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: 1^o, 2^o, 3^o, 4^o, and 5^o. RNA에 있는 펜토스는 리보스(ribose)라 불리며, 이는 2^o 탄소가 수산기(hydroxyl group)와 결합했다는 것을 의미합니다. DNA의 펜토스는 데옥시리보스(deoxyribose; 디옥시리보스)라 불리며, 이는 2^o 탄소가 수소 원자와 결합했다는 것을 의미합니다. 펜토스는 1^o 탄소를 통해 질소 염기에 결합하고 5^o 탄소를 통해 인산기에 결합합니다.

뉴클레오타이드는 인산다이에스터결합에 의해 서로 연결됩니다

한 뉴클레오타이드의 5^o 탄소에 부착된 인산기는 다른 뉴클레오타이드의 3^o 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 5^o 말단을 다른 뉴클레오타이드의 3^o 말단에 연결하면 DNA 복제 및 RNA 합성에서 중요한 역할을 하는 폴리뉴클레오타이드 사슬에 방향성을 부여합니다. 3^o 말단이라고 불리는 폴리뉴클레오타이드 사슬의 한쪽 끝에 있는 펜토스는 자유로운 3^o 수산기를 가지고 있습니다. 다른 쪽 즉 5^o 말단에 있는 펜토스는 자유로운 5^o 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 5^o말단이 다른 3^o말단을 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.