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생명체의 모든 정보를 담고 있는 유전자와 DNA는 현대 생물학의 핵심입니다. 이 포스팅에서는 DNA의 기본 구조부터 유전자의 역할, 복제와 발현 과정까지 상세히 알아보겠습니다. 유전자가 어떻게 우리 몸의 기능을 지휘하는지 과학적으로 풀어보죠.
DNA의 기본 구성 요소
DNA(데옥시리보핵산)는 세포의 핵과 미토콘드리아에 존재하는 유전 물질로, 뉴클레오티드라는 기본 단위로 이루어집니다. 각 뉴클레오티드는 인산기, 디옥시리보스 당, 그리고 네 가지 질소 염기(아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 시토신(C))로 구성되어 있습니다. 이 염기들이 A-T, G-C로 쌍을 이루어 수소 결합으로 연결되며, 인산과 당이 교대로 연결되어 긴 사슬을 형성합니다.
인간의 경우 약 30억 개의 염기쌍이 23쌍의 염색체에 저장되어 있으며, 이 중 2만여 개의 유전자가 실제 단백질을 만드는 정보를 담고 있습니다. 염색체는 DNA가 히스톤 단백질에 감겨 압축된 형태로, 세포 분열 시 안정적으로 전달됩니다. 이러한 구조 덕분에 DNA는 안정성과 효율성을 동시에 확보합니다.
DNA의 이중나선 구조
1953년 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭이 밝혀낸 DNA의 이중나선 구조는 꼬인 사다리 모양입니다. 두 가닥의 DNA 사슬이 반대 방향(5'에서 3')으로 나란히 배열되며, 염기 쌍이 사다리 횡대 역할을 합니다. 이 구조는 넓은 홈과 좁은 홈을 형성해 단백질이 쉽게 접근할 수 있게 합니다.
이중나선은 DNA의 핵심 기능인 복제를 가능하게 합니다. 세포 분열 전 DNA가 풀리면 각 가닥이 주형이 되어 동일한 새 가닥을 합성합니다. A 앞에는 T, G 앞에는 C가 붙는 상보성 원리로 정확한 복제가 이뤄지며, 오류율은 10억 분의 1 정도로 극히 낮습니다. 이 과정은 DNA 폴리머라제 효소가 주도합니다.
유전자의 정의와 기능
유전자는 DNA의 특정 구간으로, 단백질 합성 지침을 담은 단위입니다. 유전자는 엑손(코딩 영역)과 인트론(비코딩 영역)으로 나뉘며, 전체 DNA의 1-2%만 코딩 영역입니다. 나머지 비코딩 DNA는 유전자 발현을 조절하는 스위치 역할을 합니다.
유전자의 주요 기능은 정보 저장과 전달입니다. DNA는 생물의 성장, 대사, 번식 지침을 보관하며, 이를 통해 10만여 종의 단백질이 만들어집니다. 한 유전자는 하나의 단백질(또는 RNA)을 생성하는 '하나의 유전자-하나의 효소' 가설이 기본 원리입니다.
유전 정보의 발현 과정: 전사와 번역
DNA의 정보가 단백질로 실현되는 과정은 전사(transcription)와 번역(translation)입니다. 전사는 DNA의 유전자 영역이 풀려 mRNA(전령 RNA)가 합성되는 단계로, RNA 폴리머라제가 A-U, G-C 상보성으로 복사합니다. mRNA는 핵을 빠져나와 세포질 리보솜에 도착합니다.
번역 단계에서 mRNA의 코돈(3염기 조합, 64종)이 tRNA의 안티코돈과 결합해 아미노산을 순서대로 연결합니다. 예를 들어 AUG은 메티오닌 시작 코돈입니다. 이렇게 폴리펩티드 사슬이 형성되며, 접힘을 통해 기능적 단백질이 됩니다. 이 과정은 생명의 중심 dogma(DNA → RNA → 단백질)입니다.
DNA 복제와 유전자 안정성
DNA 복제는 반보존적(semi-conservative)으로, 원래 가닥 하나와 새 가닥 하나로 이뤄집니다. 복제 포크에서 헬리카제가 나선을 풀고, 프리메라제가 RNA 프라이머를 붙여 합성을 시작합니다. 리가아제가 끊어진 부분을 연결하며, 전체 게놈이 8시간 만에 복제됩니다.
돌연변이를 막기 위해 교정 효소와 손상 복구 시스템이 작동합니다. 자외선이나 화학물질로 인한 손상을 photoreactivation이나 excision repair로 복구합니다. 이러한 메커니즘으로 유전 정보의 충실한 전달이 가능합니다.
유전자와 DNA의 응용과 미래
인간 게놈 프로젝트(2003년 완료)는 모든 염기서열을 해독해 유전자 2만 개를 확인했습니다. 이는 유전 질환 진단과 맞춤 의학의 기반입니다. CRISPR 같은 유전자 편집 기술은 DNA 구조를 이용해 질병 유전자를 교정합니다.
환경 영향도 무시할 수 없습니다. 후성유전학은 DNA 서열 변화 없이 메틸화로 유전자 발현을 조절하며, 스트레스나 영양이 후손에 영향을 줍니다. 앞으로 DNA 나노테크놀로지로 신약 개발이 가속화될 전망입니다.
유전자와 DNA는 단순한 분자가 아니라 생명의 청사진입니다. 이 구조와 기능 이해는 의학, 농업, 생명공학 혁신을 이끌어냅니다. 더 궁금한 점이 있으시면 댓글로 말씀해주세요!
