생명과학 고3 유전자와 유전 물질

DNA 복제

반보존적 복제 방식으로 DNA 이중 나선이 풀려 각 가닥을 주형으로 새 DNA를 합성하는 과정이다.

이중 나선이 풀리고 각 가닥이 주형이 되어 상보적인 새 가닥을 합성함으로써, DNA 한 분자가 똑같은 두 분자로 늘어나는 과정입니다.

지퍼를 열면 양쪽 이빨이 드러나듯, 두 가닥이 갈라지면 각 가닥이 '정답지'가 됩니다. 정답지를 보고 빈칸을 채우면 원본과 똑같은 DNA가 두 벌 생깁니다.

쉽게 말하면

복제가 가능한 이유는 전적으로 DNA 구조 때문입니다. A는 T와, G는 C와만 짝을 짓기 때문에, 한 가닥의 서열이 정해지면 마주 보는 가닥의 서열은 자동으로 결정됩니다. 세포는 이 성질을 그대로 이용합니다 — 두 가닥을 떼어 놓기만 하면 각각이 새 가닥의 설계도가 됩니다.

순서는 이렇습니다. 먼저 복제 원점에서 헬리케이스가 수소 결합을 끊어 이중 나선을 풀고, 갈라진 지점(복제 분기점)이 양쪽으로 벌어집니다. 프라이메이스가 짧은 프라이머를 놓아 시작점을 만들어 주면, DNA 중합효소가 주형 가닥을 읽으며 상보적인 뉴클레오타이드를 하나씩 붙여 나갑니다.

여기서 한 가지 제약이 모든 것을 결정합니다. DNA 중합효소는 새 가닥을 5'→3' 방향으로만 늘릴 수 있습니다. 그런데 두 주형 가닥은 반평행이므로 방향이 서로 반대입니다. 그래서 한쪽(선도 가닥)은 분기점이 벌어지는 방향과 합성 방향이 같아 쭉 이어서 만들어지지만, 다른 쪽(지연 가닥)은 방향이 맞지 않아 분기점이 벌어질 때마다 뒤로 돌아가 짧은 조각(오카자키 절편)을 거꾸로 하나씩 만듭니다. 이 조각들은 나중에 DNA 리가아제가 이어 붙입니다.

복제가 끝나면 딸 DNA 두 분자는 각각 '원본 한 가닥 + 새 가닥'으로 이루어집니다. 이것을 반보존적 복제라고 하며, 실험으로 확인된 사실입니다. 복제 중 짝이 잘못 끼워지는 일이 드물게 일어나는데, 교정 기능이 대부분 잡아내지만 놓친 것이 남으면 돌연변이가 됩니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

주형 가닥에서 새 가닥 만들기

주형 가닥이 3'-TACGGA-5' 라면 새로 합성되는 가닥은 5'-ATGCCT-3' 입니다. 새 가닥은 항상 주형의 3' 끝 쪽에서 시작해 5' 끝 쪽으로 읽어 나가며 만들어집니다.
예시 2

선도 가닥과 지연 가닥이 한 분기점에 함께 있는 이유

복제 분기점 하나에서 두 주형 가닥은 방향이 반대입니다. 중합효소는 5'→3' 한 방향으로만 일하므로, 같은 분기점에서 한 가닥은 자연스럽게 이어지고 다른 가닥은 조각으로 만들어질 수밖에 없습니다. 효소가 두 종류여서가 아니라 구조가 반평행이어서 생기는 결과입니다.
예시 3

복제 원점이 여러 개인 이유

사람의 염색체 하나에 든 DNA는 매우 길어서, 원점 하나에서만 풀어 나가면 시간이 오래 걸립니다. 진핵세포는 한 염색체에서 여러 지점을 동시에 열어 복제를 시작하고, 나중에 그 구간들이 만나 하나로 이어집니다.

순서대로 하면

복제 과정 정리

1복제 원점에서 헬리케이스가 염기 사이 수소 결합을 끊어 두 가닥을 풉니다.
2프라이메이스가 프라이머를 붙여 합성의 출발점을 만듭니다.
3DNA 중합효소가 주형을 읽으며 상보적인 뉴클레오타이드를 5'→3' 방향으로 붙입니다.
4선도 가닥은 연속으로, 지연 가닥은 오카자키 절편으로 끊어져 합성됩니다.
5프라이머가 제거되고 그 자리가 DNA로 채워진 뒤, 리가아제가 절편들을 이어 붙입니다.

자주 하는 오해

지연 가닥은 중합효소가 3'→5' 방향으로 만든다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움지연 가닥은 분기점과 반대로 가니까 3'→5' 방향으로 합성된다

실제로는지연 가닥의 오카자키 절편도 하나하나는 모두 5'→3' 방향으로 합성됩니다.

'거꾸로'인 것은 절편이 만들어지는 순서와 위치이지, 각 절편 안에서 뉴클레오타이드가 붙는 방향이 아닙니다. 분기점이 조금 벌어질 때마다 중합효소가 새로 드러난 자리로 건너뛰어 뒤쪽에서 앞쪽(분기점 쪽)으로 짧게 만들고 나옵니다. 그래서 전체 모양은 뒤로 가지만 합성 방향은 언제나 5'→3'입니다.

복제 후 원래 이중 나선이 통째로 남는다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움복제가 끝나면 원본 이중 나선 하나와 완전히 새로운 이중 나선 하나가 생긴다

실제로는두 딸 DNA 모두 원본 가닥 하나와 새 가닥 하나로 이루어집니다. 온전한 원본 이중 나선은 남지 않습니다.

복제를 하려면 두 가닥을 반드시 떼어 놓아야 하고, 떨어진 각 가닥이 각각 다른 딸 DNA로 들어가기 때문입니다. 원본이 그대로 보존되려면 두 가닥이 다시 만나야 하는데, 복제 기구는 그렇게 작동하지 않습니다.