핵산 : 특성, 기능, 구조 - 생물학

핵산은 뉴클레오티드라는 단위 또는 단량체에 의해 형성된 큰 생체 분자이다. 그들은 유전 정보의 저장과 전송을 담당합니다. 그들은 또한 단백질 합성의 각 단계에 참여합니다.

구조적으로 각 뉴클레오타이드는 인산염 그룹, 5 탄소 당 및 헤테로 사이 클릭 질소 염기 (A, T, C, G 및 U)로 구성됩니다. 생리적 pH에서 핵산은 음전하를 띠고 물에 용해되며 점성 용액을 형성하며 매우 안정적입니다.

출처 : pixabay.com

핵산에는 DNA와 RNA의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 두 핵산의 구성은 비슷합니다. 둘 다 포스 포디 에스테르 결합으로 연결된 일련의 뉴클레오티드를 찾습니다. 그러나 DNA에서 티민 (T)과 RNA 우라실 (U)을 찾습니다.

DNA는 더 길고 이중 나선 형태이며 RNA는 단일 가닥으로 구성됩니다. 이 분자는 바이러스에서 큰 포유류에 이르기까지 모든 살아있는 유기체에 존재합니다.

역사적 관점

핵산 발견

핵산의 발견은 Friedrich Miescher가 염색질을 확인한 1869 년으로 거슬러 올라갑니다. 그의 실험에서 Miescher는 코어에서 젤라틴 물질을 추출하고이 물질이 인이 풍부하다는 것을 발견했습니다.

처음에는 신비한 자연의 물질이 "누 클레인"으로 지정되었습니다. 뉴 클레인에 대한 이후의 실험은 인이 풍부 할뿐만 아니라 탄수화물과 유기 염기도 풍부하다는 결론을 내 렸습니다.

Phoebus Levene은 뉴 클레인이 선형 고분자임을 발견했습니다. 핵산의 기본적인 화학적 성질은 알려져 있지만,이 고분자와 생물의 유전성 물질 사이에 관계가있는 것으로 간주되지 않았습니다.

DNA 기능 발견

1940 년대 중반, 생물의 정보를 전달하고 저장하는 역할을 담당하는 분자가 4 개의 매우 유사한 모노머 (뉴클레오타이드)로 구성된 DNA와 같은 단순한 형태의 분자에 존재한다는 것은 당시의 생물 학자들에게 설득력이 없었습니다. 마다.

20 가지 유형의 아미노산으로 구성된 단백질 인 폴리머는 당시 유전 분자가 될 수있는 가장 그럴듯한 후보로 보였습니다.

이 견해는 1928 년 연구원 Fred Griffith가 뉴 클레인이 유전에 관여한다고 의심했을 때 바뀌 었습니다. 마지막으로 1944 년 오스왈드 에이버리는 DNA에 유전 정보가 포함되어 있다는 강력한 증거로 결론을 내 렸습니다.

따라서 DNA는 단지 4 개의 빌딩 블록으로 구성된 지루하고 단조로운 분자에서 엄청난 수의 정보를 저장할 수 있고 정확하고 정확하며 효율적인 방식으로 보존하고 전송할 수있는 분자로 발전했습니다.

DNA 구조 발견

1953 년은 과학자 제임스 왓슨과 프란시스 크릭이 DNA의 정확한 구조를 밝혀 냈기 때문에 생물학에있어서 혁명적이었습니다.

X 선 반사 패턴의 분석을 바탕으로 Watson과 Crick의 결과는 분자가 인산염 그룹이 외부 백본을 형성하고 염기가 내부로 돌출하는 이중 나선이라는 것을 시사했습니다.

난간이 인산염 그룹에 해당하고 가로대가 바닥에 해당하는 사다리의 비유가 일반적으로 사용됩니다.

DNA 시퀀싱의 발견

지난 20 년 동안 DNA 염기 서열 분석을 통해 생물학에서 놀라운 발전이 이루어졌습니다. 기술 발전 덕분에 오늘날 우리는 DNA 서열을 상당히 높은 정밀도로 아는 데 필요한 기술을 갖게되었습니다. "서열"이란 염기의 순서를 의미합니다.

처음에는 시퀀스를 설명하는 작업이 비용이 많이 들고 완료하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다. 현재 전체 게놈의 순서를 아는 것은 문제가되지 않습니다.

형질

충전 및 용해도

이름에서 알 수 있듯이 핵산의 성질은 산성이며 물에 대한 용해도가 높은 분자입니다. 즉, 친수성입니다. 생리적 pH에서 분자는 인산염 그룹의 존재로 인해 음전하를 띤다.

그 결과 DNA가 결합 된 단백질은 양전하를 띠는 아미노산 잔기가 풍부합니다. DNA의 올바른 결합은 세포 포장에 중요합니다.

점도

핵산의 점도는 이중 또는 단일 밴드인지에 따라 다릅니다. 이중 밴드 DNA는 구조가 견고하고 변형에 강하기 때문에 고점도의 용액을 형성합니다. 또한, 직경에 비해 매우 긴 분자입니다.

대조적으로, 점도가 낮은 단일 밴드 핵산 용액도 있습니다.

안정

핵산의 또 다른 특징은 안정성입니다. 당연히 유전의 저장과 같은 필수 작업을 수행하는 분자는 매우 안정적이어야합니다.

상대적으로 DNA는 하이드 록 실기가 없기 때문에 RNA보다 더 안정적입니다.

이 화학적 특성은 핵산의 진화와 유전 물질로서의 DNA 선택에 중요한 역할을했을 가능성이 있습니다.

일부 저자가 제안한 가상의 전환에 따르면 RNA는 진화 과정에서 DNA로 대체되었습니다. 그러나 오늘날에는 RNA를 유전 물질로 사용하는 바이러스가 있습니다.

자외선 흡수

핵산의 흡수는 또한 그것이 이중 대역인지 단일 대역인지에 따라 달라집니다. 구조에서 링의 흡수 피크는 260 나노 미터 (nm)입니다.

이중 밴드 DNA 가닥이 분리되기 시작하면 뉴클레오티드를 구성하는 고리가 노출되기 때문에 앞서 언급 한 파장에서 흡수가 증가합니다.

이 매개 변수는 흡수를 측정하여 샘플에 존재하는 DNA의 양을 추정 할 수 있기 때문에 실험실의 분자 생물 학자에게 중요합니다. 일반적으로 DNA의 특성에 대한 지식은 실험실에서 DNA의 정제 및 치료에 기여합니다.

분류 (유형)

두 가지 주요 핵산은 DNA와 RNA입니다. 둘 다 모든 생명체의 구성 요소입니다. DNA는 deoxyribonucleic acid를, RNA는 ribonucleic acid를 나타냅니다. 두 분자 모두 유전과 단백질 합성에서 근본적인 역할을합니다.

DNA는 유기체의 발달에 필요한 모든 정보를 저장하는 분자로 유전자라고하는 기능 단위로 분류됩니다. RNA는이 정보를 수집하고 단백질 복합체와 함께 정보를 뉴클레오티드 사슬에서 아미노산 사슬로 변환합니다.

RNA 가닥은 수백 또는 수천 개의 뉴클레오티드 길이가 될 수있는 반면, DNA 가닥은 수백만 개의 뉴클레오티드를 초과하며 염료로 염색 된 경우 광학 현미경으로 시각화 할 수 있습니다.

두 분자 간의 기본적인 구조적 차이점은 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.

RNA

세포에는 단백질 합성을 조율하기 위해 함께 작동하는 다양한 유형의 RNA가 있습니다. RNA의 세 가지 주요 유형은 메신저, 리보솜 및 전달입니다.

메신저 RNA

메신저 RNA는 DNA에 존재하는 메시지를 복사하여 리보솜이라는 구조에서 발생하는 단백질 합성으로 전달하는 역할을합니다.

리보솜 또는 리보솜 RNA

리보솜 RNA는이 필수 기계 인 리보솜의 일부로 발견됩니다. 리보솜 중 60 %는 리보솜 RNA로 구성되고 나머지는 거의 80 개의 다른 단백질이 차지합니다.

RNA 전달

트랜스퍼 RNA는 아미노산 (단백질의 구성 요소)을 리보솜으로 전달하여 통합하는 일종의 분자 어댑터입니다.

작은 RNA

이 세 가지 기본 유형 외에도 단백질 합성 및 유전자 발현에 필수적인 역할을하는 최근에 발견 된 여러 추가 RNA가 있습니다.

snRNA로 약칭되는 작은 핵 RNA는 메신저 RNA의 스 플라이 싱 (인트론 제거 과정)에서 촉매 적 실체로 참여합니다.

작은 nucleolar RNA 또는 snoRNA는 리보솜 서브 유닛의 일부를 형성 할 pre-ribosomal RNA 전 사체의 처리에 관여합니다. 이것은 핵소체에서 발생합니다.

짧은 간섭 RNA 및 microRNA는 유전자 발현의 조절이 주요 역할을하는 작은 RNA 서열입니다. MicroRNA는 DNA에서 인코딩되지만 단백질로의 번역은 계속되지 않습니다. 단일 가닥이며 메시지 RNA를 보완하여 단백질로의 번역을 억제 할 수 있습니다.

구조 및 화학 성분

핵산은 뉴클레오티드라고하는 단량체 단위로 구성된 긴 중합체 사슬입니다. 각각은 다음으로 구성됩니다.

인산기

네 가지 유형의 뉴클레오타이드가 있으며 공통 구조를 가지고 있습니다 : 포스 포디 에스테르 결합을 통해 오탄당에 연결된 인산염 그룹. 인산염의 존재는 분자에 산성 특성을 부여합니다. 인산기는 세포의 pH에서 해리되므로 음전하를 띠게됩니다.

이 음전하는 전하가 양인 분자와 핵산의 결합을 허용합니다.

소량의 뉴 클레오 사이드는 세포 내부와 세포 외액에서 발견 될 수 있습니다. 이들은 뉴클레오타이드의 모든 구성 요소로 구성된 분자이지만 인산염 그룹이 없습니다.

이 명명법에 따르면, 뉴클레오타이드는 5 '탄소에 위치한 하이드 록실에서 에스테르 화 된 1 개, 2 개 또는 3 개의 포스페이트 그룹을 갖는 뉴 클레오 사이드입니다. 세 개의 인산염을 가진 뉴 클레오 사이드는 핵산 합성에 관여하지만 세포의 다른 기능도 수행합니다.

오탄당

5 탄당은 5 개의 탄소 원자로 구성된 단량체 탄수화물입니다. DNA에서 5 탄당은 데 옥시 리보스로, 탄소 2 '에서 하이드 록실 그룹이 손실되는 것을 특징으로합니다. RNA에서 5 탄당은 리보스입니다.

질소 염기

5 탄당은 차례로 유기 염기에 결합됩니다. 뉴클레오티드의 정체는 염기의 정체에 의해 제공됩니다. 아데닌 (A), 구아닌 (G), 시토신 (C), 티민 (T), 우라실 (U)의 5 가지 유형이 있습니다.

문헌에서이 다섯 글자가 전체 뉴클레오티드를 지칭하는 데 사용된다는 사실은 일반적입니다. 그러나 엄밀히 말하면 이들은 뉴클레오타이드의 일부일뿐입니다.

처음 세 개, A, G 및 C는 DNA와 RNA 모두에 공통적입니다. T는 DNA에 고유하고 우라실은 RNA 분자로 제한됩니다.

구조적으로 염기는 탄소와 질소 분자로 구성된 고리가있는 헤테로 사이 클릭 화합물입니다. A와 G는 한 쌍의 융합 된 고리로 형성되며 퓨린 그룹에 속합니다. 나머지 염기는 피리 미딘에 속하며 그 구조는 단일 고리로 구성됩니다.

두 가지 유형의 핵산 모두에서 추가 메틸기와 같은 일련의 변형 된 염기를 찾는 것이 일반적입니다.

이 이벤트가 발생하면 염기가 메틸화되었다고 말합니다. 원핵 생물에서는 메틸화 된 아데닌이 일반적으로 발견되며, 원핵 생물과 진핵 생물 모두에서 시토신은 추가적인 메틸기를 가질 수 있습니다.

중합은 어떻게 발생합니까?

앞서 언급했듯이 핵산은 모노머 (뉴클레오타이드)로 구성된 긴 사슬입니다. 사슬을 형성하기 위해 이들은 특별한 방식으로 연결됩니다.

뉴클레오타이드가 중합되면 뉴클레오타이드 중 하나의 당의 3 '탄소에서 발견되는 하이드 록실 그룹 (-OH)은 다른 뉴클레오타이드 분자의 인산염 그룹과 에스테르 결합을 형성합니다. 이 결합이 형성되는 동안 물 분자가 제거됩니다.

이러한 유형의 반응을 "축합 반응"이라고하며 두 아미노산 잔기 사이에 단백질의 펩타이드 결합이 형성 될 때 발생하는 반응과 매우 유사합니다. 각 뉴클레오티드 쌍 사이의 결합을 포스 포디 에스테르 결합이라고합니다.

폴리펩티드에서와 마찬가지로 핵산 사슬은 말단에 두 가지 화학적 방향을 가지고 있습니다. 하나는 말단 당의 5 '탄소에 유리 수산기 또는 인산염기를 포함하는 5'말단이고 3 말단에는 ´ 우리는 탄소 3´의 자유 히드 록실 그룹을 찾습니다.

각 DNA 블록이 한쪽 끝이 삽입되고 다른 블록이 삽입 될 수있는 자유 구멍이있는 레고 세트라고 가정 해 봅시다. 인산염이있는 5 '끝은 삽입 될 끝이되고 3'은 자유 구멍과 유사합니다.

기타 뉴클레오타이드

세포에서 우리는 위에서 언급 한 것과 다른 구조를 가진 다른 유형의 뉴클레오티드를 찾습니다. 이들은 핵산의 일부가 아니지만 매우 중요한 생물학적 역할을합니다.

가장 관련성이 높은 것 중에는 FMN, 코엔자임 A, 아데닌 디 뉴클레오타이드 및 니코틴 아민으로 알려진 리보플라빈 모노 뉴클레오타이드가 있습니다.

RNA 구조

핵산 중합체의 선형 구조는 이러한 분자의 기본 구조에 해당합니다. 폴리 뉴클레오타이드는 또한 단백질에서 발견되는 접힘과 유사한 비공유 힘에 의해 안정화 된 3 차원 배열을 형성하는 능력을 가지고 있습니다.

DNA와 RNA의 주요 구성은 매우 유사하지만 (위에서 언급 한 차이점을 제외하고) 구조 구성은 현저하게 다릅니다. RNA는 일반적으로 단일 뉴클레오티드 사슬로 발견되지만 다른 배열을 취할 수 있습니다.

예를 들어, 전달 RNA는 100 개 미만의 뉴클레오티드로 구성된 작은 분자입니다. 전형적인 2 차 구조는 팔이 세 개인 클로버 형태입니다. 즉, RNA 분자는 내부에서 상보적인 염기를 찾아 스스로 접을 수 있습니다.

리보솜 RNA는 복잡한 3 차원 형태를 취하고 2 차 및 3 차 구조를 나타내는 더 큰 분자입니다.

DNA 구조

이중 나선

선형 RNA와 달리 DNA 배열은 두 개의 얽힌 가닥으로 구성됩니다. 이 구조적 차이는 특정 기능을 수행하는 데 중요합니다. RNA는 당이 제공하는 추가 OH 그룹에 의해 부과되는 입체 장애로 인해 이러한 유형의 나선을 형성 할 수 없습니다.

기초 상보성

기지 사이에는 상보성이 있습니다. 즉, 크기, 모양 및 화학적 구성의 결과로 퓨린은 수소 결합을 통해 피리 미딘과 쌍을 이루어야합니다. 이러한 이유로 자연 DNA에서 A는 거의 항상 T와 G와 C와 쌍을 이루어 파트너와 수소 결합을 형성합니다.

G와 C 사이의 염기쌍은 세 개의 수소 결합으로 연결되어있는 반면, 쌍 A와 T는 더 약하고 두 개의 수소 결합 만이 이들을 함께 묶습니다.

DNA 가닥을 분리 할 수 있으며 (이는 세포와 실험실 절차 모두에서 발생) 필요한 열은 분자의 GC 양에 따라 달라집니다. 크기가 클수록 분리하는 데 더 많은 에너지가 필요합니다.

스트랜드 방향

DNA의 또 다른 특징은 반대 방향입니다. 가닥은 5'-3 '방향으로 실행되고 파트너는 3'-5'방향으로 실행됩니다.

자연적인 형태와 실험실

자연에서 일반적으로 발견되는 구조 또는 형태를 DNA B라고합니다. 이것은 3.4의 거리로 분리 된 각 턴마다 10.4 개의 뉴클레오티드를 갖는 것이 특징입니다. DNA B가 오른쪽으로 바뀝니다.

이 와인딩 패턴은 두 개의 고랑, 하나는 더 크고 하나는 더 작게 나타납니다.

실험실 (합성)에서 형성된 핵산에서는 매우 특정한 조건에서도 나타나는 다른 형태를 찾을 수 있습니다. 이들은 DNA A와 DNA Z입니다.

변형 A도 오른쪽으로 회전하지만 자연스러운 것보다 짧고 다소 넓습니다. 분자는 습도가 감소 할 때이 모양을 취합니다. 11 개의 기본 쌍마다 회전합니다.

마지막 변형은 좁고 왼쪽으로 회전하는 것이 특징 인 Z입니다. 그것은 반 평행 사슬의 이중 체로 그룹화 된 헥사 뉴클레오타이드 그룹에 의해 형성됩니다.

풍모

DNA : 유전 분자

DNA는 정보를 저장할 수있는 분자입니다. 우리가 알고있는 지구상의 삶은 그러한 정보를 저장하고 번역하는 능력에 달려 있습니다.

세포의 경우 DNA는 살아있는 유기체의 제조, 개발 및 유지에 필요한 모든 지침이있는 일종의 라이브러리입니다.

DNA 분자에서 우리는 유전자라고 불리는 별개의 기능적 실체의 조직을 발견합니다. 그들 중 일부는 단백질로 운반되고 다른 일부는 규제 기능을 수행합니다.

이전 섹션에서 설명한 DNA의 구조는 기능 수행의 핵심입니다. 나선은 복제 및 전사 이벤트의 핵심 속성 인 쉽게 분리 및 결합 할 수 있어야합니다.

DNA는 세포질의 특정 부위에있는 원핵 생물에서 발견되는 반면, 진핵 생물에서는 핵 내에 위치합니다.

RNA : 다기능 분자

단백질 합성에서의 역할

RNA는 단백질 합성의 여러 단계와 유전자 발현 조절에서 발견되는 핵산입니다.

단백질 합성은 DNA의 암호화 된 메시지를 메신저 RNA 분자로 전사하는 것으로 시작됩니다. 다음으로 메신저는 인트론이라는 이름으로 알려진 번역되지 않을 부분을 제거해야합니다.

RNA 메시지를 아미노산 잔기로 번역하려면 두 가지 추가 구성 요소가 필요합니다. 리보솜의 일부인 리보솜 RNA와 아미노산을 운반하고 펩타이드 사슬에 올바른 아미노산을 삽입하는 역할을하는 전달 RNA입니다. 훈련 중.

즉, 각 주요 유형의 RNA가이 과정에서 중요한 역할을합니다. DNA에서 메신저 RNA로 그리고 마지막으로 단백질로의이 통로는 생물 학자들이 "생물학의 중심 교리"라고 부르는 것입니다.

그러나 과학은 교리에 기반을 둘 수 없기 때문에 레트로 바이러스와 같이이 전제가 충족되지 않는 다른 경우가 있습니다.

규제에서의 역할

위에서 언급 한 작은 RNA는 합성에 간접적으로 참여하고 메신저 RNA 합성을 조율하고 발현 조절에 참여합니다.

예를 들어, 세포에는 작은 RNA에 의해 조절되는 다른 메신저 RNA가 있으며, 이것에 상보적인 서열을 가지고 있습니다. 작은 RNA가 메시지에 부착되면 메신저를 절단하여 번역을 방해 할 수 있습니다. 이러한 방식으로 규제되는 여러 프로세스가 있습니다.

참고 문헌

Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). 필수 세포 생물학. 갈랜드 과학.
Berg, JM, Tymoczko, JL, Stryer, L. (2002). 생화학. 5 판. WH Freeman.
Cooper, GM 및 Hausman, RE (2000). 세포 : 분자 적 접근. Sinauer Associates.
Curtis, H., & Barnes, NS (1994). 생물학에 초대합니다. 맥밀란.
Fierro, A. (2001). DNA 구조 발견의 간략한 역사. Rev Méd Clínica Las Condes, 20, 71-75.
Forterre, P., Filée, J. & Myllykallio, H. (2000-2013) DNA 및 DNA 복제 기계의 기원과 진화. 에서 : Madame Curie Bioscience Database. Austin (TX) : Landes Bioscience.
Karp, G. (2009). 세포 및 분자 생물학 : 개념 및 실험. John Wiley & Sons.
Lazcano, A., Guerrero, R., Margulis, L., & Oro, J. (1988). 초기 세포에서 RNA에서 DNA 로의 진화 적 전환. 분자 진화 저널, 27 (4), 283-290.
Lodish, H., Berk, A., Darnell, JE, Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP,… & Matsudaira, P. (2008). 분자 세포 생물학. 맥밀란.
Voet, D. 및 Voet, JG (2006). 생화학. Panamerican Medical Ed.
Voet, D., Voet, JG, & Pratt, CW (1999). 생화학의 기초. 뉴욕 : John Willey and Sons.

핵산 : 특성, 기능, 구조 - 생물학 - 2026