21.10: DNA 염기쌍

DNA 동등성에 관한 에르윈 샤가프의 규칙은 DNA의 염기쌍 발견의 길을 열었습니다. 샤가프 규칙에 따르면 이중 가닥 DNA 분자에서는

1. 아데닌(A)의 양은 티민(T)의 양과 같습니다.
2. 구아닌(G)의 양은 시토신(C)의 양과 동일합니다. 그리고
3. 퓨린 A와 G의 합은 피리미딘 C와 T의 합과 같습니다(즉, A+G = C+T).

나중에 왓슨 크릭 연구에 따르면 이중 가닥 DNA에서 A는 항상 T와 두 개의 수소 결합을 형성하고 G는 항상 C와 세 개의 수소 결합을 형성합니다. 이 염기쌍은 A-T와 A-T 모두와 마찬가지로 DNA 이중 나선의 일정한 폭을 유지합니다. C-G 쌍의 길이는 10.85Å이며 두 개의 당-인산염 백본 사이에 깔끔하게 맞습니다.

염기 쌍은 수소 결합이 분리될 때까지 질소 염기가 다른 분자에 접근할 수 없게 만듭니다. 그러나 특정 효소는 이러한 수소 결합을 쉽게 깨뜨려 DNA 복제 및 전사와 같은 필요한 세포 과정을 수행할 수 있습니다. G-C 쌍은 A-T 쌍보다 더 많은 수소 결합을 가지고 있기 때문에 G-C 쌍의 비율이 높은 DNA는 비슷한 비율의 A-T 쌍을 가진 DNA보다 두 가닥의 DNA를 분리하는 데 더 높은 에너지가 필요합니다.

의학으로서의 기본 유사체

DNA의 충실한 복제를 위해서는 올바른 염기쌍이 필수적입니다. 염기 유사체는 DNA 복제 중에 표준 DNA 염기를 대체할 수 있는 분자입니다. 이러한 유사체는 간염, 헤르페스, 백혈병과 같은 질병에 대한 효과적인 항바이러스제 및 항암제입니다. 아시클로구아노신(Acycloguanosine)으로도 알려져 있는 아시클로버(Acyclovir)는 구아닌의 기본 유사체이며 단순 포진 바이러스 치료에 일반적으로 사용됩니다. 아시클로버 구아닌 부분은 DNA 복제 중에 평소와 같이 아데닌과 쌍을 이룹니다. 그러나 뉴클레오티드의 3' 말단이 없기 때문에 DNA 중합효소는 염기쌍을 계속 형성할 수 없으며 복제가 종료됩니다.

DNA는 꼬인 사다리와 비슷합니다. DNA 사다리의 가로장은 상보적 질소 염기 쌍입니다. 염기쌍 규칙에 따르면 푸린인 아데닌은 두 개의 수소 결합으로 피리미딘인 티민과 쌍을 이룹니다.

그리고 푸린인 구아닌은 세 개의 수소 결합을 가진 피리미딘인 사이토신과 함께 나타납니다. 푸린이 항상 피리미딘과 쌍을 이루는 이유는 무엇입니까? DNA의 당 인산 골격에 의해 부과되는 공간 제한인 입체적 제약으로 인해 DNA 이중 나선의 염기 쌍에 대해 10.85 옹스트롬 공간만 사용할 수 있습니다.

푸린은 이중 고리 구조를 가지고 있습니다. 결국 두 개의 퓨린이 너무 커서 이 공간에 맞지 않을 것입니다. 반면에 하나의 고리만 포함하는 두 개의 피리미딘을 합치면 그 사이 거리가 너무 커서 수소 결합을 형성할 수 없습니다.

거리는 약 2옹스트롬입니다. 그러나 푸린과 피리미딘을 함께 짝을 지으면 DNA 나선 내부에 완벽하게 들어 맞고 수소 결합을 형성하기에 충분히 가깝습니다. 수소 결합은 수소 원자가 산소 또는 질소와 같은 전기 음성 원자에서 약 2옹스트롬 떨어져있을 때 형성될 수 있습니다.

아데닌은 산소와 티민에 가까운 하나의 수소 원자를 가지고 있습니다. 그리고 티민은 질소와 아데닌에 가까운 하나의 수소를 가지고 있습니다. 이로 인해 두 개의 수소 결합이 형성됩니다.

시토신이 산소와 티민이 있는 수소 원자를 가지고 있기 때문에 아데닌은 시토신과 수소 결합을 형성할 수 없습니다. 그리고 티민에 존재하는 수소 원자는 시토신에 없습니다. 유사한 현상이 구아닌의 산소와 사이토신의 산소와 질소가 각각 수소 맞은 켠에 있는 구아닌 사이토신 염기쌍에서 발생하며 이는 구아닌 티민 염기쌍에서는 발생하지 않는 3개의 수소 결합을 형성합니다.

DNA 복제 효소의 도움으로 염기쌍의 높은 특이성으로 하여 아데닌은 항상 티민과 쌍을 이루고 구아닌은 항상 사이토신과 쌍을 이룹니다.