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DNA에서 단백질까지 목록

조회 : 18423 | 2007-06-11


실험 개요


DNA퍼즐킷 활동을 통해 단백질 분화과정을 이해할 수 있다.



실험 과정
1) 인과 DNA당 그리고 염기를 연결하여 네가지의 기본 뉴클레오티드를 만든다.
2) 네가지 뉴클레오티드를 TGCACC 염기 서열에 따라 결합하여 DNA를 완성한다.
3) DNA 정보를 얻게 될 RNA가 각각의 상보적인 염기서열에 따라 연결한다.
이때, Adenine(아데닌)의 상보적인 염기는 Thymine(티민) 대신 uracil(우라실)을 가진다.
4) 핵 안에서 DNA 정보를 읽은 mRNA는 핵공을 통해 세포질로 이동하여 Ribosome(리보솜)에 도착한다.
5) P site에는 glycine(글리신) 아미노산을 가진 tRNA가 와서 mRNA와 결합한다.
6) A site에는 Alanine(알라닌) 아미노산을 가진 tRNA가 와서 mRNA와 결합한다.
7) P site에 있던 tRNA는 A site에 있는 tRNA에게 아미노산을 연결시켜 주고 분해되어 리보솜을 떠난다.
8) A site에 있는 tRNA는 P site로 이동하고 A site에는 새로운 아미노산이 들어와 P site로부터 아미노산을 넘겨받는다.
9) 이와 같은 과정을 반복하면서 계속해서 쌓여가는 아미노산이 단백질이다.






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실험 속 과학 원리

DNA가 가지고 있는 정보가 어떤 과정을 통해서 세포로 전달되는지 퍼즐을 통해 더 쉽게 이해할 수 있는 활동이다. 



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참고 자료
1. DNA란?

DNA는 기본 단위인 뉴클레오티드(nucleotide)가 수백만 개 연결되어 만들어진 있는 긴 중합체이다.
뉴클레오티드는 인산기, 당(데옥시리보오스, Deoxyribose), 염기로 구성되어 있다. DNA를 구성하는 모든 뉴클레오티드에서 인산기와 당은 동일하며 단지 염기의 종류만 달라 4종류의 염기가 4종류의 뉴클레오티드를 만든다. DNA는 뉴클레오티드 간에 당-인산-당형태의 에스테르결합에 의해 연결되어 있는 폴리뉴클레오티드이다.





2. DNA의 구조와 자기복제

가. 미셔(Miescher, 스위스)의 핵산발견
1869년에 환자의 고름 속에 있는 백혈구로부터 핵산(DNA)을 처음 추출하여 "뉴클레인"이라 명명하였지만, 그 중요성에 대해서는 인정받지 못함.

나. 토드(Todd, 영국) - 핵산의 화학적 구조 밝힘(1940)
핵산은 당과 인산이 교대로 연결되어 사슬을 이루고 있으며 당에는 질소염기가 하나씩 결합하고 있는 고분자 화합물이다.






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다. 뉴클레오티드(nucleotide) = 염기 + 당 + 인산
핵산(DNA, RNA)구성의 기본단위로서 질소를 함유한 유기물 1분자(염기성이므로 염기라고 부름)와 5탄당 1분자, 무기인산 1분자(염기 : 당 : 인산 = 1 : 1 : 1)로 구성된 물질임.






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① 염기 : 질소를 함유한 유기물로 염기성이므로 염기라고 부른다.
㉮ 퓨린 계통의 염기(퓨린 유도체) - 퓨린 핵을 갖는 염기로 두 개의 고리로 구성됨.  예) 아데닌(A), 구아닌(G)
㉯ 피리미딘 계통의 염기(피리미딘 유도체) - 피리미딘 핵을 갖는 염기로 두 개의 고리로 구성됨. 예) 시토신(C3), 티민(T2), 우라실(U)
☞ 퓨린 핵이 피리미딘 핵보다 분자 지름이 더 크다.






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② 당 : 5탄당으로 두 종류가 있다.
㉮ 디옥시 리보오스(deoxyribose) - DNA 구성 성분으로 이용된다.
㉯ 리보오스(ribose ) - RNA 구성 성분으로 이용된다.





③ 인산 : 무기인산(H3PO4)만으로 구성된다.

 



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라. 핵산 (DNA, RNA)
많은 뉴클레오티드(nucleotide)가 결합한 폴리뉴클레오티드(polynucleotide)가 핵산이다. 핵산은 반드시 단백질과 결합된 상태의 핵단백질(nucleoprotein)로 되어있다.






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☞ RNA의 종류 : RNA는 유전에 있어서의 역할에 따라 리보솜RNA(rRNA), 전령RNA(mRNA), 운반 RNA(tRNA)의 세가지로 나누어진다.
* rRNA : 리보솜을 구성하는 RNA이며, 단백질을 합성하는 장소가 된다.
* mRNA: DNA에서 유전정보를 받아 리보솜까지 와서 특정 단백질을 합성하는 역할을 한다.
* tRNA : 단백질 합성 재료인 아미노산을 리보솜까지 운반한다.





마. 샤가프의 법칙.(E. Chargaff ; 미국)
샤가프는 여러 가지 생물의 여러 조직으로부터 DNA를 추출한 다음 DNA를 구성하는 각 염기의 양을 염기별로 상세히 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.






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위의 결과로부터 다음과 같은 내용을 주장하게 된다.
     A : T = 1 : 1 ,  G : C = 1 : 1
① 어떤 생물의 경우라도 DNA분자를 구성하는 염기들 중 A과 T 염기의 양이 같고, G 과 C 염기의 양이 같다. 즉 A : T, G : C 의 비는 생물의 종류에 관계없이 항상 1 : 1 의 비율을 유지함.





☞ 이 사실은 DNA 분자에서 A-T, G-C이 서로 대응하고 있을 가능성을 암시해 준다. → 왓슨과 크릭이 DNA 분자 모형을 만들어 내는데 크게 기여함.
② 같은 생물체내 여러 조직 및 기관의 DNA 염기구성 성분은 일정하다.
  ㉠ (A + G) : (T + C) = 1 : 1 이다. 즉 DNA의 염기조성에서 A은 T과 G은 C과 항상 대응하므로, 퓨린계(A, G)염기와 피리미딘계 염기(T, C)의 함량비는 1 : 1 이란 뜻임.
  ㉡ A+T 또는 G+C의 함량도 같은 종의 생물이면 조직이 달라도 값이 일정함.






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A+T/G+C의 값은 1이 안 된다. 샤가프의 실험에 따르면 항상 1보다 큰데 이는 A과 T이 G과 C보다 DNA분자 속에 많이 들어 있음을 의미함.

  ㉢ A+T/G+C의 값은 생물의 종류에 따라 다르다.
: A, G, C, T의 비는 생물의 종류마다 다른 값을 보임을 암시.






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바. 왓슨과 크릭의 DNA 분자모형.
1953년 왓슨과 크릭은 금세기 최대의 과학적 업적으로 인정받고 있는 DNA의 분자모형을 발표하였다. 즉 왓슨과 크릭은 1953년 당시까지 발표되었던 DNA와 관련된 많은 연구결과를 종합적으로 분석하여 많은 정보를 얻고, 특히 윌킨스의 X선 회절사진과 샤가프의 실험(DNA를 구성하는 염기량 분석)결과를 정확히 분석하고 나서 DNA의 이중나선 구조모형(Double helix model)을 완성하여 발표하였다.






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① 이중나선 구조임(줄사다리가 꼬인 모양)
두 가닥의 폴리뉴클레오티드 사슬이 공통되는 축에 서로 반대 방향으로 감겨있다.
  ㉠ 두 가닥의 긴 폴리뉴클레오티드 사슬(사다리의 긴 장대에 해당함)은 당(디옥시리보오스)과 인산이 교대로 연결된 것임. ( 당-인산-당-인산-당-인산 … )
  ㉡ 사다리의 가로대에 해당하는 부분(폴리펩티드 사슬에 직각임.)은 염기와 염기가 수소결합에 의하여 연결되어 생긴다.
    ☞ 수소결합 : 수소와 전자 친화성이 큰 산소 또는 질소사이에서 약한 정전기력에 의해서 생기는 결합으로 핵산이나 단백질의 입체구조를 유지하는데 대단히 중요한 작용을 한다.






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② 염기의 상보적 결합(상보적 염기)
샤가프 실험의 DNA 분자속의 염기 비에서 A+G/T+C=1(피리미딘 : 퓨린 = 1 : 1 ) 의 관계는 A/T=1, G/C=1 의 관계가 성립됨을 뜻한다. 즉 DNA의 분자구조상 서로 마주보는 염기는 A는 T 하고만(A=T), G은 C 하고만(G ≡ C) 짝을 짓고 이 두 짝 사이에서만 수소결합이 형성된다. 그러므로 DNA 분자속의 A : T또는 G : C 의 함량 비는 언제나 같아 ( A + G : 퓨린계) : ( T + C : 피리미딘계) = 1 : 1이 성립되며 한쪽 폴리뉴클레오티드의 염기배열을 알면 상대편 사슬의 염기배열도 자연히 알 수 있다.
☞ 상보적염기 : A 과 T , G 과 C을 각각 상보적 염기라 한다.





③ 입체구조
  X선 회절 사진의 분석결과에 의하면
   * 두 가닥 폴리뉴클레오티드(긴 장대) 사이의 거리 : 2㎚
   * 염기 쌍(가로대) 사이의 거리 : 0.34㎚
   * 나선(가닥)이 한 바퀴(360。) 도는 거리 ( 1주기 ) : 3.4 ㎚ 가 된다.
결국 두 가닥 폴리뉴클레오티드 사이의 거리가 2㎚의 거리를 유지하기 위해선 두 가닥을 연결시키는 염기쌍이 퓨린과 피리미딘이 짝을 지어야 하며 (A=T, G ≡ C), 나선이 1회전 하는 사이에는 10 쌍의 염기가 결합되어 있음을 알 수 있다.





④ (폴리) 뉴클레오티드 사슬의 신장방향 : 5’→ 3’
뉴클레오티드 사이의 결합은 한 뉴클레오티드의 인산과 다른 뉴클레오티드의 당 사이에서 에스테르결합으로 이루어진다. 이렇게 두 개의 뉴클레오티드가 결합된 것을 디뉴클레오티드라 하고, 세 개가 결합한 것을 트리뉴클레오티드라고 한다. 그런데 뉴클레오티드(B)의 3번 탄소 자리와 원래 뉴클레오티드(A)의 5번 탄소 자리가 인산을 사이에 두고 에스테르 결합을 해서 신장 방향은 5’→ 3’이고 두 사슬은 서로 역 평행을 이룬다.









☞ 영국의 윌킨스는 X선 회절 사진을 통하여 DNA 가 나선형임을 밝혔다.
☞ <회절> : 음파, 전파 같은 파동이 장애물의 끝을 통과하여 전파 할 때에
그 끝에 의하여 기하학적인 음영을 만들지 아니하고 장애물 뒤쪽의 음영 안에 까지도 전파하는 현상.





< X선 회절 사진법 >
원래 결정의 구조를 추정하는데 이용되던 연구 방법인데, 핵산이나 단백질처럼 분자를 구성하는 단위 물질이 반복적으로 배열되어 이루어진 고분자 화합물의 입체구조를 밝히는 데에도 이용되고 있다.
핵산과 같은 고분자에 X선을 쬐어서 단위물질의 배열에 따라 다르게 회절하는 X선의 상을 얻어서 분석함으로써 분자의 입체구조를 알아내는 방법으로 어떤 물체의 그림자를 보고 그 물체의 생김새와 크기 등을 판단하는 것과 유사한 방법이다.





3. DNA와 염색체
염색체는 DNA와 히스톤이 결합한 핵단백질이 주성분이다. 실 모양의 염색사가 나선 모양으로 염색체 기질 속에 들어 있으며 염색사 위에 한 줄로 유전자가 배열하고 있다. 간기 때는 염색사라 불리는 풀린 상태로 있다가 있으며, 핵분열이 시작될 때에는 염색사는 기질과 합쳐져서 염색체로 변한다.
염색체는 세포의 핵분열 때 핵 내의 유전자가 포함되어 있는 염색질이 모여서 이루어진 작은 막대기 모양의 작은 물체이다. 성 결정에 관계가 깊은 염색체는 성염색체라고 하고, 그 밖의 것을 상염색체(常染色體)라고 한다. 염색체의 수와 모양은 생물의 종에 따라 일정하다. 일반적으로 생물이 가지고 있는 염색체의 수와 모양을 동시에 고려할 때 이를 핵형(核型:karyotype)이라고 한다. 즉, 1개의 생물을 구성하는 세포의 핵은 모두 동일한 핵형의 염색체를 가지고 있으며, 또한 같은 종의 생물이면 역시 같은 핵형을 갖게 된다. 핵형의 특징을 비교하여 염색체의 이상을 알아내기도 하고, 또 생물의 유연관계를 찾아내기도 한다.

일반적으로 체세포가 가지고 있는 염색체수를 2n으로 표시하며 생식세포의 염색체수는 감수분열의 결과 염색체수가 반감하여 n이 된다. 때때로 같은 속 또는 같은 종에 속하는 생물 사이에 염색체수가 서로 배수관계로 되어 있는 것이 있는데 이런 것을 배수성(倍數性)이라고 한다. 한편, 반수의 염색체수를 가진 생물이 나타나는데 이런 것을 반수체라고 한다. 정자와 난자도 반수체로 되어 있다.
상동염색체가 1개도 없는 기본적 수로 되어 있는 염색체 군을 지놈(genom)이라고 한다.



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