생명체를 이루는 거대 분자에 대하여 지난 포스트에서 탄수화물과 지질에 대하여 알아보았다.
2022.10.25 - [일반생물학] - [일반생물학 5-1강] 생물을 이루는 거대 분자 - 탄수화물, 지질
이번 포스트에서는 단백질과 핵산에 대하여 알아보자.
목차
단백질과 핵산
단백질과 핵산의 공통점은 생명체 내에서 정보를 저장하고, 실현하는 데에 있다. 20세기 초에 연구를 통하여, 사람이 자손들에게 정보를 넘겨주는 DNA와 같은 핵산이 한다는 것을 밝혀냈고, 이 DNA에 쓰여진 정보가 해독되어 단백질이 결정된다는 사실을 밝혀냈다.
이러한 발견은 생물학과 관련 학문에 큰 영향을 주었고, 정보학의 발전과 결합하여 유전체학(genomics)나 단백질체학(proteomics)등의 학문이 진보하게 되었다. 뿐만 아니라 대부분의 생물학 분야가 이런 관점에 크게 영향을 받았으며, 종 간의 비교와 이종끼리의 비교까지 가능하게 해주었고, 이를 통해 진화 역사를 추론할 수 있게 되었다.
단백질 (protein)
단백질은 대다수의 생명체의 기능을 담당한다. 어떤 단백질은 화학반응을 일으키거나, 세포 내에서 신호전달이나 저장 등 다양한 역할을 한다. 단백질은 또한 효소(enzyme)으로써 다양한 화학 반응에서 촉매(catalyst)로 작용하면서, 생체 내의 물질대사를 조절한다. 이러한 단백질은 앞서 설명한 탄수화물처럼 단위체가 연결된 중합체의 형태로 구성되어 있는데, 이 중합체를 폴리펩타이드(polypeptide)라고 부른다.
중합체가 뭔지 모른다면 앞 포스트를 참고하자.
2022.10.25 - [일반생물학] - [일반생물학 5-1강] 생물을 이루는 거대 분자 - 탄수화물, 지질
탄수화물을 이루는 중합체가 포도당과 같은 단당류였다면, 단백질에서의 단위체는 아미노산(amino acid)이다.
아미노산은 α 탄소(α Carbon)의 원자가 전자 4개가 각각 수소 원자 하나와, 아미노기, 카르복실기, R기에 연결된 구조를 갖고 있다. 이때, 나머지 구조는 동일하며 R기의 종류가 20가지가 있어서 20종류에 다른 아미노산을 만든다. 생명체 내에서 수많은 단백질이 생성될 수 있는 것도 이 20가지의 단백질이 다양한 조합으로 연결되어 무수히 많은 조합을 만들어 낼 수 있기 때문이다.
아미노기와 카르복실기는 각각 이온화되어서 NH3+와 CO2- 형태로 존재하는 것이 일반적이며, 이 이온화된 형태로 다른 아미노산과 결합하는 것이다.
R기는 다양한 물리적, 화학적 성질을 가지는데, 이런 성질이 아미노산의 고유한 특성을 결정짓는데에 중요한 역할을 한다. 예를 들어, R기가 극성을 갖는다면, 아미노산이 극성을 갖게 되며, 산성을 띠면 아미노산도 산성을 띠게 된다.
앞서 설명한 것처럼, 이런 아미노산이 중합체를 이루어 폴리펩타이드(polypeptide)를 형성한다. 하나의 아미노산과 다른 하나의 카르복실기가 만나면, 탈수반응이 일어나면서 공유결합인 펩타이드 결합 (peptide bond)를 형성한다. 이런 과정이 반복되어서 다양한 크기의 단백질을 형성할 수 있다. 이 때 폴리펩타이드에 어떤 R기들이 어느 위치에 포함되었는지에 따라 단백질의 구조와 기능이 형성된다.
1차적으로 폴리펩타이드가 형성되면 보통 자발적으로 극성과 비극성의 상호작용에 이끌려 단백질의 구조와 기능이 결정된다. 단백질의 특이 구조는 단백질이 어떻게 작용하는지를 결정하고, 다른 분자를 인식하고 결합하는 능력이 달라진다.
예를 들어, 적혈구의 형태를 결정하는 헤모글로빈에서 6번 아미노산이 글루탐산(Glu)에서 발린(Val)으로 바뀐다면, 친수성 아미노산이 소수성 아미노산으로 바뀌면서, 헤모글로빈 단백질들이 섬유의 결집을 유도하여 동그란 적혈구가 낫모양으로 변하고, 산소 운반능력이 현저히 떨어지게 된다. 결과적으로, 이런 돌연변이를 가진 사람은 선천적으로 겸형 적혈구 빈혈증(sickle cell anemia)라는 빈혈증상을 갖게 된다.
이런 단백질 구조는 크게 네 단계로 볼 수 있다. 단백질은 1,2,3차 구조를 갖고, 2개 이상의 폴리펩타이드 사슬로 구성된 4차 구조를 갖는다.
위의 그림을 참조해서 보면 1차 구조(primary structure)는 단순히 아미노산의 서열이라고 볼 수 있다. 지난 포스트에서 배웠던, 단순히 아미노산이 단위체로 연결되어있는 중합체 사슬이라고 생각할 수 있다. 이 떄, 아미노산에 붙어 있는 R기의 화학적 성질에 따라서 2,3차 구조가 결정된다.
대부분의 단백질은 정형화된 패턴으로 꼬이거나 접히는데, 이러한 꼬임과 접힙이 일어난 구조를 2차 구조(secondary structure)라고 한다. 이런 2차구조는 R기가 아닌, 폴리펩타이드 골격에서 일어난 수소결합에 의하여 형성되는데, 수소결합은 약하지만, 폴리펩타이드 길이가 길어서 결합이 많이 일어나서 형태를 유지할 수 있게 한다.
이런 2차 구조에는 알파나선 (alpha helix) 구조와 베타 병풍구조 (beta pleated sheet) 구조가 포함된다.
단백질의 3차 구조(tertiary structure)는 R기 간의 상호작용에 의한 형태이다. R기는 극성과 무극성을 띠기도 하고 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)을 하며 접히고 꼬이게 된다. 이들도 역시 약한 상호작용이나, 누적된 결합으로 인해 총체적인 형태를 유지한다. 또한 이러한 형태는 시스테인 아미노산 2개가 가깝게 위치할 때 일어나는 이황화결합(disulfide bridge)등의 결합을 통해 보강되기도 한다.
마지막으로 4차 구조(quaternary structure)는 이런 폴리펩타이드 사슬이 2개이상이 모여서 하나의 전체로서의 기능적 역할을 갖는 것이다. 즉, 2차와 3차 구조가 소단위체로서 결합하여 4차구조를 만드는 것이다.
이러한 단백질은 생체 내에서 일정한 구조를 유지하지만, pH나 염의 농도, 온도 등 환경 조건이 변하면, 단백질 내 약한 화학결합이나 상호작용이 파괴되어 변성(denaturation)이 일어난다. 단백질이 용해된 형태로 남아있을 경우 환경이 돌아오면 다시 활성을 하기도 하지만, 많은 경우 형태를 잃고 기능도 잃게 된다. 예를 들어, 날계란을 계란 후라이로 만든 후에, 다시 식혀도 날계란으로 돌아오지 않는 것이다.
핵산 (nucleic acid)
널리 알려진 DNA에 이어 코로나 시대에 의해 RNA까지 대중들에게 많이 알려지게 되었는데, 이 DNA와 RNA가 바로 핵산이다. DNA, RNA는 각각 데옥시리보핵산(deoxyribonucleic acid, DNA), 리보핵산(ribonucleic acid, RNA)의 약자이다. 결론 부
핵산은 뉴클레오타이드(nucleotide)라고 불리는 단위체로 구성된 중합체이다. 핵산은 생명체가 자신의 정보를 다음 세대에 넘기는데 중요한 역할을 한다. DNA는 RNA합성을 지시하고, RNA는 단백질 합성을 조절하여 그런 정보를 발현시키는데, 이를 유전자 발현(gene expression)이라고 한다.
DNA 분자에 저장되어 있는 유전 정보는 전령 RNA(mRNA)라는 RNA 종류로 합성이 되고, mRNA 분자는 폴리펩타이드의 서열을 지정하여 세포 내에서 단백질과 상호작용을 한다. 이러한 과정을 센트럴 도그마(central dogma)라고 부르며, 1958년에 크릭이 제안한 개념으로, 분자생물학의 중심원리이다.
이런 핵산은, 뉴클레오타이드(nucleotide)로 구성된 폴리뉴클레오타이드(polynucleotide) 중합체 구조를 갖고 있으며, 뉴클레오타이드는 일반적으로 5개의 탄소로 이루어진 5탄당에, 질소가 포함된 염기와 인산기로 세 부분으로 이루어져 있다.
여기서 유전 정보를 저장하는 부분은 염기이며, 네가지 DNA 염기에 특정 서열로 유전정보가 암호화 되어 있다. 이런 암호화된 유전정보는 단백질의 아미노산 서열(1차 구조)를 결정한다.
DNA 분자는 폴리뉴클레오타이드 가닥이 감겨서 이중나선(double helix)형태를 형성한다. 이것이 우리가 흔히 DNA를 떠올리는 형태이다. 이 형태는 두 가닥이 5'->3'(탄소번호)형태로 이루어져 반대로 붙어있는 배열을 가지고 있다. 당-인산은 나선의 바깥쪽에서 골격을 이루며, 염기는 나선 안쪽에서 다른 가닥의 염기와 쌍을 이룬다.
염기가 쌍을 이룰 때에는 규칙이 있는데, 4가지의 염기(아데닌A, 타이민T, 구아닌G, 사이토신C)가 정해진 쌍으로만 짝을 이룰 수 있다. 아데닌은 항상 타이민과 짝을 이루고 구아닌과 사이토신이 짝을 이룬다.
예를 들어서 한 가닥이 5'-AGTGCG-3' 를 가지고 있다면 반대 가닥은 3'-TCACGC-5'을 가지고 있어야한다. DNA의 이런 두 가닥을 상보적이라고 말한다.
반면에 RNA 분자는 단일가닥으로 존재한다. 그러나 한 가닥이어도 종종 상보적으로 결합하여 꼬인 형태를 가지기도 하는데, 대표적으로 tRNA(transfer RNA)가 있다. tRNA는 운반 RNA로 리보솜에 아미노산을 가져다 주는 역할을 한다. 이 때, tRNA는 한 가닥이지만 RNA 내의 염기가 상보적 쌍을 이루어 3차원 구조를 갖는다. RNA에는 티아민(T)이 존재하지 않고 유라실(U)이 아데닌(A)과 짝을 이룬다.
각각의 염기(nitrogenous base)들의 구조를 살펴보면, 피리미딘(pyrimidine)과 퓨린(purine) 계열로 나눌 수 있다.
피리미딘(pyrimidine) 계열의 염기는 탄소와 질소 원자로 구성된 하나의 육각 고리를 가지고 있고 사이토신(cytosine, C), 타이민(thymine, T), 유라실(uracil, U)이 있다.
퓨린(purine) 계열의 염기는 육각고리 하나와 오각 고리 하나가 합쳐진 형태를 갖고 있으며, 아데닌(adenine, A), 구아닌(guanine, G)이 속한다.
이러한 염기들은 뉴클레오타이드에서 5탄당의 1번 탄소와 결합하는데, 이때, 5탄당의 2번 탄소에 산소가 원자가 붙어있으면 리보오스(RNA), 없으면 데옥시리보오스(DNA)가 된다. 데옥시는 deoxy로 산소원자가 없다는 뜻이다.
뉴클레오타이드끼리 결합을 하기 위해서는 펩타이드 반응과 같이 탈수 반응이 일어나는데 이를 인산디에스터 결합이라고 한다. 뉴클레오타이드의 당들을 연결하는 인산기들이 결합을 하는데, 이렇게 생성된 패턴을 당-인산 골격이라고 부른다. 뉴클레오타이드 한 쪽 말단 5'에 탄소에 붙은 인산기가 다른 뉴클레오타이드 3' 탄소에 붙은 수산기에 연결되어서 방향성있게 골격을 이룬다.
따라서 DNA나 RNA 가닥은 5'->3'방향으로 쭉 이어진 구조를 갖고 있으며, DNA는 3'->5' 방향의 다른 가닥과 결합하여 이중나선(double helix)구조를 갖는다.
20세기 전반에 걸쳐 DNA의 분자구조에 대한 연구가 진행되었고, 1953년에 왓슨과 크릭에 의해 이중나선 구조가 밝혀졌다. 이에 관련된 내용은 과학지식 포스트에 추후 작성하겠다.
유전체학과 단백질체학
DNA 염기서열 분석 또는 DNA 가닥을 따라 뉴클레오타이드의 염기서열을 결정하는 최초의 기술은 1970년대에 개발되었다. 유전자의 발현은 어떻게 조절되었는지, 유전자와 단백질 생성물은 분명히 상호 작용이 어떻게 이루어졌는지, 유전자의 일부가 아닌 DNA의 기능이 무엇인지 등에 대한 질문에 답을 하기 위하여 연구가 진행되었다.
이런 의문을 해소하기 위해서 1980년대에 몇몇 학자들에 의해서 인간 DNA 전체의 염기서열을 밝히고자 하는 휴먼게놈프로젝트가 시작되었다. 이러한 노력은 1990년에 시작되어 2000년대 초반에 효과적으로 완료되었다. 훨씬 오래 걸릴 것으로 예상되었지만, 염기서열을 분석하는 시퀀싱 분석 기술의 발전이 같이 이루어지면서 이러한 대규모 데이터 세트를 처리하고 분석할 수 있는 컴퓨터 소프트웨어 및 기타 계산 도구의 사용, 생물 정보학의 발전이 동시에 이루어졌다. 이러한 발전의 반향은 생물학 및 관련 분야의 연구를 변화시켰다.
단백질 서열은 생화학 기술을 사용하거나 DNA 서열을 번역하여 결정할 수 있다. 이러한 접근법은 생물학의 모든 분야에 적용되고 있는 중이다.
아마도 유전체학과 단백질체학이 생물학 전반에 미치는 가장 중요한 영향은 진화에 대한 우리의 이해를 크게 증진 시켰다는 것이다. 현재 존재하는 종의 화석과 특징에 대한 연구에서 진화에 대한 증거를 확인하는 것 외에도, 이런 유전체학이나 단백질체학은 우리가 해결되지 않았던 다른 생명체 그룹 간의 관계를 알아내는 데 도움을 주었고, 진화 역사를 추론하는 데 큰 기여를 하였다.
마무리
지난 포스트에 이어 거대 생체분자인 단백질과 핵산에 대해서 알아보았다. 이런 생체 내 거대분자의 이해는 유기체를 이해하는데에 있어서 필수적이며, 여러 분야에 응용되는 개념이다.
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