생명과학 고3 유전자와 유전 물질

DNA 구조

뉴클레오타이드가 반평행 이중 나선 구조로 결합된 DNA의 분자 구조를 이해한다.

DNA는 뉴클레오타이드가 길게 이어진 두 가닥이 서로 반대 방향(반평행)으로 마주 보며 꼬인 이중 나선 구조입니다.

비틀린 사다리를 떠올리면 됩니다. 사다리의 두 기둥은 당과 인산이 번갈아 이어진 골격이고, 발판은 마주 보는 염기 두 개가 수소 결합으로 손을 맞잡은 자리입니다.

쉽게 말하면

DNA는 핵산의 한 종류이므로, 기본 단위는 뉴클레오타이드입니다. 뉴클레오타이드 하나는 인산 + 당(디옥시리보스) + 염기로 이루어지고, 염기는 A(아데닌), G(구아닌), C(사이토신), T(타이민) 네 가지입니다. 앞 뉴클레오타이드의 당과 뒤 뉴클레오타이드의 인산이 이어지면서 당-인산 골격이 만들어지고, 염기는 그 골격에서 안쪽을 향해 튀어나옵니다.

이 골격에는 방향이 있습니다. 당의 5번 탄소에는 인산이, 3번 탄소에는 -OH가 붙어 있어서, 가닥의 한쪽 끝은 5' 끝, 반대쪽 끝은 3' 끝이 됩니다. 이중 나선에서 두 가닥은 이 방향이 서로 반대입니다 — 한 가닥이 위에서 아래로 5'→3'이면, 마주 보는 가닥은 아래에서 위로 5'→3'입니다. 이것을 반평행이라고 부릅니다.

두 가닥을 붙잡아 두는 힘은 염기 사이의 수소 결합입니다. 아무 염기끼리나 붙지 않고 A는 T와(수소 결합 2개), G는 C와(수소 결합 3개)만 짝을 이룹니다. 크기가 큰 퓨린(A, G)과 작은 피리미딘(C, T)이 한 쌍씩 짝지어야 나선의 폭이 일정하게 유지되고, 수소 결합을 주고받는 자리도 이 조합에서만 딱 맞아떨어지기 때문입니다.

짝이 정해져 있다는 사실에서 두 가지가 따라 나옵니다. 첫째, 한 가닥의 서열만 알면 나머지 가닥의 서열이 자동으로 정해집니다 — 이것이 복제와 전사의 원리입니다. 둘째, 어떤 생물의 DNA든 A의 개수와 T의 개수가 같고 G와 C의 개수가 같습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

상보적인 가닥 써 보기

한 가닥이 5'-ATGCCG-3' 이라면, 마주 보는 가닥은 3'-TACGGC-5' 입니다. 이것을 흔히 쓰는 5'→3' 순서로 다시 적으면 5'-CGGCAT-3' 이 됩니다. 짝을 맞춘 뒤 방향을 뒤집어 적는 이 마지막 단계를 빼먹는 실수가 아주 많습니다.
예시 2

A가 20%인 DNA의 나머지 염기 비율

A가 전체 염기의 20%면 T도 20%입니다. 남은 60%를 G와 C가 반씩 나눠 가지므로 G = C = 30%입니다. 이때 A + T = 40%, G + C = 60%로 서로 같지 않다는 점에 주의하세요.
예시 3

G-C 비율이 높은 DNA가 더 잘 안 풀리는 이유

A-T는 수소 결합 2개, G-C는 3개로 붙어 있습니다. 그래서 G-C가 많은 DNA일수록 두 가닥을 떼어내는 데 더 높은 온도가 필요합니다. PCR에서 온도 조건을 정할 때 실제로 고려하는 성질입니다.

DNA와 RNA

구분	DNA	RNA
당	디옥시리보스	리보스
염기	A, G, C, T	A, G, C, U
가닥	이중 가닥(이중 나선)	대개 단일 가닥
역할	유전 정보의 저장	정보 전달과 단백질 합성

자주 하는 오해

샤가프 법칙을 A + T = G + C 로 외우기

이렇게 생각하기 쉬움DNA에서는 A와 T를 합친 양과 G와 C를 합친 양이 같다

실제로는같은 것은 A = T, G = C 입니다. A + T와 G + C의 비율은 생물마다 다릅니다.

염기 짝짓기는 A-T, G-C 사이에서만 일어나므로 개수가 1:1로 묶이는 것은 A와 T, G와 C뿐입니다. A-T 쌍이 몇 개이고 G-C 쌍이 몇 개인지는 그 생물의 유전 정보에 따라 얼마든지 달라집니다.

두 가닥이 나란히 같은 방향으로 놓여 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움이중 나선의 두 가닥은 둘 다 왼쪽이 5' 끝이다

실제로는두 가닥은 방향이 정반대입니다. 한쪽 가닥의 5' 끝이 있는 쪽에는 다른 가닥의 3' 끝이 옵니다.

당-인산 골격이 5번 탄소-3번 탄소로 이어지기 때문에 가닥에는 방향이 생깁니다. 두 가닥이 같은 방향으로 놓이면 마주 보는 염기의 수소 결합 자리가 어긋나 짝이 맞지 않습니다. DNA 중합효소가 5'→3' 방향으로만 합성하는데도 두 가닥이 동시에 복제되는 이유가 바로 이 반평행 구조입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

생체 고분자고3 핵산고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

유전자 재조합고3 전사고3 DNA 복제고3

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

수소 결합고3

같은 단원의 개념 — 유전자와 유전 물질

돌연변이고3 반보존적 복제고3 연관과 교차고3 염색체 돌연변이고3 점 돌연변이고3 틀이동 돌연변이고3 DNA 복제고3

자주 묻는 질문

Q1왜 A는 하필 T하고만, G는 C하고만 짝을 짓나요?

두 가지 조건을 동시에 만족하는 조합이 이 둘뿐이기 때문입니다. 크기가 큰 퓨린과 작은 피리미딘이 짝을 이뤄야 나선의 폭이 일정해지고, 수소 결합을 내주는 자리와 받는 자리의 배치가 맞아야 안정적으로 붙습니다. A-G처럼 큰 것끼리 붙으면 그 자리만 부풀고, A-C처럼 자리가 어긋나면 수소 결합이 제대로 생기지 않습니다.

Q2수소 결합이 그렇게 약한데 유전 정보가 안전하게 보관되나요?

오히려 그 점이 장점입니다. 골격을 잇는 결합은 튼튼해서 정보 자체는 잘 끊어지지 않고, 두 가닥을 붙이는 수소 결합은 하나하나는 약해서 필요할 때 지퍼처럼 열 수 있습니다. 다만 수백만 개가 모이면 전체적으로는 충분히 안정적입니다. 정보는 튼튼하게, 접근은 쉽게 — 두 마리 토끼를 잡은 구조입니다.

Q3유전 정보는 골격에 들어 있나요, 염기에 들어 있나요?

염기입니다. 당-인산 골격은 어느 부분이나 똑같이 반복되기 때문에 정보를 담을 수 없습니다. 네 종류의 염기가 어떤 순서로 늘어서 있는지가 곧 유전 정보이고, 그래서 염기 하나가 바뀌는 것만으로도 단백질이 달라질 수 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 유전자와 유전 물질 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

한 가닥으로 나머지 가닥을 정할 수 있다는 성질이 바로 복제의 원리입니다. DNA 복제에서 세포가 이 구조를 어떻게 이용하는지 확인해 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

DNA 구조 지도에서 확인하기 →