기종평 생화학

핵산 및 유전자

핵산의 구조

이론과 하이라이트 히스토리를 확인 할 수 있어요.

기본적인 DNA의 구성을 비롯한 큰 흐름을 묻는 문제들이 출제된다. 다만, 자주 출제되는 히스톤의 번역 후 변형의 경우 위치별 변형의 효과까지 알아야 하는 문제가 출제되므로 꼼꼼히 외우는 것이 좋겠다.ㅣ

1. 핵산의 구조

1) 핵산(Nucleic acid): 핵에 존재하는 산성 물질

• 뉴클레오타이드로 구성된 중합체로, 유전 정보 함유

2) 당: 오탄당; Ribose or 2-Deoxyribose

3) 염기

(1) 퓨린계 염기(고리 2개): Adeine(A), Guanine(G)

(2) 피리미딘계 염기(고리 1개): Cytosine(C), Thymine(T, DNA), Uracil(U, RNA)

(3) 수소결합

① 이중결합: A-T (DNA), A-U (RNA)

② 삼중결합: G-C

(4) minor Base in RNA: 주로 tRNA에서 발견

• 4-Thiouridine(S⁴U), Ionsine(I), Ribothymidine(T)

4) Nucleoside= Base + Ribose(RNA)/Deoxyribose(DNA)

(1) 명명법: (DNA의 경우 deoxy를 앞에 붙임) + 염기 이름

• DNA: deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxycytidine, deoxythymidine

• RNA: adenosine, guanosine, cytidine, uridine

5) Nucleotide = Nucleoside + Phosphate

(1) 구조: 염기는 1‘C와, 인산기는 5’C와 결합

(2) 명명법: (DNA의 경우 deoxy를 앞에 붙임) + 염기 이름 –ylate

• DNA: deoxyadenylate, deoxyguanylate, deoxycytidylate, deoxythymidylate

• RNA: adenylate, guanylate, cytidylate, uridylate

(3) 기능

① 핵산의 단위체: DNA, RNA의 단위체

② 에너지 대사: ATP, GTP

③ 생체 작용 조절자

• 2차전달물질: cAMP, cGMP

• mRNA capping: GTP

• G-protein: GTP-binding protein

④ Coenzyme: NAD⁺, NADH⁺, FADH₂

⑤ 반응 중간물

• UDP-glucose: 글리코겐, 당단백질 합성

• UDP-glucuronic acid: bilirubin conjugation

• CDP-choline, -ethanolmaine, -diacylglycerol: 인지질 합성

• S-adenosylmethionine(SAM): 1 carbon metabolism

⑥ Allosteric effector: NAD⁺/NADH, AMP/ATP

6) DNA와 RNA: polynucleotide chain

• 인접한 뉴클레오타이드에서 3‘C의 하이드록시기와 5’C의 인산기가 인산디에스테르결합 형성

• 5‘ 말단: 인산기, 3’ 말단: 하이드록시기

• 염기 서열은 5‘ → 3’의 방향으로 작성

• 자발적 돌연변이: DNA나 RNA에서 불규칙적, 자발적으로 효소 없이 이루어지는 돌연변이; Deamination(C→U), Depurination 등

7) DNA

(1) 구조: polynucleotide의 이중나선 구조

• 역평행(antiparallel) 구조

• right-handed

• hydrophilic backbone (바깥쪽): deoxyribose, phosphate로 구성

• hydrophobic base (안쪽)

(2) 상보적 결합

• A와 T, G와 C 간의 상보적 수소결합 통해 이중나선 구조 유지

(3) Groove

• Minor groove: 이중나선 자체의 groove, 12Å

• Major groove: 이중나선의 꼬임으로 인해 생기는 groove, 22Å

(4) Denaturation, Annealing: PCR에 이용

• Denaturation: 온도를 높였을 때 double-helical DNA가 단일 가닥으로 풀리는 과정

• Annealing: 온도를 낮췄을 때 단일가닥으로 풀린 DNA를 다시 이중가닥으로 합쳐지는 과정

• T_m: 50%의 DNA가 denaturation 되는 온도

① DNA 서열 내 G-C 결합↑ → T_m↑

② DNA 길이↑ → T_m↑

③ pH↓ → T_m↑

④ Salt↑ → T_m↑

2. 유전자와 유전체

1) 유전자(Gene): 단백질이나 RNA에 대한 정보를 가지고 있는 DNA의 부위

2) 유전체(Genome): 개체 내의 모든 유전자의 전체 DNA 염기 서열

• Human Genome project: 인간 게놈의 모든 염기서열의 구조와 기능 분석

3. DNA condensation

1) 필요성: 핵 내에 크기가 큰 DNA를 응축시켜 보관

2) 과정

① DNA 이중나선의 supercoiling

② DNA가 히스톤 단백질을 감아 Nucleosome 형성: Beads on a string 구조

③ Nucleosome이 더욱 응축되어 Chromatin 형성

④ DNA 분열이 일어나는 과정에서는 더욱 응축되어 Chromosome 형성

3) 뉴클레오솜

(1) 구조: DNA가 Histone core를 1바퀴 반 감은 형태; Beads on a string 구조

(2) 구성: Histone core + Linker DNA + Histone tail

① Histone core: H2A H2B, H3, H4가 2개씩 쌍을 이루며 총 8개의 히스톤 단백질로 구성

② Linker DNA: Histone core를 감싸고 있지 않은 DNA 부분, H1 히스톤과 결합해 이후 string이 더 꼬이게 하는 역할

③ Histone tail: Histone core에서 히스톤 단백질의 N-말단이 튀어나온 부분, 이후 covalent modification이 일어남

(3) 기능: 염색질의 구성단위

4) 염색질(Chromatin): 뉴클레오솜이 연속적으로 이어지며 더욱 응축된 구조

(1) 응축 정도를 조절해 전사 활성 조절: Euchromatin, Heterochromatin

• Euchromatin: 전사 활발, DNA packing이 느슨, 연하게 염색

• Heterochromatin: 전사 억제, compact DNA packing, 진하게 염색

4. 히스톤 단백질

1) 종류: H1A, H2A, H2B, H3, H4

2) 전기적 특성: (+) 전하를 띠어 (-) 전하를 띠는 DNA와 결합

3) 염색질 리모델링(Chromatin remodeling)

(1) 원리: 히스톤 단백질의 전기적 특성을 조절해 히스톤 단백질 간의 정전기적 반발력을 일으켜 염색질의 응축 정도 조절

(2) 히스톤 변형(매개 효소) - 위치

① Acetylation(HAT)/Deacetylation(HDAC) - Lysine

• 모두 전사 활성화

② Phosphorylation(kinase)/Dephosphorylation(PPTase) - Serine, Threonine

③ Methylation(PRMT)/Demethylation(deiminase) - Arginine

④ Methylation(HKMT)/Demethylation(amine oxidase, hydroxylase) - Lysine

(3) 효과: 변형의 종류, 작용 위치에 따라 다름

히스톤 변형	아미노산	전사	위치
Acetylation	Lys(K)	활성화	H3K4, H3K9, H3K14, H4K16
Deacetylation	Lys(K)	억제	H3K4, H3K9, H3K14, H4K16
Phosphorylation	Ser(S), Thr(T)	활성화	H3S10, H3S28, H1S27, H2BS10, H2BS14, H2AS122, H2AS199
Methylation	Lys(K)	활성화	H3K4, H3K79
	Lys(K)	억제	H3K9, H3K27, H4K20, H1K26
	Arg(R)	활성화	H3R17, H3R26
	Arg(R)	억제	H3R2, H3R8

5. 조절 단백질(regulatory protein)

1) 기전: DNA나 단백질에 결합해 유전자 발현 조절; 결합을 위한 부위 보유

2) DNA 결합 부위: DNA의 major groove에 결합

① Helix-Turn-Helix motif (HTH motif)

• 구조: 두 개의 α-helical segments가 β turn으로 연결

• 예시: lac repressor

② Zinc finger motif

• 구조: 4 Cys 또는 2 Cys + 2 His가 Zn과 배위결합을 이룸

• 예시: Nuclear receptor, hormone receptor

3) PPI (Protein-protein interaction) domain

① Leucine Zipper

• 구조: 7개의 아미노산마다 Leu이 반복되는 단백질 두 개가 지퍼처럼 이합체 형성

② Basic Helix-Loop-Helix (bHLH)

Reference

• Lehninger Principles of Biochemistry 8th ed, pp.1024-1282, 3660-3668

• Ross Histology 7th ed, pp.77