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3.8: 핵산은 무엇인가?
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3.8: 핵산은 무엇인가?

개요

핵산(nucleic acid)은 인산다이에스터결합(phosphodiester bond; 포스포다이에스터결합)으로 연결된 긴 뉴클레오타이드(nucleotide) 사슬입니다. 핵산에는 DNA(deoxyribonucleic acid) 그리고 RNA(ribonucleic acid), 이 두 가지 유형이 있습니다. DNA와 RNA에 있는 뉴클레오타이드는 펜토스(pentose; 5탄당), 질소 염기(nitrogen base), 인산기(phosphate group)로 이루어져 있습니다.

핵산은 세포의 유전물질입니다

세포의 유전물질은 핵산으로 구성되어 있으며, 핵산은 살아있는 유기체가 한 세대에서 다음 세대로 유전정보를 전달할 수 있게 합니다. 핵산에는 DNA와 RNA, 이 두 가지 유형이 있습니다. DNA와 RNA의 화학적 구성 차이는 매우 근소하지만, 생물학적 역할은 완전히 다릅니다.

핵산은 뉴클레오타이드의 중합체입니다

화학적으로 핵산은 뉴클레오타이드의 사슬 형태인 폴리뉴클레오타이드(polynucleotide)입니다. 뉴클레오타이드는 펜토스, 질소 염기, 인산기, 이 세 가지 구성 요소를 가지고 있습니다. 펜토스와 질소 염기는 함께 뉴클레오사이드(nucleoside)를 형성하는데 이에 따라 뉴클레오타이드는 때때로 뉴클레오사이드 모노포스페이트(nucleoside monophosphate)라고 불리기도 합니다. 뉴클레오타이드의 세 가지 성분은 각각 핵산의 전반적인 조합에 중요한 역할을 합니다.

이름에 나타나듯, 펜토스에는 5개의 탄소 원자가 있는데 각 탄소 원자는 다음과 같이 구분됩니다: 1o, 2o, 3o, 4o, and 5o. RNA에 있는 펜토스는 리보스(ribose)라 불리며, 이는 2o 탄소가 수산기(hydroxyl group)와 결합했다는 것을 의미합니다. DNA의 펜토스는 데옥시리보스(deoxyribose; 디옥시리보스)라 불리며, 이는 2o 탄소가 수소 원자와 결합했다는 것을 의미합니다. 펜토스는 1o 탄소를 통해 질소 염기에 결합하고 5o 탄소를 통해 인산기에 결합합니다.

뉴클레오타이드는 인산다이에스터결합에 의해 서로 연결됩니다

한 뉴클레오타이드의 5o 탄소에 부착된 인산기는 다른 뉴클레오타이드의 3o 수산기와 공유결합(covalent bond)을 형성하며 두 뉴클레오타이드를 함께 연결합니다. 이때 이 공유결합을 인산다이에스터결합이라 부릅니다. 뉴클레오타이드 사이의 인산다이에스터결합은 폴리뉴클레오타이드 사슬에서 펜토스와 인산기가 번갈아 가며 뼈대를 형성합니다. 한 뉴클레오타이드의 5o 말단을 다른 뉴클레오타이드의 3o 말단에 연결하면 DNA 복제 및 RNA 합성에서 중요한 역할을 하는 폴리뉴클레오타이드 사슬에 방향성을 부여합니다. 3o 말단이라고 불리는 폴리뉴클레오타이드 사슬의 한쪽 끝에 있는 펜토스는 자유로운 3o 수산기를 가지고 있습니다. 다른 쪽 즉 5o 말단에 있는 펜토스는 자유로운 5o 인산기를 가지고 있습니다.

피리미딘(pyrimidine)과 퓨린(purine)은 질소 염기의 두 가지 주요 분류입니다

질소 염기는 탄소 원자와 질소 원자로 구성된 하나 또는 두 개의 고리를 포함하는 분자입니다. 이 분자는 화학적으로 염기성을 띠기 때문에 "염기"라고 하며 수소 이온에 결합할 수 있습니다. 질소 염기엔 피리미딘과 퓨린, 이 두 종류가 있습니다. 피리미딘은 6개의 고리 구조로 되어 있으며, 퓨린은 5개의 고리에 융합된 6개의 고리로 구성됩니다. 피리미딘은 사이토신(cytosine; C; 시토신), 타이민(thymine; T; 티민), 유라실(uracil; U)이 포함됩니다. 퓨린에는 아데닌(adenine; A)과 구아닌(guanin; G)이 포함됩니다.

사이토신, 아데닌, 구아닌은 DNA와 RNA 모두에 존재합니다. 반면 타이민은 DNA에만 있고, 유라실은 RNA에만 있습니다. 퓨린과 피리미딘은 퍼즐 조각과 비슷한 상보적(complementary; 상호보완적)인 패턴으로 수소결합(hydrogen bond)을 형성할 수 있습니다. 일반적인 세포 조건에서 아데닌은 (DNA에서) 타이민 또는 (RNA에서) 유라실과 수소결합을 할 수 있고 구아닌은 사이토신과 수소결합을 할 수 있습니다. 이런 상보적으로 염기쌍(base pairing)을 이루는 것은 DNA 구조와 기능에 중요합니다.

DNA와 RNA의 구조

DNA는 세포 내에서 이중 나선(double helix) 구조를 채택합니다. 이중 나선은 가닥(strand)이라 불리는 두 개의 폴리뉴클레오타이드 사슬으로 구성되는데, 이 가닥이 나선 모양으로 서로 감기는 것입니다. 두 가닥은 서로 반대 방향으로 있는데 이는 한 가닥의 5o말단이 다른 3o말단을 마주보고 있는 것을 의미합니다. 두 가닥은 상보적인 염기쌍 결합(예: 구아닌과 결합한 사이토신)을 통해 유지됩니다.

DNA 이중 나선에서 펜토스-인산기 뼈대는 바깥쪽에 존재하는 반면 수소결합한 염기쌍은 안쪽에 있습니다. RNA는 주로 한 가닥 분자로 존재합니다. 단일 RNA 가닥은 가닥 내에서 상보적인 염기쌍 결합을 통해 국소화된 이차 구조를 형성할 수 있고, 이렇게 형성된 RNA의 다양한 2차 구조는 각각 다른 기능을 합니다.


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Nucleic Acids Polymers Nucleotides Pentose Sugar Phosphate Group Nitrogen Base Deoxyribose Sugar Ribose Sugar DNA RNA Phosphate Sugar Backbone Phosphodiester Linkage Directionality Sequence Five Prime To Three Prime One Prime Carbon Nitrogen Base Pyrimidines Cytosine Thymine Uracil Purines Adenine Guanine Double-helix DNA Hydrogen Bonds

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