DNA : 역사, 기능, 구조, 구성 요소 - 생물학 - 2026

DNA (디옥시리보 핵산)은 상기 생체 분자는 모두 몸을 생성하고 그 동작을 유지하기 위해 필요한 정보를 포함한다. 그것은 뉴클레오티드라고 불리는 단위로 구성되며, 차례로 인산염 그룹, 5 탄소 당 분자 및 질소 염기로 구성됩니다.

아데닌 (A), 시토신 (C), 구아닌 (G), 티민 (T)의 네 가지 질소 염기가 있습니다. 아데닌은 항상 티민과 쌍을 이루고 구아닌은 사이토 신과 쌍을 이룹니다. DNA 가닥에 포함 된 메시지는 메신저 RNA로 변환되어 단백질 합성에 참여합니다.

DNA는 생리 학적 pH에서 음전하를 띠는 매우 안정적인 분자로, 양성 단백질 (히스톤)과 결합하여 진핵 세포의 핵을 효율적으로 압축합니다. DNA의 긴 사슬은 다양한 관련 단백질과 함께 염색체를 형성합니다.

역사

1953 년 미국 제임스 왓슨과 영국 프란시스 크릭은 로잘린드 프랭클린과 모리스 윌킨스가 수행 한 결정학 연구 덕분에 DNA의 3 차원 구조를 밝혀 낼 수있었습니다. 그들은 또한 다른 저자의 작업에 근거하여 결론을 내 렸습니다.

DNA가 X- 선에 노출되면 분자의 구조를 추론하는 데 사용할 수있는 회절 패턴이 형성됩니다. 즉, 오른쪽으로 회전하는 두 개의 역 평행 사슬의 나선으로, 두 사슬은 염기 사이의 수소 결합으로 연결됩니다. . 얻은 패턴은 다음과 같습니다.

구조는 브래그의 회절 법칙에 따라 가정 할 수 있습니다. 물체가 X- 선 빔의 중앙에 배치되면 물체의 전자가 빔과 상호 작용하기 때문에 반사됩니다.

1953 년 4 월 25 일 왓슨과 크릭의 결과는 권위있는 네이처 저널에 "핵산의 분자 구조"라는 제목으로 단 두 페이지의 기사로 게재되어 생물학 분야를 완전히 혁신 할 것입니다.

이 발견 덕분에 연구원들은 분만 전에 사망 한 프랭클린을 제외하고는 1962 년 노벨 의학상을 수상했습니다. 현재이 발견은 새로운 지식을 습득하기위한 과학적 방법의 성공에 대한 위대한 지수 중 하나입니다.

구성품

DNA 분자는 인산염 그룹과 질소 염기에 연결된 5 개의 탄소 당으로 구성된 단위 인 뉴클레오티드로 구성됩니다. DNA에서 발견되는 당의 유형은 데 옥시 리보스 유형이므로 그 이름은 데 옥시 리보 핵산입니다.

사슬을 형성하기 위해, 뉴클레오타이드는 당의 3'- 하이드 록 실기 (-OH)와 다음 뉴클레오타이드의 5'- 포스 파포를 통해 포스 포디 에스테르 형 결합에 의해 공유 적으로 연결됩니다.

뉴클레오타이드를 뉴 클레오 사이드와 혼동해서는 안됩니다. 후자는 오탄당 (설탕)과 질소 염기에 의해서만 형성되는 뉴클레오티드의 일부를 나타냅니다.

DNA는 아데닌 (A), 시토신 (C), 구아닌 (G) 및 티민 (T)의 네 가지 유형의 질소 염기로 구성됩니다.

질소 염기는 퓨린과 피리 미딘의 두 가지 범주로 분류됩니다. 첫 번째 그룹은 6 개의 다른 고리에 부착 된 5 개의 원자 고리로 구성되며 피리 미딘은 하나의 고리로만 구성됩니다.

언급 된 염기 중 아데닌과 구아닌은 퓨린의 유도체입니다. 대조적으로, 티민, 시토신 및 우라실 (RNA 분자에 존재)은 피리 미딘 그룹에 속합니다.

구조

DNA 분자는 두 개의 뉴클레오티드 사슬로 구성됩니다. 이 "사슬"은 DNA 가닥으로 알려져 있습니다.

두 가닥은 상보 염기 사이의 수소 결합으로 연결됩니다. 질소 염기는 당과 인산염의 골격에 공유 적으로 연결됩니다.

한 가닥에 위치한 각 뉴클레오티드는 잘 알려진 이중 나선을 형성하기 위해 다른 가닥의 다른 특정 뉴클레오티드와 결합 될 수 있습니다. 효율적인 구조를 형성하기 위해 A는 항상 두 개의 수소 결합을 통해 T와 결합하고 G는 세 개의 결합으로 C와 결합합니다.

Chargaff의 법칙

DNA에서 질소 염기의 비율을 연구하면 A의 양이 T의 양과 동일하고 G 및 C와 동일하다는 것을 알 수 있습니다.이 패턴을 Chargaff의 법칙이라고합니다.

이 쌍은 구조 전체에 걸쳐 유사한 너비가 보존되어 당-인산 골격 분자를 따라 유사한 거리를 유지하기 때문에 에너지 적으로 유리합니다. 링의베이스는 링 중 하나와 짝을 이룹니다.

이중 나선 모델

이중 나선은 3.4 나노 미터의 중심 간 거리로 분리 된 회 전당 10.4 뉴클레오티드로 구성되어 있다고 제안됩니다. 롤링 공정은 구조물에 홈이 형성되어 더 크고 작은 홈을 관찰 할 수 있습니다.

그루브는 염기쌍의 글리코 시드 결합이 직경과 관련하여 서로 반대가 아니기 때문에 발생합니다. 피리 미딘 O-2와 퓨린 N-3은 작은 홈에서 발견되는 반면, 큰 홈은 반대쪽 영역에 있습니다.

사다리의 비유를 사용하면 가로대는 서로 보완적인 기본 쌍으로 구성되고 골격은 두 개의 손잡이 레일에 해당합니다.

DNA 분자의 끝은 동일하지 않기 때문에 우리는 "극성"이라고 말합니다. 그 끝 중 하나 인 3 '는 -OH 그룹을 가지고있는 반면, 5'말단은 유리 인산염 그룹을 가지고 있습니다.

두 가닥은 역 평행 방식으로 위치합니다. 즉, 다음과 같이 극성에 대해 반대 방향으로 위치합니다.

또한, 가닥 중 하나의 서열은 파트너에 대해 상보 적이어야하며, 위치가 A 인 경우 역 평행 가닥에는 T가 있어야합니다.

조직

각 인간 세포에는 효율적으로 포장되어야하는 약 2 미터의 DNA가 있습니다.

가닥은 세포 부피의 10 % 만 차지하는 직경 6μm의 미세한 핵에 포함될 수 있도록 압축되어야합니다. 이는 다음 수준의 압축 덕분에 가능합니다.

히스톤

진핵 생물에는 DNA 분자에 결합하는 능력이있는 히스톤이라는 단백질이 있는데, 이는 가닥의 첫 번째 압축 수준입니다. 히스톤은 인산염이 제공하는 DNA의 음전하와 상호 작용할 수있는 양전하를 가지고 있습니다.

히스톤은 진핵 생물에게 매우 중요한 단백질로 진화 과정에서 거의 변하지 않았습니다. 낮은 돌연변이율은 해당 분자에 대한 선택적 압력이 강하다는 것을 나타냅니다. 히스톤의 결함은 DNA의 결함 압축을 초래할 수 있습니다.

히스톤은 생화학 적으로 변형 될 수 있으며이 과정은 유전 물질의 압축 수준을 수정합니다.

히스톤이 "저 아세틸 화"될 때 염색질은 더 응축됩니다. 아세틸 화 된 형태는 단백질에서 라이신 (양전하를 띤 아미노산)의 양전하를 중화하기 때문입니다.

뉴 클레오 솜과 30nm 섬유

DNA 가닥은 히스톤으로 꼬여서 뉴 클레오 솜이라고 불리는 진주 목걸이의 구슬과 유사한 구조를 형성합니다. 이 구조의 중심에는 각 유형의 히스톤 (H2A, H2B, H3 및 H4)의 두 가지 사본이 있습니다. 서로 다른 히스톤의 결합을 "히스톤 옥타 머"라고합니다.

8 량체는 약 146 개의 염기쌍으로 둘러싸여 있으며, 두 번 미만으로 회전합니다. 인간 이배체 세포는 3 천만 개의 뉴 클레오 좀으로 구성된 약 6.4 x 10 ⁹ 개의 뉴클레오타이드를 포함합니다.

뉴 클레오 솜으로의 조직은 DNA가 원래 길이의 1/3 이상으로 압축되도록합니다.

생리적 조건에서 유전 물질을 추출하는 과정에서 뉴 클레오 솜이 30 나노 미터 섬유로 배열되어있는 것이 관찰됩니다.

염색체

염색체는 유전의 기능적 단위로, 그 기능은 개인의 유전자를 전달하는 것입니다. 유전자는 단백질 (또는 일련의 단백질)을 합성하기위한 정보를 포함하는 DNA 부분입니다. 그러나 RNA와 같은 조절 요소를 코딩하는 유전자도 있습니다.

모든 인간 세포 (배우자 세포와 혈액 세포 제외)에는 각 염색체의 사본이 두 개 있는데, 하나는 아버지로부터, 다른 하나는 어머니로부터 물려받습니다.

염색체는 위에서 언급 한 단백질 복합체와 관련된 긴 선형 DNA 조각으로 구성된 구조입니다. 일반적으로 진핵 생물에서 핵에 포함 된 모든 유전 물질은 일련의 염색체로 나뉩니다.

원핵 생물의 조직

원핵 생물은 핵이없는 유기체입니다. 이 종에서 유전 물질은 저 분자량의 알칼리성 단백질과 함께 고도로 감겨 있습니다. 이런 식으로 DNA는 압축되어 박테리아의 중앙 영역에 위치합니다.

일부 저자는이 구조를 "박테리아 염색체"라고 부르지 만 진핵 염색체와 동일한 특성을 가지고 있지는 않습니다.

DNA 양

모든 생물 종이 동일한 양의 DNA를 포함하는 것은 아닙니다. 사실이 값은 종간에 매우 다양하며 DNA의 양과 유기체의 복잡성 사이에는 관계가 없습니다. 이러한 모순을 "C- 값 역설"이라고합니다.

논리적 추론은 유기체가 복잡할수록 더 많은 DNA를 가지고 있다고 직관하는 것입니다. 그러나 이것은 본질적으로 사실이 아닙니다.

예를 들어, 폐 어류 Protopterus aethiopicus의 게놈은 크기가 132pg (DNA는 picograms = pg로 정량화 할 수 있음) 인 반면 인간 게놈의 무게는 3.5pg에 불과합니다.

유기체의 모든 DNA가 단백질을 암호화하는 것은 아니며, 많은 양이 조절 요소 및 다양한 유형의 RNA와 관련이 있다는 것을 기억해야합니다.

DNA의 구조적 형태

X 선 회절 패턴에서 추론 된 Watson 및 Crick 모델은 B-DNA 나선으로 알려져 있으며 "전통적"이며 가장 잘 알려진 모델입니다. 그러나 A-DNA와 Z-DNA라는 두 가지 다른 형태가 있습니다.

DNA – A

"A"변형은 B-DNA처럼 오른쪽으로 회전하지만 더 짧고 넓습니다. 이 형태는 상대 습도가 감소 할 때 나타납니다.

A-DNA는 11 개의 염기쌍마다 회전하며, 주요 홈은 B-DNA보다 좁고 깊습니다. 작은 그루브와 관련하여 이것은 더 피상적이고 넓습니다.

DNA – Z

세 번째 변종은 Z-DNA입니다. 역 평행 사슬의 이중 체로 구성된 헥사 뉴클레오타이드 그룹에 의해 형성된 가장 좁은 형태입니다. 이 모양의 가장 뛰어난 특징 중 하나는 왼쪽으로 회전하고 다른 두 가지 방법은 오른쪽으로 회전한다는 것입니다.

Z-DNA는 짧은 서열의 피리 미딘과 퓨린이 서로 교대로 나타날 때 나타납니다. B-DNA에 비해 대고 랑은 편평하고 부고 랑은 좁고 더 깊습니다.

생리적 조건 하에서 DNA 분자는 대부분 B 형태이지만 설명 된 두 가지 변종의 존재는 유전 물질의 유연성과 역 동성을 드러냅니다.

풍모

DNA 분자에는 유기체의 구성에 필요한 모든 정보와 지침이 포함되어 있습니다. 유기체의 완전한 유전 정보 세트를 게놈이라고합니다.

메시지는 "생물학적 알파벳"으로 인코딩됩니다 : 앞서 언급 한 4 개의 염기, A, T, G 및 C.

이 메시지는 일부 조절 요소에 대한 다양한 유형의 단백질 또는 코드의 형성으로 이어질 수 있습니다. 이러한 데이터베이스가 메시지를 전달할 수있는 프로세스는 아래에 설명되어 있습니다.

복제, 전사 및 번역

4 개의 문자 A, T, G 및 C로 암호화 된 메시지는 표현형이됩니다 (모든 DNA 시퀀스가 ​​단백질을 코딩하는 것은 아님). 이를 위해 DNA는 세포 분열의 각 과정에서 스스로 복제해야합니다.

DNA 복제는 반 보존 적입니다. 한 가닥은 새로운 딸 분자의 형성을위한 주형 역할을합니다. DNA primase, DNA helicase, DNA ligase 및 topoisomerase를 포함한 여러 효소에 의해 촉진되는 복제.

그 후, 염기 서열 언어로 작성된 메시지는 중간 분자 인 RNA (리보 핵산)로 전달되어야합니다. 이 과정을 전사라고합니다.

전사가 일어나려면 RNA 중합 효소를 포함하여 다른 효소가 참여해야합니다.

이 효소는 DNA 메시지를 복사하여 메신저 RNA 분자로 변환하는 역할을합니다. 즉, 전사의 목표는 메신저를 얻는 것입니다.

마지막으로 리보솜 덕분에 메시지를 메신저 RNA 분자로 번역합니다.

이러한 구조는 메신저 RNA를 취하고 번역 기계와 함께 지정된 단백질을 형성합니다.

유전 암호

메시지는 단백질의 구성 요소 인 아미노산을 지정하는 "트리플렛"또는 3 개의 문자 그룹으로 읽 힙니다. 유전 암호가 이미 완전히 밝혀 졌기 때문에 세 쌍둥이의 메시지를 해독하는 것이 가능합니다.

번역은 항상 아미노산 메티오닌으로 시작하며, 시작 삼중 항 : AUG로 인코딩됩니다. "U"는 염기 우라실을 나타내며 RNA의 특징이며 티민을 대체합니다.

예를 들어, 메신저 RNA의 서열이 AUG CCU CUU UUU UUA 인 경우 메티오닌, 프롤린, 류신, 페닐알라닌 및 페닐알라닌과 같은 아미노산으로 번역됩니다. 두 개의 트리플렛 (이 경우 UUU 및 UUA)은 동일한 아미노산 인 페닐알라닌을 코딩 할 수 있습니다.

이 특성으로 인해 아미노산은 번역의 시작을 지시하는 아미노산 메티오닌을 제외하고 하나 이상의 3 중 서열에 의해 암호화되기 때문에 유전 암호가 퇴화된다고합니다.

프로세스는 UAA, UAG 및 UGA와 같은 특정 중지 또는 중지 트리플렛으로 중지됩니다. 그들은 각각 황토색, 호박색 및 오팔의 이름으로 알려져 있습니다. 리보솜이이를 감지하면 더 이상 사슬에 더 이상 아미노산을 추가 할 수 없습니다.

화학적 및 물리적 특성

핵산은 본질적으로 산성이며 물에 용해됩니다 (친수성). 포스페이트 그룹과 펜 토스의 하이드 록실 그룹 사이에 물과 수소 결합이 형성 될 수 있습니다. 생리적 pH에서 음전하를 띕니다.

DNA 용액은 매우 단단한 이중 나선의 변형 저항 능력으로 인해 점성이 높습니다. 핵산이 단일 가닥 인 경우 점도가 감소합니다.

그들은 매우 안정적인 분자입니다. 논리적으로이 특성은 유전 정보를 전달하는 구조에 없어서는 안될 필수 요소입니다. RNA에 비해 DNA는 수산기가 부족하기 때문에 훨씬 더 안정적입니다.

DNA는 열 변성, 즉 분자가 고온에 노출되면 가닥이 분리 될 수 있습니다.

가해지는 열의 양은 분자의 G – C 비율에 따라 달라집니다. 이러한 염기는 3 개의 수소 결합으로 연결되어 분리 저항이 증가하기 때문입니다.

빛의 흡수에 관해서는 260 나노 미터에서 피크를 가지며, 핵산이 단일 가닥이면 증가하는 뉴클레오티드 고리가 노출되어 흡수를 담당하기 때문입니다.

진화

Lazcano et al. 1988 DNA는 RNA에서 전이 단계로 등장하여 생명 사에서 가장 중요한 사건 중 하나입니다.

저자는 세 단계를 제안합니다 : 핵산과 유사한 분자가있는 첫 번째 기간, 나중에 게놈이 RNA로 구성되었으며 마지막 단계로 이중 밴드 DNA 게놈이 나타났습니다.

일부 증거는 RNA에 기초한 1 차 세계 이론을 뒷받침합니다. 첫째, 단백질 합성은 DNA가 없을 때 발생할 수 있지만 RNA가 없을 때는 발생할 수 없습니다. 또한 촉매 특성을 가진 RNA 분자가 발견되었습니다.

데 옥시 리보 뉴클레오타이드 (DNA에 존재)의 합성과 관련하여 이들은 항상 리보 뉴클레오타이드 (RNA에 존재)의 감소에서 비롯됩니다.

DNA 분자의 진화 적 혁신은 DNA 전구체를 합성하고 RNA의 역전사에 참여하는 효소의 존재를 필요로했을 것입니다.

현재의 효소를 연구함으로써 이러한 단백질은 여러 번 진화했으며 RNA에서 DNA 로의 전이 과정이 이전에 믿었던 것보다 더 복잡하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

DNA 시퀀싱

DNA 시퀀싱은 DNA 가닥을 구성하는 4 개의 염기로 DNA 가닥의 서열을 설명하는 것으로 구성됩니다.

이 순서에 대한 지식은 생물학에서 가장 중요합니다. 형태 학적으로 매우 유사한 두 종을 구별하고 질병, 병리 또는 기생충을 탐지하는 데 사용할 수 있으며 법 의학적 적용 가능성도 있습니다.

Sanger 시퀀싱은 1900 년대에 개발되었으며 시퀀스를 명확히하기위한 전통적인 기술입니다. 나이에도 불구하고 유효한 방법이며 연구자들이 널리 사용합니다.

Sanger 방법

이 방법은 세포에서 DNA를 복제하는 매우 신뢰할 수있는 효소 인 DNA 중합 효소를 사용하여 기존 DNA 가닥을 가이드로 사용하여 새로운 DNA 가닥을 합성합니다. 효소는 합성을 시작하기 위해 프라이머가 필요합니다. 프라이머는 시퀀싱 할 분자에 상보적인 작은 DNA 분자입니다.

반응에서 효소에 의해 새로운 DNA 가닥에 통합 될 뉴클레오타이드가 추가됩니다.

"전통적인"뉴클레오타이드에 추가하여, 방법은 각각의 염기에 대한 일련의 디데 옥시 뉴클레오타이드를 포함한다. 그들은 두 가지 특성에서 표준 뉴클레오티드와 다릅니다. 구조적으로 DNA 중합 효소가 딸 가닥에 더 많은 뉴클레오티드를 추가하는 것을 허용하지 않으며 각 염기에 대해 다른 형광 마커를 가지고 있습니다.

그 결과, 디데 옥시 뉴클레오티드가 무작위로 통합되어 다른 단계에서 복제 과정을 중단했기 때문에 길이가 다른 다양한 DNA 분자가 생성되었습니다.

이러한 다양한 분자는 길이에 따라 분리 될 수 있으며 뉴클레오티드의 정체는 형광 라벨에서 방출되는 빛을 통해 판독됩니다.

차세대 시퀀싱

최근에 개발 된 시퀀싱 기술을 통해 수백만 개의 샘플을 동시에 대량 분석 할 수 있습니다.

가장 뛰어난 방법 중에는 파이로 시퀀싱, 합성 시퀀싱, 라이 게이션 시퀀싱 및 Ion Torrent의 차세대 시퀀싱이 있습니다.

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