생명과학 고3 유전자의 발현

유전 암호

Q: 유전 암호가 모든 생물에서 같다는 게 왜 중요한가요?

종이 달라도 같은 코돈이 같은 아미노산을 뜻하므로, 사람의 인슐린 유전자를 세균에 넣어 사람 인슐린을 생산할 수 있습니다. 유전 공학이 성립하는 근거이자, 모든 생물이 공통 조상에서 갈라져 나왔다는 증거로도 읽힙니다.

Q: 개시 코돈은 왜 특별한가요?

AUG는 아미노산(메싸이오닌)을 지정하면서 동시에 '여기서부터 읽어라'라는 시작 신호 역할을 합니다. 그래서 개시 코돈은 읽는 틀을 정하는 기준점이 됩니다. 반면 종결 코돈은 아미노산을 지정하지 않고 신호 역할만 합니다.

Q: 코돈은 mRNA에 있는 건가요, DNA에 있는 건가요?

코돈은 mRNA의 세 염기 묶음을 가리키는 말입니다. DNA의 대응 부분은 코돈이 아니라 그 코돈의 정보를 담은 염기 서열이라고 하는 것이 정확합니다. 문제에서 DNA 서열을 주면 먼저 mRNA로 옮긴 뒤 코돈을 끊어야 합니다.

mRNA의 연속된 세 염기(코돈)가 특정 아미노산 또는 종결 신호를 지정하는 대응 규칙이다.

mRNA의 연속된 세 염기(코돈)가 어떤 아미노산을 지정하는지, 또는 번역을 끝내라는 신호인지를 정해 놓은 대응 규칙입니다.

염기 4글자로 된 언어를 아미노산 20글자로 된 언어로 바꾸는 사전입니다. 이 사전은 세균부터 사람까지 거의 모든 생물이 똑같이 쓰기 때문에, 사람 유전자를 세균에 넣어도 사람 단백질이 나옵니다.

쉽게 말하면

왜 하필 세 개일까요? 염기는 4종류인데 지정해야 할 아미노산은 20종류입니다. 한 염기로는 $4^{1} = 4$ 가지, 두 염기로는 $4^{2} = 16$ 가지밖에 안 되어 20종류를 다 담지 못합니다. 세 염기면 $4^{3} = 64$ 가지가 되어 충분합니다. 유전 암호가 3염기 단위인 것은 20이라는 숫자를 담을 수 있는 가장 작은 묶음이 3이기 때문입니다.

64개 코돈 중 3개(UAA, UAG, UGA)는 아미노산을 지정하지 않고 번역을 끝내라는 신호입니다. 나머지 61개가 20종류의 아미노산을 나눠 지정하다 보니, 한 아미노산에 여러 코돈이 배정됩니다. 이를 유전 암호의 중복성이라고 합니다. 반대로 한 코돈이 두 아미노산을 지정하는 일은 없습니다 — 사전은 한 방향으로만 애매하지 않습니다.

중복되는 코돈들은 대개 앞 두 염기가 같고 세 번째 염기만 다릅니다. 그래서 세 번째 염기가 바뀌는 돌연변이는 아미노산을 바꾸지 않고 지나가는 경우가 많습니다. 유전 암호의 중복성이 돌연변이의 충격을 완충하는 안전장치 역할을 하는 셈입니다.

또한 유전 암호는 겹치지 않고(한 염기가 두 코돈에 동시에 속하지 않음) 끊김 없이 연속으로 읽힙니다. 그래서 읽기 시작점이 한 칸만 밀려도 그 뒤 코돈이 전부 다시 끊겨 완전히 다른 단백질이 나옵니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

왜 2염기로는 안 되는가

$4^{2} = 16 < 20 \leq 64 = 4^{3}$

두 염기 조합은 16가지로 20종류의 아미노산에 모자랍니다. 세 염기면 64가지로 넉넉합니다. '왜 3인가'를 묻는 문제는 이 부등식 한 줄로 끝납니다.
예시 2

세 번째 염기가 바뀌어도 아미노산이 그대로인 경우

한 아미노산을 지정하는 코돈이 여러 개일 때 보통 앞 두 염기가 같습니다. 이때 세 번째 염기 하나가 다른 염기로 바뀌면 코돈은 바뀌었지만 지정하는 아미노산은 그대로여서, 단백질도 정상입니다. 염기 서열에 변화가 있어도 형질에 아무 변화가 없을 수 있는 이유입니다.
예시 3

낫 모양 적혈구 빈혈증

헤모글로빈 유전자에서 염기 하나가 바뀌어 코돈 하나가 다른 아미노산을 지정하게 되면, 아미노산 서열이 딱 한 자리만 달라집니다. 그런데 그 한 자리 때문에 단백질의 입체 구조가 달라져 적혈구가 낫 모양으로 변형됩니다. 코돈 하나의 변화가 형질 전체를 바꿀 수 있다는 것을 보여 줍니다.

자주 하는 오해

중복성을 '한 코돈이 여러 아미노산을 지정한다'로 거꾸로 이해하기

이렇게 생각하기 쉬움코돈이 64개, 아미노산이 20개니까 한 코돈이 여러 아미노산을 지정할 수 있다

실제로는여러 코돈이 같은 아미노산 하나를 지정하는 것입니다. 한 코돈은 언제나 아미노산 하나만 지정합니다.

방향이 반대입니다. 한 코돈이 여러 아미노산을 지정한다면 같은 mRNA에서 매번 다른 단백질이 나와 유전 정보가 무의미해집니다. 그래서 mRNA 서열을 주면 아미노산 서열을 유일하게 결정할 수 있지만, 아미노산 서열만 주면 원래 mRNA 서열을 하나로 확정할 수 없습니다.

염기 하나가 바뀌면 반드시 단백질이 달라진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움DNA 염기가 하나라도 바뀌면 무조건 형질이 달라진다

실제로는중복성 덕분에 코돈이 바뀌어도 같은 아미노산을 지정해 단백질이 그대로인 경우가 많습니다.

특히 코돈의 세 번째 염기는 바뀌어도 아미노산이 유지되는 일이 흔합니다. 반면 삽입이나 결실로 염기 수가 한두 개 달라지면 읽는 틀 전체가 밀려 그 뒤 아미노산이 모두 바뀝니다. '어떤 염기가, 어떻게 바뀌었는가'에 따라 결과의 크기가 전혀 다릅니다.