유는 4종 염기의 화학구조 때문이다. 그리고 이렇게 짝지었을 때 비로소
두 가닥이 일정한 간격을 가지고 2중나선 구조를 유지할 수 있다.

DNA를 뉴클레오티드로 완전히 분해한 다음 4종의 염기의 함량비를 측정해보면
A의 함량은 T와 같고 G의 함량은 C와 같다.(어윈 샤가프의 '염기동량설'- 염기쌍의
원리를 밝히는데 결정적인 단서를 제공했다.)
그리고 이 A와 T, G와 C의 짝은 DNA가 유전자로서의 기능을 나타내는 데 매우 중요한 의미가 있다. 또한 DNA의 2중나선 구조에서 나선의 한 바퀴 수직길이는 3.4nm이고 뉴클레오티드
10개가 나선 한 바퀴를 형성한다. 나선의 지름은 2nm이다.


추가자료:
DNA 이중나선 구조 EBS 동영상 <공감의 시대, 왜 다윈인가> 1강 귀뚜라미의 소통과 비빔밥의 창발성
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=2449380&cid=51642&categoryId=51643

EBS 특별기획 통찰(洞察) - <이기적 유전자, 이타적 인간을 말하다>https://www.youtube.com/watch?v=4QyWZxm1bOg

출처:
두산백과, 네이버 백과사전, 네이버 캐스트