DNA 구조 : DNA 뉴클레오타이드, 샤가프의 법칙, X선 회절, DNA 모형

[DNA 뉴클레오타이드]

 DNA 분자는 믿을 수 없을 만큼 긴 중합체이며, 각 분자는 구조 단위인 뉴클레오타이드를 수백만 개씩 포함하고 있다. DNA를 구성하는 뉴클레오타이드는 인산기, 5탄당인 데옥시리보스, 4종류의 질소 염기 중 하나를 포함하여 3개의 부위로 구성된 물질이다. 당은 인산과 염기를 연결한다.

 인산기는 ATP에 있는 잘 알려진 산성기다. DNA 분자를 구성할 때는 당에 직접 연결된 하나의 인산기만 남는다. 5탄당 데옥시리보스는 ATP를 논의할 때 다루었던 5탄당 리보스와 매우 유사하다. 데옥시리보스는 리보스의 2' 탄소에 있는 -OH기 대신 -H기를 가지고 있다. 데옥시리보스의 5개 탄소에는 1'에서 5'까지 숫자가 붙어 있다.

 DNA에 존재하는 4종류의 염기는 아데닌, 구아닌, 티민, 시토신이다. 이들 중에서 피리미딘이라고 부르는 티민과 시토신은 질소와 탄소로 구성된 6각형의 고리로 되어 있다. 푸린이라고 부르는 아데닌과 구아닌은 더 복잡하여, 질소와 탄소로 구성된 6각형과 5각형의 이중 고리로 이루어진다. 색칠해진 N-H기들은 염기가 데옥시리보스에 결합하는 부위이다. 뉴클레오타이드에서 이들 염기는 데옥시리보스의 1 공유결합으로 연결되어 있으며, 인산기는 5' 탄소에 역시 공유결합으로 연결되어 있다. 아데닌, 구아닌, 티민, 시토신은 각각 A, G, T, C로 표기한다.


[샤가프의 법칙]

 DNA가 유전물질이라는 생각에 대한 반론 중 하나는 그렇게 단순한 물질이 많은 정보를 간직할 수가 없다는 것이었다. 그러나, 1950년에 샤가프는 서로 다른 생물체에서 얻은 DNA는 서로 다른 염기 비, 즉 4개의 소단위 빈도가 다르다는 것을 보여 주었다. 예를 들어 대장균의 DNA는 A가 25%, T 25%, C 25%, G가 25%인데, 이것은 레빈의 이론과 들어맞는다. 그러나 사람과 다른 포유동물의 DNA는 C 21%, G 21%, 그리고 A와 T가 각각 29%이다. 더 많은 생물체의 DNA를 조사할수록 더 여러 종류의 비율이 발견되었다. 또한 그는 모든 생물체에서는 A와 T의 양이 항상 같고(A=T), G와 C의 양도 항상 같다(G=C)는 일반적인 법칙을 발견하였다. 이러한 발견은 샤가프의 법칙으로 알려졌다. 또한 A+G=T+C=50%이다. 즉, DNA의 출처와 관계없이 정확히 염기의 절반은 푸린이고, 다른 절반은 피리미딘이다.

 그 이유는 염기가 쌍을 이루기 때문임을 알고 있으나, 샤가프에게는 흥미를 돋우는 불가사의한 일이었다. 이 관찰들이 웟슨과 크릭으로 하여금 DNA의 구조와 기능을 풀 수 있는 토대를 마련해 주었다.


[X선 회절과 더 많은 수수께끼]

X선 결정학은 과학자들이 결정의 메시 구조를 탐구하는 데 도움을 주었다. 이 기술은 결정에 X선을 투여하고 그 X선이 결정 내에 있는 규칙적이고 반복적인 분자 구조에 의하여 어떻게 회절하는지를 기록하는 것이다. 규칙적으로 반복되는 구조가 가까이 있으면 있을수록 X선의 회절 각도가 더 커진다. 사진판에는 소용돌이 모양과 점으로 나타나는데, 판의 중앙에서 가장 멀리 나타나는 것이 가장 가까이 놓여 있는 구조에 해당한다. 이러한 방법으로 비교적 단순한 무기 결정체의 구조들이 유추되었다.

 그리고 흥미롭게도 유기물질의 결정도 얻을 수 있다. 최근에는 많은 단백질과 RNA의 3차원적 구조가 밝혀졌다. 그러나 웟슨과 크릭의 시대에는 소수의 단백질에 대한 예비 연구만이 있을 뿐이었다. 과학자들은 곧 DNA를 조사하기 시작하였고, 그들 중에는 웟슨, 크릭과 함께 노벨상을 받은 윌킨스, 윌킨스와 함께 수행한 연구 업적이 알려지기 전에 사망한 프랭클린이 포함된다. 그들은 X선 영상에서 DNA 분자 내 거리가 2.0nm, 0.34nm, 3.4nm로 반복되어 나타나는 것을 확인할 수 있었으나, 그 당시에는 이 수치의 완전한 의미를 규명하지 못하였다. 윌킨스와 프랭클린은 X선 영상 결과로부터 바깥 표면에 인산을 가진 나선 구조를 인식하였다. 프랭클린은 DNA는 한 가닥이나 세 가닥이 아닌 두 가닥으로 이루어져 있다고 주장하기까지 했다. 윌킨스와 프랭클린은 DNA 분자의 모양에 대한 일반적인 개념은 갖고 있었으나 구체적인 특성을 알지는 못하였다. 웟슨과 크릭이 무대에 등장한 것이 이때였다. 


[웟슨과 크릭의 DNA 모형]

 1950년대 초에 웟슨과 크릭은 DNA에 관한 문제 해결에 착수했을 때 이미 여러 가지는 알고 있었다. 그들은 DNA가 네 종류의 뉴클레오타이드로 구성된 중합체인 것을 알았고, 뉴클레오타이드의 화학 구조를 이해했으며, 염기는 긴 뉴클레오타이드 중합체의 한쪽에 매달려 있다는 것도 알았다. 샤가프의 자료에서 아데닌의 수는 티민의 수와 같고, 구아닌의 수가 시토신과 같다는 것도 알았다. 또한 그들은 DNA에 관한 윌킨스와 프랭클린의 생각과 그들의 X선 회절 연구 결과로 나온 나선의 개념과 함께 그 측정치인 2.0nm, 0.34nm, 3.4nm까지 알고 있었다.

 웟슨과 크릭의 실험은 철사, 철판, 암나사와 수나사로 만들어진 모형에 근거를 두고 있다. 이 모형은 새로 등장하는 분자의 생생한 모습을 보여 주기에 충분했다. 이렇게 조각들을 끼워서 맞추는 방법과 함께 생물학적 직관, 생물리학적, 화학적 계산을 통하여 DNA는 바깥쪽에 인산-당 골격을 가지고, 안으로는 염기가 서로 마주 보는 두 가닥의 사슬이라고 추정하게 되었다.

 윌킨스와 프랭클린의 측정치가 비로소 확실한 의미를 나타냈다. 측정치 2.0nm는 이중 나선의 전체 폭이고, 0.34nm는 한 염기에서 다른 염기까지의 거리를 나타내었다. 즉, 동전을 쌓듯이 염기를 쌓아 놓으면 각 층의 두께는 0.34nm일 것이다. 측정치 3.4nm는 해결하기 힘든 것이었으나 나선식 계단과 같이 각 염기가 위의 염기에서 약간씩 빗겨나서 놓여 있다면 이중 골격이 DNA 분자의 축을 따라 3.4nm마다 완전히 한 바퀴씩 꼬인다는 것이 밝혀졌다. 간단히 계산하면, 나선의 한 회전 속에 정확히 10쌍의 뉴클레오타이드가 있다는 것이다.

 A, T, G, C의 비율에 관한 샤가프의 자료가 의미하는 바를 통찰력 있게 파악 한 것은 웟슨이었다. 철판과 철사로 만들어진 모형에서 두 푸린을 서로 마주 놓으면 이중 나선의 2.0nm 폭이 모자라고, 두 피리미딘을 놓으면 틈이 남았다. 그러나 하나의 푸린과 하나의 피리미딘을 서로 마주 놓으면 꼭 맞았다. 웟슨은 아데닌과 티민은 2개의 수소결합을 형성하는 반면 구아닌과 시토신은 3개의 수소결합을 형성할 것을 정확히 예측했다. 염기가 쌍을 이루는 특성은 웟슨과 크릭의 주요 발견 중 하나이다. 한쪽 가닥에 있는 뉴클레오타이드는 다른쪽 가닥의 뉴클레오타이드 서열을 결정하게 된다. 그래서 그 두 가닥을 상보적이라고 말하며, 그것은 서로 같지는 않으나 꼭 들어맞는다는 것을 의미한다.

 서로 마주 보며 돌아가는 DNA 두 가닥의 모양이 바로 그 유명한 이중 나선이다. 이중 나선 내에서 DNA의 두 가닥은 서로 반대 방향으로 달린다. 그래서 그들은 역평행이라고 한다. 즉, DNA 분자를 수직으로 그리면 한 가닥은 5'에서 3 위에서 아래로 달리고, 다른 가닥은 5'에서 3 아래에서 위로 달린다.

 DNA 모형을 자세히 보면 분자의 바깥쪽에 있는 당-인산기의 나선이, 염기와 함께 홈을 만든다는 것을 알 수 있다. 이 모형에서 가장 분명하게 드러나는 것을 주홈이라고 부른다. 이 홈의 염기 순서는 유전자 조절에 매우 중요한 역할을 수행한다고 생각된다.