핵산과 단백질

1950년 샤가프는 여러 생물의 DNA를 분석했다. 염기의 비율은 생물마다 달랐다. 사람은 A가 약 30%, 대장균은 약 25%였다. 그런데 어느 생물이든 A와 T의 양이 같았고, G와 C의 양도 같았다. 이 규칙은 무엇을 뜻할까? 그리고 DNA와 단백질은 작은 단위를 어떻게 이어 붙여 생명의 정보와 일꾼이 될까?

A의 비율 (%)

1.2.1핵산의 구조

핵산은 뉴클레오타이드가 길게 이어진 중합체이다. 뉴클레오타이드는 인산, 5탄당, 염기로 되어 있다. DNA의 당은 디옥시리보스, 염기는 A, G, C, T이고, RNA의 당은 리보스, 염기는 T 대신 U이다. 한 뉴클레오타이드의 인산이 다음 뉴클레오타이드의 당과 결합하여 당−인산의 뼈대를 이루고, 염기는 뼈대 옆으로 튀어나와 순서대로 늘어선다. 이 염기의 순서가 유전 정보이다.

샤가프의 규칙은 바로 이 짝짓기의 결과였다. 한쪽 가닥에 A가 있는 자리마다 맞은편에는 반드시 T가 있으므로 두 양이 같다. 그림 1에서 A의 비율을 바꾸어 보자. 사람처럼 A가 30%이면 T도 30%이고 G와 C는 각각 20%이다. 왓슨과 크릭은 이 자료와 X선 회절 사진을 합쳐 1953년 이중 나선 구조를 밝혔다.¹

1.2.2단백질

단백질은 20가지 아미노산이 펩타이드 결합으로 이어진 중합체이다. 한 아미노산의 카복실기와 다음 아미노산의 아미노기에서 물이 빠지며 결합한다. 아미노산이 몇 개 어떤 순서로 이어지는지가 1차 구조이며, 사슬이 나선이나 병풍 모양으로 접히고(2차), 전체가 입체적으로 뭉쳐(3차) 고유한 모양을 갖는다. 그 모양이 효소, 항체, 운반체 같은 기능을 정한다. 그래서 열이나 산으로 모양이 망가지면 기능을 잃는데, 이를 변성이라 한다.

1.2.3예제 풀이

G = C이므로 C도 22%이다. A와 T는 나머지 56%를 반씩 나누어 각각 28%이다.

1000 염기쌍은 염기 2000개이므로 G–C 쌍은 \(2000 \times 0.22 = 440\)쌍, A–T 쌍은 \(2000 \times 0.28 = 560\)쌍이다. 수소 결합은 \(440 \times 3 + 560 \times 2 = 1320 + 1120 = 2440\)개이다. 그래서 G–C 비율이 높은 DNA일수록 두 가닥을 떼어 놓는 데 더 높은 온도가 필요하다. 뜨거운 온천에 사는 세균의 DNA는 G–C 비율이 높은 경우가 많다.

아래 탐구 카드에서 생물마다 다른 DNA에서 A와 T의 양이 같은 까닭과, 아미노산 한 줄이 일하는 단백질이 되는 과정을 살펴보자.

1. 한 가닥만 있는 RNA나 일부 바이러스의 단일 가닥 DNA에서는 짝이 없으므로 A와 T(U)의 양이 같지 않다. 샤가프 법칙은 이중 가닥에서만 성립한다.