핵산

핵산은 모든 생명체에 필수적인 생체고분자(biopolymer) 물질이다. 지구상에 존재하는 모든 생명체에서 발견되며 생명 유지에 필요한 모든 유전 정보를 포함하고 있다. 핵산의 단위체는 뉴클레오타이드(nucleotide)이며 뉴클레오타이드는 세 종류의 구성 성분(펜토스, 인산, 그리고 질소를 포함하는 염기)으로 이루어져 있다. 만약 펜토스(pentose)가 일반적인 리보스(ribose)라면 그 고분자는 RNA(ribonucleic acid)가 되고 펜토스가 데옥시리보스(deoxyribose)라면 그 고분자는 DNA(deoxyribonucleic acid)가 된다. 핵산이 가진 유전 정보는 핵산의 염기 서열에 포함되어 있으며 아미노산과 단백질 생합성이라는 과정을 활용하여 단백질의 형태로 발현된다. 발현된 단백질이나 효소는 세포의 성장, 유지, 분열 등에 중요한 구실을 한다.

핵산의 일종인 DNA의 분자구조. DNA 구조가 3가지 방식으로 표시되어 있다. A, T, G, C는 DNA에 존재하는 4종류의 염기를 나타내며 A는 아데닌, T는 타이민, G는 구아닌, C는 사이토신을 각각 나타낸다. ()

목차

핵산의 기본단위인 뉴클레오타이드 구조. 핵산의 기본단위인 뉴클레오타이드는 펜토스, 핵염기, 인산기로 구성되어 있다.()

핵산은 1869년 프레드릭 미셔에 의해 처음 발견되었으며¹⁾ 1889년 리처드 알트만에 의해 핵 안에 존재하는 산성 물질이라는 뜻의 핵산이라는 이름으로 불리게 되었다. 이후 1938년 아스트베리와 벨에 의해 최초로 구조 정보를 가지고 있는 엑스선 회절 영상이 보고되었고²⁾ 1953년 왓슨과 크릭에 의해 DNA 구조가 밝혀졌다.³⁾ 핵산에 관한 연구는 현대 생화학, 분자 생물학 및 의학 연구의 큰 부분을 차지하고 있으며 유전체를 이용한 게놈 과학과 범죄 수사에 활용되는 과학 수사의 토대를 만들었다. 또한, 유전 공학과 제약 산업 발전에도 크게 기여하고 있다.^{4) 5)}

DNA 염기쌍 사이의 수소결합. 아데닌과 타이민은 2개의 수소 결합, 구아닌과 사이토신은 3개의 수소 결합으로 연결되어 있다. ()

뉴클레오타이드 사슬은 나선구조를 이루고 있으며 RNA 는 단일 나선구조, DNA 는 이중 나선구조를 가지고 있다. DNA 이중 나선은 시계 방향의 헬릭스 구조이며 10-10.5개의 뉴클레오타이드가 하나의 나선 회전을 구성한다. DNA 이중 나선은 두 나선 사이의 거리에 따라 큰 홈 (major groove), 작은 홈 (minor groove) 구조로 되어 있으며 외부에 노출되는 표면적이 넓은 큰 홈 구조에 DNA 염기 서열을 인식하는 단백질이 주로 결합한다. 핵산에 사용되는 일반적인 염기에는 아데닌(A, adenine), 구아닌(G, guanine), 사이토신(C, cytosine), 타이민(T, thymine), 유리딘(U, uridine) 5종류가 있다. 이 중에서 타이민은 DNA에만 사용되며 유리딘은 RNA에만 사용된다. DNA 이중 나선구조에서 각각의 뉴클레오타이드에 존재하는 염기는 상대편 나선에 존재하는 염기와 수소 결합을 통해 연결되어 있다. 아데닌은 타이민과 두 개의 수소 결합을 형성하며 구아닌은 사이토신과 세 개의 수소 결합을 형성할 수 있다. 이러한 수소 결합은 DNA의 이중 나선구조가 유지되는 주요한 힘 중의 하나이며 DNA 복제, RNA 전사 등에서 유전자 정보가 실수 없이 전달될 수 있는 근간을 형성하고 있다.

핵산에서 펜토스와 인산기는 인산다이에스터 결합(phosphodiester bond)에 의해 연결되어 번갈아 가면서 존재한다. 이 구조에서 인산기는 두 개의 펜토스 사이에서 3’ 위치와 5’ 위치 사이에 결합하고 있기 때문에 이러한 구조적 특징이 핵산에 방향성을 부여하며 핵산의 끝부분을 5’-말단 또는 3’-말단으로 표시하게 된다. 핵산에 존재하는 염기는 펜토스의 1’ 위치의 탄소와 염기에 존재하는 질소 사이에 N-글리코시딕 결합(N-glycosidic bond)으로 서로 연결되어 있다.

핵산에서 인산다이에스터 결합으로 연결된 뉴클레오타이드들.()

핵산은 실험실에서도 합성할 수 있으며 효소를 이용하는 방법과 화학 반응을 이용하는 방법이 있다. 효소를 이용한 방법은 DNA와 뉴클레오타이드 기질이 있는 조건에서 DNA 중합효소나 RNA 중합효소를 처리하여 각각 DNA와 RNA를 만들 수 있다.⁶⁾ 효소를 이용한 방법은 몇 킬로베이스가 넘는 긴 핵산 사슬을 합성하는 데 유리하다. 반면에 비교적 짧은 크기의 DNA나 RNA 또는 변형된 올리고핵산의 경우에는 고체상 합성 기술을 활용하여 합성할 수 있다.⁷⁾

DNA는 생체 내에서 유전 물질로 작용한다. DNA 염기 서열이 복제되어 RNA가 만들어지고 RNA 염기 서열을 해독하여 단백질이 만들어진다. DNA로부터 전사되는 RNA에는 크게 세 가지 종류가 있다. 전령 RNA(messenger RNA)는 위에서 설명된 것처럼 단백질을 만들 수 있는 정보를 가진 RNA이다. 단백질을 만들어내지 않는 RNA도 존재한다. 운반 RNA(transfer RNA)는 리보솜(ribosome)이 전령 RNA를 해석하여 단백질을 합성할 때 아미노산을 운반해주는 구실을 한다. 리보솜 RNA(ribosomal RNA)는 이름 그대로 리보솜의 구성 성분으로 활용되며 리보솜이 전령 RNA를 인식하여 단백질을 생산할 수 있도록 도와준다. 최근에는 위의 세 가지 RNA 이외에도 단백질에 대한 정보를 가지고 있지 않지만, 세포 내에서 중요한 기능을 담당하는 여러 종류의 RNA들이 많이 발견되고 있다.⁸⁾

1. Dahm, R (January 2008). 'Discovering DNA: Friedrich Miescher and the early years of nucleic acid research'. Human Genetics. 122 (6): 565–81.
2. Cox, Michael; Nelson, David (2008). Principles of Biochemistry Susan Winslow. p. 288.
3. 'DNA Structure' What is DNA. Linda Clarks. Retrieved 6 August 2016.
4. 'The sequence of the human genome.' (PDF). Science. 291 (5507): 1304–1351.
5. Budowle B, van Daal A (April 2009). 'Extracting evidence from forensic DNA analyses: future molecular biology directions'. BioTechniques. 46 (5): 339–40, 342–50.
6. Mullis, Kary B. The Polymerase Chain Reaction (Nobel Lecture). 1993. (retrieved December 1, 2010)
7. Verma S, Eckstein F (1998).'Modified oligonucleotides: synthesis and strategy for users'. Annu. Rev. Biochem. 67: 99–134.
8. Landmark Cell Reviews: Noncoding RNAs