생명과학 고3 세포의 구조와 기능 심화

핵산

뉴클레오타이드(인산·당·염기)로 구성된 DNA와 RNA는 유전 정보의 저장 및 발현을 담당한다.

인산·당·염기로 이루어진 뉴클레오타이드가 길게 이어진 생체 고분자로, DNA는 유전 정보를 저장하고 RNA는 그 정보를 꺼내 단백질로 옮기는 일을 맡습니다.

DNA는 금고에 보관된 원본 설계도이고, RNA는 필요한 페이지만 베껴 작업장으로 들고 나온 복사본입니다. 원본은 금고(핵) 밖으로 나가지 않고, 복사본은 쓰고 나면 버립니다.

쉽게 말하면

핵산의 단위체인 뉴클레오타이드는 세 부분으로 되어 있습니다. 인산, 5탄당, 그리고 염기입니다. 뉴클레오타이드끼리는 한쪽의 당과 다른 쪽의 인산이 결합해 이어지므로, 사슬의 바깥쪽에는 당과 인산이 번갈아 늘어선 골격이 만들어지고 염기는 안쪽으로 튀어나옵니다. 정보가 담기는 곳은 골격이 아니라 이 염기의 순서입니다. 골격은 어디나 똑같이 생겼고, 오직 염기의 배열만이 달라집니다.

DNA와 RNA의 차이는 세 가지입니다. 당이 다르고(디옥시라이보스와 라이보스), 염기 중 하나가 다르고(타이민과 유라실), 가닥 수가 다릅니다(두 가닥과 한 가닥). 이 차이가 역할의 차이로 이어집니다. DNA는 두 가닥이 서로를 마주 보며 염기끼리 결합해 나선을 이루므로 안정적이고, 한 가닥이 손상되어도 반대편 가닥을 보고 복구할 수 있습니다. 장기 보관에 알맞은 형태입니다. RNA는 한 가닥이라 불안정하지만, 그래서 필요할 때 만들고 다 쓰면 분해하기에 좋습니다.

DNA의 두 가닥은 아무렇게나 붙지 않습니다. A는 T와, G는 C와만 짝을 이룹니다. 상보적 결합이라 부르는 이 규칙 때문에 한 가닥의 염기 순서를 알면 반대편 가닥의 순서가 자동으로 정해집니다. 유전 정보가 복제될 수 있는 근본적인 이유가 여기 있습니다 — 두 가닥을 풀어 각각을 본으로 삼으면 똑같은 DNA 두 개가 만들어집니다. 유전 물질이 '정보를 담을 수 있어야 하고 동시에 정확히 복제될 수 있어야 한다'는 두 조건을 이 구조 하나가 함께 만족시킵니다.

ATP 역시 아데닌 염기와 당에 인산이 붙은 뉴클레오타이드의 일종입니다. 세포가 같은 부품을 정보 저장에도, 에너지 화폐에도 돌려쓰고 있다는 뜻입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

한 가닥만 알아도 나머지를 안다

한 가닥의 염기 순서가 ATGC라면 반대편 가닥은 TACG입니다. 상보적 결합 규칙이 정해져 있어 나머지 절반이 자동으로 결정됩니다. 이 성질 덕분에 DNA는 스스로를 정확히 복제할 수 있고, 손상된 가닥도 복구할 수 있습니다.
예시 2

정보는 염기 순서에 있다

당-인산 골격은 모든 DNA에서 똑같이 생겼습니다. 사람과 세균의 DNA가 다른 것은 골격이 아니라 염기의 배열이 다르기 때문입니다. 같은 자모로 전혀 다른 문장을 쓰는 것과 같습니다.
예시 3

RNA가 한 가닥인 것이 단점만은 아니다

한 가닥이라 불안정하지만, 스스로 접혀 특정 모양을 만들 수 있다는 뜻이기도 합니다. 그래서 어떤 RNA는 정보를 나르는 데 그치지 않고 직접 특정한 구조를 이루어 일을 합니다. 단백질처럼 '접힌 모양이 기능을 만든다'는 원리가 여기서도 나타납니다.

DNA와 RNA

구분	DNA	RNA
당	디옥시라이보스	라이보스
염기	A, G, C, T	A, G, C, U
가닥 수	두 가닥(이중 나선)	한 가닥
역할	유전 정보의 저장	정보의 전달과 단백질 합성
안정성	안정적 — 장기 보관에 적합	불안정 — 필요할 때 만들고 분해

자주 하는 오해

유전 정보가 당이나 인산에 담겨 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움뉴클레오타이드가 세 부분으로 되어 있으니 정보도 그 셋에 나뉘어 담긴다

실제로는정보를 담는 것은 오직 염기의 순서입니다. 당과 인산 골격은 모든 뉴클레오타이드에서 똑같습니다.

골격이 모두 동일하다면 거기에는 어떤 차이도, 따라서 어떤 정보도 담길 수 없습니다. 정보는 '다를 수 있는 것'에만 담깁니다. 뉴클레오타이드 네 종류를 구별하는 유일한 부분이 염기이므로, 유전 정보는 염기 서열입니다. 이 점을 잡으면 왜 돌연변이가 염기의 변화로 정의되는지도 자연스럽게 이해됩니다.

RNA를 그저 '불완전한 DNA'로 여기기

이렇게 생각하기 쉬움RNA는 한 가닥짜리라서 DNA보다 못한 물질이다

실제로는RNA는 DNA의 열등한 버전이 아니라 다른 일을 하도록 특화된 분자입니다. 불안정한 것이 오히려 장점입니다.

세포는 필요한 유전자만 그때그때 RNA로 베껴 쓰고, 필요가 없어지면 분해합니다. 만약 RNA가 DNA처럼 안정하다면 다 쓴 복사본이 계속 쌓여 단백질이 멈추지 않고 만들어질 것입니다. '금방 사라진다'는 성질이 유전자 발현을 조절 가능하게 만드는 핵심입니다.