21.9: 핵산

핵산은 생명의 연속성을 위해 가장 중요한 거대분자입니다. 이것은 세포의 유전적 청사진을 갖고 있으며 세포의 기능에 대한 지침을 갖고 있습니다.

DNA와 RNA

핵산의 두 가지 주요 유형은 디옥시리보핵산(DNA)과 리보핵산(RNA)입니다. DNA는 단세포 박테리아부터 다세포 포유류에 이르기까지 모든 생명체의 유전 물질입니다. 진핵생물의 핵과 세포소기관, 엽록체, 미토콘드리아에 존재합니다. 원핵생물에서는 DNA가 막질 봉투에 싸여 있지 않습니다.

세포의 전체 유전적 내용이 게놈이며, 게놈에 대한 연구는 게놈학입니다. 원핵생물이 아닌 진핵세포에서는 DNA가 히스톤 단백질과 복합체를 형성하여 진핵세포 염색체의 물질인 염색질을 형성합니다. 염색체에는 수만 개의 유전자가 포함될 수 있습니다. 많은 유전자에는 단백질을 만드는 데 필요한 정보가 들어 있습니다. 다른 유전자는 RNA 산물을 암호화합니다. DNA는 유전자를 "켜거나" 끄는 방식으로 모든 세포 활동을 제어합니다.

다른 유형의 핵산인 RNA는 주로 단백질 합성에 관여합니다. DNA 분자는 결코 핵을 떠나지 않고 대신 중개자를 사용하여 세포의 나머지 부분과 소통합니다. 이 중개자는 메신저 RNA(mRNA)입니다. rRNA, tRNA 및 microRNA-와 같은 다른 유형의 RNA는 단백질 합성 및 조절에 관여합니다.

DNA와 RNA는 뉴클레오티드라고 불리는 단량체로 구성됩니다. 각 뉴클레오티드는 질소 염기, 오탄당(5탄소) 당, 인산기의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다. 뉴클레오티드의 각 질소 염기는 하나 이상의 인산염 그룹에 부착된 당 분자에 부착됩니다. 뉴클레오티드의 중요한 구성 요소인 질소 염기는 유기 분자이며 탄소와 질소를 함유하고 있기 때문에 그렇게 명명되었습니다. 이것은 여분의 수소와 결합하여 주변 환경의 수소 이온 농도를 감소시켜 더 염기성으로 만들 가능성이 있는 아미노 그룹을 포함하고 있기 때문에 염기입니다. DNA의 각 뉴클레오티드에는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T) 등 네 가지 질소 염기 중 하나가 포함되어 있습니다. 아데닌과 구아닌은 퓨린으로 분류됩니다. 퓨린의 기본 구조는 두 개의 탄소-질소 고리입니다. 시토신, 티민, 우라실은 단일 탄소-질소 고리를 기본 구조로 갖는 피리미딘으로 분류됩니다. 이 기본 탄소-질소 고리 각각에는 서로 다른 작용기가 부착되어 있습니다. 분자 생물학 약어에서 우리는 기호 A, T, G, C 및 U로 질소 염기를 알고 있습니다. DNA에는 A, T, G 및 C가 포함되어 있습니다. 반면 RNA에는 A, U, G 및 C가 포함되어 있습니다.

DNA의 오탄당은 디옥시리보스이고, RNA의 당은 리보스입니다. 당의 차이점은 리보스의 두 번째 탄소에 수산기가 있고 디옥시리보스의 두 번째 탄소에 수소가 있다는 것입니다. 인산염 잔기는 한 당의 5' 탄소의 수산기와 다음 뉴클레오티드의 당의 3' 탄소의 수산기에 부착되어 5'-3' 포스포디에스테르 결합을 형성합니다.

DNA 이중 나선 구조

DNA는 이중 나선 구조를 가지고 있습니다. 설탕과 인산염은 나선의 바깥쪽에 위치하여 DNA의 백본을 형성합니다. 내부에는 질소 염기가 한 쌍의 계단처럼 쌓여 있습니다. 수소 결합은 쌍을 서로 묶습니다. 이중나선의 모든 염기쌍은 다음 염기쌍과 0.34 nm 떨어져 있습니다. 나선의 두 가닥은 반대 방향으로 진행됩니다. 즉, 한 가닥의 5' 탄소 끝이 일치하는 가닥의 3' 탄소 끝을 향하게 됩니다. 특정 유형의 염기쌍만 허용됩니다. A는 T와 짝을 이룰 수 있고, G는 C와 짝을 이룰 수 있습니다. 이것이 보완적인 기본 규칙입니다. 즉, DNA 가닥은 서로 상보적입니다.

RNA

리보핵산(RNA)은 주로 DNA의 지시에 따라 단백질 합성 과정에 관여합니다. RNA는 일반적으로 단일 가닥이며 포스포디에스테르 결합으로 연결된 리보뉴클레오티드로 구성됩니다.

RNA에는 메신저 RNA(mRNA), 리보솜 RNA(rRNA), 전달 RNA(tRNA) 및 마이크로RNA(miRNA)의 네 가지 주요 유형이 있습니다. 첫 번째 mRNA는 세포의 모든 세포 활동을 제어하는 DNA의 메시지를 전달합니다. 세포가 특정 단백질을 필요로 하면 그 단백질의 유전자가 켜지“고”메신저 RNA가 핵에서 합성됩니다. RNA 염기서열은 복제된 DNA의 코딩 서열과 상보적입니다. 세포질에서 mRNA는 리보솜 및 기타 세포 기계와 상호 작용합니다.

mRNA는 코돈이라고 알려진 세 개의 염기 세트로 읽혀집니다. 각 코돈은 단일 아미노산을 암호화합니다. 이런 방식으로 mRNA가 판독되고 단백질 생성물이 만들어집니다. 리보솜 RNA(rRNA)는 mRNA가 결합하는 리보솜의 주요 구성 요소입니다. rRNA는 mRNA와 리보솜의 적절한 정렬을 보장합니다. 리보솜의 rRNA는 또한 효소 활성(펩티딜 트랜스퍼라제)을 가지며 정렬된 두 아미노산 사이의 펩티드 결합 형성을 촉매합니다. 전이 RNA(tRNA)는 네 가지 유형의 RNA 중 가장 작은 것 중 하나이며 일반적으로 길이가 70~90개 뉴클레오티드입니다. 이는 올바른 아미노산을 단백질 합성 부위로 운반합니다. 올바른 아미노산이 폴리펩티드 사슬에 삽입되도록 하는 것은 tRNA와 mRNA 사이의 염기쌍입니다. MicroRNA는 가장 작은 RNA 분자이며 그 역할은 특정 mRNA 메시지의 발현을 방해하여 유전자 발현을 조절하는 것과 관련이 있습니다.

RNA가 단일 가닥임에도 불구하고 대부분의 RNA 유형은 상보적인 서열 사이에 광범위한 분자 내 염기쌍을 보여 기능에 필수적인 예측 가능한 3차원 구조를 만듭니다.

이 문서는 에서 발췌되었습니다 Openstax, Biology 2e, Chapter 3.5: Nucleic Acids.

핵산은 오탄당, 질소 함유 염기 및 인산기로 구성된 분자인 뉴클레오타이드의 중합체입니다. 핵산에는 데옥시리보핵산 과 리보핵산 의 두 가지 유형이 있습니다. 이들의 화학 구조는 포함하는 오탄당과 질소 염기에 따라 다릅니다.

RNA의 오탄당은 탄소-2에 수산기가 붙어있는 리보오스입니다. DNA의 당은 데옥시리보스이며 이는 수소 원자만 가지고 있고 탄소-2에는 산소가 없습니다. 질소 염기는 탄소-1과 탄소-5의 인산염에 결합됩니다.

RNA와 DNA 모두 염기 아데닌, 사이토신 및 구아닌을 포함합니다. 그러나 DNA에는 티민이 있고 RNA에는 우라실이 있습니다. DNA와 RNA에서 구아닌과 시토신은 3개의 수소 결합으로 결합된 상보적 염기쌍을 형성합니다.

아데닌과 티민은 DNA에서 염기쌍을 형성하며 아데닌과 우라실은 RNA에서 두 개의 수소 결합으로 서로 결합되어 있습니다. 다양한 DNA나 RNA 중합 효소가 뉴클레오티드의 중합을 촉매합니다. 포스포디에스테르 결합은 탄소-3에 부착된 수산기와 다음 뉴클레오티드의 탄소-5에 부착된 인산기 사이에 형성됩니다.

이 반응은 자유 인산기가 있는 부착되지 않은 5'말단과 자유 히드록실기가 있는 부착되지 않은 3'말단을 남깁니다. 대응 가닥과 쌍을 이루면 두 분자는 역평행합니다. 즉 한 가닥의 5'끝이 다른 가닥의 3'끝과 쌍을 이룹니다.

가닥은 소수성 효과, 반데르 발스 상호작용 및 질소 염기 사이에 형성되는 특정한 수소 결합을 포함하여 분자간 힘에 의해 유지됩니다. DNA는 서로 감겨진 두 개의 폴리뉴클레오티드 사슬로 구성된 이중 나선입니다. 대조적으로 RNA는 보통 단선 분자로 발견됩니다.

그러나 RNA는 상보적인 RNA 또는 DNA에 결합할 수 있습니다. 또한 가닥 내 상보적 염기 쌍을 나타내어 세포 내에서 뚜렷한 기능을 갖는 다양한 유형의 RNA 이차 구조를 나타낼 수 있습니다.