핵산

3. 생성 및 명명법

핵산(nucleic acid)은 DNA와 RNA를 포함하는 생체고분자^[13]의 총칭이며, 폴리뉴클레오타이드의 일종이다. 핵산은 처음 세포핵에서 발견되었고, 인산기가 존재하기 때문에 이러한 이름이 붙여졌다.^[14] 진핵세포의 세포핵에서 처음 발견되었지만, 현재는 세균, 고균, 미토콘드리아, 엽록체, 그리고 바이러스(바이러스가 생물인지 무생물인지에 대한 논쟁이 존재함)를 포함한 모든 생명체에서 발견되는 것으로 알려져 있다. 모든 생세포는 DNA와 RNA를 모두 함유하고 있지만(성숙한 적혈구와 같은 일부 세포 제외), 바이러스는 DNA 또는 RNA 중 하나만을 함유하며, 보통 둘 다 함유하지는 않는다.^[15]

핵산의 기본 구성 요소는 뉴클레오타이드이며, 각 뉴클레오타이드는 5탄당 (리보스 또는 디옥시리보스), 인산기, 핵염기를 포함한다.^[16] 핵산은 효소^[17](DNA 중합효소 및 RNA 중합효소)와 고상 합성을 이용하여 실험실에서도 생성될 수 있다. 화학적 방법들은 또한 펩타이드 핵산과 같이 자연에서 발견되지 않는 변형된 핵산의 생성을 가능하게 한다.^[51]

3. 1. 핵산의 정의

3. 2. 명명 유래

4. 분자 구성 및 크기

핵산은 일반적으로 매우 큰 분자이며, DNA 분자는 알려진 가장 큰 분자 중 하나이다. 생물학적으로 연구된 핵산 분자는 크기가 다양한데, 작은 것은 21개의 뉴클레오타이드로 구성된 소간섭 RNA부터 큰 것은 2억 4700만 개의 염기쌍을 가진 사람의 1번 염색체까지 존재한다.^[52]

핵산은 뉴클레오타이드의 선형 중합체이며, 각 뉴클레오타이드는 핵염기, 5탄당, 인산의 세 가지 성분으로 구성된다. 핵산의 종류에 따라 5탄당과 핵염기의 구성이 달라지는데, 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

핵산의 당과 인산은 포스포다이에스터 결합을 통해 서로 연결되어 '당-인산 골격'을 형성한다.^[56] 이 결합은 당의 3' 탄소와 5' 탄소에서 일어나며, 핵산에 방향성을 부여한다. 핵염기는 N-글리코사이드 결합을 통해 5탄당의 1' 탄소에 연결된다.

DNA와 RNA에서 비표준 뉴클레오사이드가 발견되기도 하는데, 이는 주로 표준 뉴클레오사이드의 변형으로 생성된다. 운반 RNA(tRNA)는 특히 많은 수의 변형된 뉴클레오사이드를 포함한다.^[57]

4. 1. 뉴클레오타이드 구성 요소

4. 2. DNA와 RNA의 구조적 차이

• 5탄당의 차이: DNA는 2'-디옥시리보스라는 당을 가지고 있는 반면, RNA는 리보스라는 당을 가지고 있다. 리보스는 디옥시리보스에 비해 2번 탄소에 수산기(-OH)가 하나 더 붙어있다.

• 핵염기의 차이: DNA와 RNA는 모두 아데닌(A), 구아닌(G), 사이토신(C)을 가지고 있지만, DNA는 티민(T)을, RNA는 유라실(U)을 가진다.

• 가닥 수 차이: 대부분의 경우 DNA는 이중 가닥으로 존재하고, RNA는 단일 가닥으로 존재한다.^[53] 그러나 예외도 존재한다. 일부 바이러스는 이중 가닥 RNA 게놈을 가지며, 또 다른 바이러스들은 단일 가닥 DNA 게놈을 가진다.^[54] 또한, 특정 상황에서는 세 가닥 또는 네 가닥 핵산 구조가 형성될 수도 있다.^[55]

4. 3. 핵산의 크기

4. 4. 포스포다이에스터 결합

4. 5. N-글리코사이드 결합

4. 6. 비표준 뉴클레오사이드

5. 위상

핵산의 3차원 구조는 이중 가닥 핵산과 단일 가닥 핵산(RNA, DNA)으로 나눌 수 있다. 이중 가닥 핵산은 왓슨-크릭 염기쌍이 반복되는 균일한 이중나선 구조를 띄는 반면,^[58] 단일 가닥 핵산은 분자 내 염기쌍 및 다양한 상호작용으로 인해 복잡한 3차원 구조를 형성한다.^[59]

핵산 분자는 일반적으로 가지가 없는(비분지형) 선형 또는 원형 분자로 존재한다. 세균 DNA, 플라스미드, 미토콘드리아 DNA, 엽록체 DNA는 주로 원형 이중 가닥 DNA 분자인 반면, 진핵세포 핵 속 염색체는 선형 이중 가닥 DNA 분자이다.^[48] RNA 분자는 대부분 선형 단일 가닥이지만, RNA 스플라이싱 과정에서 원형이나 가지형 분자가 생성되기도 한다.^[60] DNA 이중 나선의 지름은 2nm로 일정하며, 퓨린 염기의 총량과 피리미딘 염기의 총량은 같다.

5. 1. 이중 가닥 핵산

5. 2. 단일 가닥 핵산 (RNA, DNA)

5. 3. 핵산 분자의 형태

6. 염기서열

DNA 분자와 RNA 분자는 고유한 염기서열을 가지며, 주로 뉴클레오타이드 서열에서 차이가 난다. 생물학적 DNA 및 RNA 분자의 뉴클레오타이드 서열을 결정하기 위한 실험 방법 개발에 막대한 노력이 투입되었다.^[27][28] 현재 전 세계의 게놈 센터와 소규모 실험실에서 매일 수억 개의 뉴클레오타이드가 시퀀싱되고 있다. 미국 국립 생명공학 정보 센터(NCBI)는 GenBank 핵산 서열 데이터베이스를 유지 관리하는 것 외에도, GenBank의 데이터와 NCBI 웹 사이트를 통해 제공되는 다른 생물학적 데이터에 대한 분석 및 검색 리소스를 제공한다.^[29]

6. 1. 염기서열의 중요성

6. 2. 염기서열 분석 기술

7. 종류

핵산의 주요 종류에는 디옥시리보핵산(DNA), 리보핵산(RNA), 인공 핵산이 있다.^[30] DNA는 생명체의 유전 정보를 담고 있으며, RNA는 유전 정보를 전달하여 단백질 합성에 관여한다. 인공 핵산은 화학적으로 합성된 핵산 유사체이다.

7. 1. 디옥시리보핵산 (DNA)

7. 2. 리보핵산 (RNA)

7. 3. 인공 핵산

8. 화학적 성질

핵산의 화학적 성질은 주로 변성(denaturation), 또는 융해와 관련되어 나타난다. 핵산의 변성은 단백질과 같은 거대 분자에서 2차 이상의 구조와 관련된 비공유 결합 상호작용이 파괴되는 현상을 말한다. 핵산의 경우, 이중 나선 구조가 단일 나선으로 변환되는 것을 의미한다.^[31]

변성은 자외선, 열, 압력, 교반, 산·염기, 용매의 이온 등 다양한 화학적 외인에 의해 일어날 수 있다. 이러한 자극이 지속되면 핵산의 이중 나선은 풀리고, 결국 두 가닥이 완전히 분리되어 단일 가닥이 된다. 이 과정에 필요한 시간은 나선 구조의 안정성을 나타낸다.

핵산 가닥의 분리는 염기 사이의 수소 결합이 끊어지면서 진행된다. 구아닌(G)과 시토신(C) 사이의 3중 수소 결합보다 아데닌(A)과 티민(T) 사이의 2중 수소 결합이 더 쉽게 끊어진다. 스태킹 상호작용 또한 안정성에 영향을 미친다.

용액의 이온 강도도 핵산 변성에 영향을 준다. 핵산 분자의 주쇄에는 음전하를 띤 인산기가 있어 두 가닥이 서로 반발하는데, 이온 농도가 높으면 양이온이 음전하를 차폐하여 나선을 안정화시킨다.

G/C 함량이 증가하거나 용액의 이온 강도가 강해질수록 변성에 걸리는 시간은 증가한다. 즉, 염기 조성과 용액의 이온 농도는 핵산 나선 구조의 안정성을 정량화하는 지표가 될 수 있으며, 주로 온도(T_m), pH(pH_m), 염기 조성($-\; \backslash Delta\; G\_\{37\}^\backslash circ$)으로 나타낸다.

8. 1. 변성 (융해)

8. 2. 안정성 지표

• T_m (녹는점, melting temperature): 핵산 이중 나선의 절반이 단일 가닥으로 변성되는 온도를 의미한다. 이중 나선이 풀리는 현상을 '융해'라고 부르기도 한다.^[31] T_m 값은 G/C 염기쌍 비율이 높을수록, 용액의 이온 강도가 강할수록 증가한다. G/C 염기쌍은 A/T 염기쌍보다 더 많은 수소 결합(3개)을 형성하여 안정성이 높기 때문이다. 또한, 용액 내 양이온은 음전하를 띤 인산기 사이의 반발력을 줄여 이중 나선을 안정화시킨다.

• pH_m: 이중 나선의 절반이 단일 가닥으로 변성되는 pH 값을 의미한다. T_m에서 온도를 pH로 바꾼 개념과 동일하다.

• -ΔG₃₇° (구조 안정 에너지): 37℃에서 핵산 구조 형성의 자유 에너지 변화를 의미한다. 수소 결합뿐만 아니라 염기 간의 스태킹 상호작용도 고려한 안정성 지표이다.^[34] -ΔG₃₇°는 '''최근접 염기쌍 모델'''을 통해 예측할 수 있는데, 이 모델은 핵산 염기쌍 형성에 가장 큰 영향을 미치는 것이 이미 생성되어 있는 이웃 염기쌍이라는 가정에 기반한다.

8. 3. 최근접 염기쌍 모델

• DNA/DNA 이중 나선

• RNA/RNA 이중 나선

• RNA/DNA 이중 나선

이 모델에 따르면, 서로 다른 염기 배열을 가진 핵산 분자라도 동일한 최근접 염기쌍 조성을 가지면 안정성이 같다.

9. 핵산 염기

핵산 염기는 뉴클레오염기라고도 불리며, 핵산(DNA, RNA)을 구성하는 기본 단위이다. 주요 핵염기에는 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), 우라실(U)이 있으며, 이들은 퓨린염기(A, G)와 피리미딘염기(C, T, U)로 나뉜다.

DNA에서 A는 T와, G는 C와 수소 결합을 통해 염기쌍을 이룬다. A-T 염기쌍은 수소 결합이 2개, G-C 염기쌍은 3개이므로 G-C 함량이 높을수록 DNA 이중 나선 구조가 더 안정적이다. RNA에서는 T 대신 U이 A와 염기쌍을 이룬다.

9. 1. 주요 핵염기

9. 2. 염기쌍

DNA에서 아데닌(A)은 티민(T)과, 구아닌(G)은 시토신(C)과 수소 결합을 이룬다. A-T 염기쌍은 수소 결합이 2개, G-C 염기쌍은 3개이므로, G-C 함량이 높을수록 DNA 이중 나선이 더 안정적이다. 이러한 이유로 A-T는 '''W'''eak(약함), G-C는 '''S'''trong(강함)으로 약호화한다.

RNA에서는 아데닌(A)이 우라실(U)과, 구아닌(G)이 시토신(C)과 염기쌍을 형성한다. RNA는 티민 대신 우라실을 가지지만, 우라실 역시 피리미딘 계열이며 아데닌과 염기쌍을 이룰 수 있다. 우라실은 티민에서 메틸기가 수소로 치환된 형태이다.

10. 존재

효모(Baker's yeast/ *Saccharomyces cerevisiae*), 김, 숭어알(연어), 굴, 콩, 돼지 간 등에서 중량비로 볼 때 핵산의 검출량이 높다.^[36]

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