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유전자/DNA/단백질

유전자

gene. 유전의 기본 단위이며, 자신의 고유한 특성(형태, 색, 성질)등의 유전정보를 담아 그 특성을 한 세대에서부터 그 다음 세대로 이어지는 모든 생물학적 형질의 특성을 전달해주는 물질로 모든 생물에 들어 있는 유전 정보의 단위

세포 속에 들어 있는 유전자는 생명현상의 가장 중요한 성분인 단백질을 만드는 데 필요한 유전정보로 DNA(디옥시리보헥산/Deoxyribonucleic acid)로 불리는 화합물로 구성되어 있음
유전자의 크기는 다양하며, 몇 천개의 염기쌍의 배열로 이루어진 것부터 몇 십 만개의 염기쌍으로 이루어진 것도 있음
유전자의 정보를 복사하여 전달하는 분자물질을 RNA(ribonucleic acid)라고 하며 이 RNA를 통해서 최종적으로 각 유전자가 지정한 단백질을 만들어 냄
현재 본인의 얼굴 생김새, 피부나 머리카락 색 등의 형질은 유전자에 의해 결정되며 부모님의 몸속에 있는 유전자의 정보가 현재의 본인에게 전달되어 나타나는 것임
인간의 경우 세포 속에 약 3만 여개의 유전자가 존재하며 쌀의 경우도 약 3만 여개의 유전자가 존재하는 것으로 알려져 있음

사진출처 : 유전자변형작물 이해하기(농촌진흥청 국립농업과학원 생물안전성과, 2012. 9),

Resource Center in the National Health Museum
(Courtesy; National Human Genome Research Institute and Artist Darryl Leja)

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유전자의 역사

1865	그레고어 멘델(Gregor Mendel) 완두콩 실험을 통해 완두콩 형질의 특성을 결정하는 본질(유전자)이 있다고 밝힘
1869	프리드리히 미셔(Friedrich Miescher, 1844~1895 DNA로 지칭하는 핵산물질을 백혈구 세포에서 최초로 분리, DNA가 유전물질일 가능성을 시사함
1880 - 1890	발터 플레밍(Walther Flemming 1843~1905), 에드워드 스트라스버거(Edward Strasburg), 에듀어드 반 베네덴(Eouard van Beneden)은 세포분열을 관찰하여 염색체를 발견
1903	윌터 서튼(Walter Sutton, 1877~1916)과 테오도르 보페리(Theodor Boveri, 1862~1915) 멘델이 추정한 유전물질 이 염색체에 있다는 가설을 세웠지만 증명하지 못함
1905	윌리엄 베이트슨(William Bateson, 1861~1926) 유전학이라는 학문명을 최초로 언급, 1906년 학술대회에서 제안함
1908	고드프리 하디(Godfrey Harold Hardy, 1877~1947)와 빌헬름 바인베르크 (Wilhelm Weinberg, 1862~1937) 대를 거듭하더라도 유전자 풀에서 대립 유전자의 빈도가 변하지 않고 평형상태를 유지한다는 원리를 제안함
1909	요한센(Wilhelm Johannsen, 1857~1927) 유전인자에 유전자라는 이름을 처음으로 사용하였으며 콩의 변이 유전을 연구하여 순계설을 발표함
1910	토마스 헌트 모건(Thomas Hunt Morgan, 1866~1945) 초파리 실험을 통해 유전물질이 염색체에 있음을 밝히며 ‘Biotechnology’라는 용어를 처음 사용함
1913	알프레드 스터티번트(Alfred Sturtevant, 1891~1970) 최초의 유전자지도를 만듦
1918	로널드 피셔(Ronald Aylmer Fisher, 1890~1962) 멘델 유전법칙에서의 유전자 상관을 발표하여 유전학과 진화생물학을 결합시킨 집단유전학이 성립하였음
1928	프레더릭 그리피스(Frederick Griffith, 1879~1941) 폐렴쌍구균을 이용하여 형질전환실험을 통해 유전자의 존재를 확인함
1931	헤리어트 크레이턴(Heriott Creighton)과 바바라 맥클린토크(Barbara McClintock, 1902~1992) 의해서 유전자 재조합의 하나인 염색체 교체가 발견됨
1941	에드워드 로리 테이텀(Edward Lawrie Tatum, 1909~1975)과 조지 웰스 비들 (George Wells Beadle, 1903~1989) 단백질을 형성하는 유전자 코드를 발견함
1943	오즈월드 에이버리(Oswald Avery, 1877~1955) 시험관내에서 DNA를 따로 분리, DNA가 유전물질 이라는 사실을 직접 증명
1953	제임스 왓슨(J. D. Watson, 1928~)과 프랜시스 크릭(F. Crick, 1916~2004) DNA의 이중나선 구조 밝히면서 유전자의 개념 확립

DNA

DNA를 구성하는 기본단위 뉴클레오티드(nucleotide)는 5탄당(sugar, 자색), 인산기(Phosphate group, 노란색), 염기(Base, 녹색)로 구성

이 뉴클레오티드는 염기 부분만 서로 다른 4가지로 구분되는데, 각각의 염기구조에 따라 아데닌(A), 구아닌(G), 티민(T), 사이토신(C)이라 명칭하며, 이 A, G, T, C의 4가지 염기들의 서열이 DNA의 유전 정보가 되는 것이며, 이 정보에 따라 단백질이 합성됨

[염기 구성]

[DNA 구성단위인 뉴크레오타이드]

[4종류 뉴크레오타이드의 염기차이]

[DNA 이중나선의 생성원리]

[DNA의 복제]

사진출처: Resource Center in the National Health Museum
(Courtesy; National Human Genome Research Institute and Artist Darryl Leja)

4종류의 뉴클레오티드 분자가 임의적 배열로 연결된 DNA 사슬이 모여서 하나의 유전자를 구성하고 이들이 모두 모여 염색체를 구성
염색체에 존재하는 각 유전자에 배열되어 있는 뉴클레오티드 (A, G, T, C)의 3개 조합이 단백질의 구성원인 아미노산 1개를 만드는 암호이며, DNA 사슬의 염기구성과 순서에 따라 특정한 단백질을 만들게 됨
4가지의 염기는 A와 T가 서로 결합할 수 있으며, G와 C가 서로 결합 가능하며, 이러한 특성 때문에 DNA는 A와 T, G와 C가 서로 결합되면서 연결된 이중나선 구조를 가지게 됨
DNA 복제는 이중나선의 DNA가 풀어지면서 시작되는데, 풀어진 2개의 DNA 사슬을 주형으로 각각의 뉴클레오타이드가 자기와 상보성을 갖는 뉴클레오타이드(A-T, C-G)를 찾아서 결합함으로서 기존과 동일한 새로운 이중나선의 DNA 사슬을 복제함
※ 인간은 단 한 개의 세포인 수정란에서 무수히 분열해 약 60조개의 세포를 가진 생명체가 되는데, 수정란이 분열되면서 DNA도 동시에 복제되어
나눠지므로 모든 세포는 100% 똑같은 유전자를 갖게 됨

생명체가 정말 DNA에서 시작되었을까??

한동안 과학자들은 DNA에서 생명이 시작되었다고 생각했습니다. 하지만 DNA는 주위에 단백질이 있어야만 스스로 복제를 할 수 있으며, 마찬가지로 단백질도 DNA가 있어야만 만들어집니다. 그렇다면 첫 번째 DNA는 과연 어떻게 만들어졌을까? 이 의문은 생명이 DNA가 아닌 RNA에서 시작된다는 것을 깨닫기 전까지 과학자들의 수수께끼였습니다. RNA는 단백질이 없이도 스스로 복제가 가능합니다. RNA는 최초의 생화학적 물질이지만, 상당히 불안정한 물질입니다. 따라서 RNA에서 DNA가 만들어져야만 생명체가 안정적으로 유전 정보를 저장하고 활동할 수 있습니다.
(출처: DNA발견에서 유전자변형까지)

DNA와 유전자는 같은 것인가요?

염색체를 구성하는 DNA가 모두 유전자가 되지는 않습니다.
그 이유는 실질적으로 유전정보로 쓰이는 DNA는 사람의 경우 전체 DNA의 약 3%에 불과하기 때문입니다. 대다수의 DNA는 유전암호로 번역되지 않는 부분입니다. 따라서 DNA는 그 기능에 따라서 유전정보를 지닌 ‘유전자’, ‘유전자의 발현을 제어하는 부분’과 ‘아직까지 그 기능이 알려지지 않은 부분’으로 나뉩니다.

섭취된 DNA는 우리 몸속에서 어떻게 분해될까?

식품으로 섭취된 DNA는 소장을 지나면서 뉴클리아제 효소로 인해서 염기, 인, 오탄당이라는 세 가지로 분해되며, 이 세 가지는 적혈구로 온몸의 세포로 이동되고 세포로 이동된 핵산은 DNA, RNA의 재생에 도움을 줍니다.

우리는 얼마나 많은 DNA를 섭취하고 있을까요?

사람이 하루에 섭취해야하는 DNA의 양은 1.4g ~ 3g으로서, 한 끼 식사에 15만 km의 DNA를 먹고 있습니다.

단백질

생물의 몸을 구성하는 고분자 유기물질이며 생물체내의 구성 성분, 세포 안의 각종 화학반응의 촉매 역할(효소) 및 항체를 형성하여 면역을 담당하는 등 여러 가지 형태로 중요한 역할을 수행함 단백질은 20가지의 서로 다른 아미노산들이 연결된 폴리펩타이드가 기본단위이며, 한 개의 폴리펩타이드가 하나의 단백질로서 역할을 할 수 있으며, 둘 또는 그 이상의 폴리펩타이드 사슬들이 모여 4차 구조를 이루어 한 종의 단백질로 역할을 할 경우도 있다. 하나의 유전자는 하나의 폴리펩타이드를 만들어내며, 이들 폴리펩타이드가 단백질을 구성하여 생물체의 유전특성을 표현하게 된다.

아미노산

생물의 몸을 구성하는 단백질(폴리펩타이드 사슬)을 이루고 있는 기본 단위로 C, H, O, N으로 구성.
왼쪽부분의 아미노기(NH2)와 오른쪽 부분의 카복시기(COOH), 아래 곁사슬 R기, 중심의 탄소, 수소 원자(H)로 구성되어 있으며 R기에 의해 20여종의 아미노산이 구분.
아미노산의 서로 결합 하는 과정에서 한 아미노산의 아미노기와 다른 아미노산의 카복시기가 결합하게 되면서 물 분자가 빠지게 되며 이를 펩타이드 결합 (Peptide bond)라고 함

[아미노산의 구조]

[펩타이드 결합: 카복시기와 아미노기 결합]

동물과 식물의 필수 아미노산에는 차이가 있는데, 동물의 경우 아미노산을 합성할 수 없기 때문에 필수 아미노산과 비 필수 아미노산으로 구별한다. 하지만 식물과 미생물의 경우 자신이 필요한 아미노산을 모두 합성 할 수 있기 때문에 필수, 비필수 아미노산의 구별이 없다.
식물들은 식물의 각 부위에 있는 질소는 대부분 분자내에 존재하며 잎에서는 단백질의 절반 이상이 엽록체에 존재한다. 식물은 식물 내에서
자체적으로 합성하거나 외부 혹은 토양에서 질소를 흡수하여 단백질을 만들어낸다.

동물의 경우 필수와 비필수 아미노산이 구분이 된다.
필수 아미노산: 인체 내에서 합성이 안 되며 식사를 통해 섭취
비필수 아미노산: 체내에서 합성이 가능한 아미노산

구분	분류	약자	기호
필수 아미노산	Valine((발린)	Val	V
	Methionine(메티오신)	Met	M
	Tryptophan(트립토판)	Trp	W
	Threonine(트레오닌)	Thr	T
	Leucine(류신)	Leu	L
	Lysine(리신)	Lys	K
	Isoleucine(이소루신)	Ile	I
	Phenylalanine(페닐알라닌)	Phe	F
	히스티딘	His	H
	아르기닌	Arg	R
비필수 아미노산	Alanine(알라닌)	Ala	A
	Asparagine(아스파라긴)	Asn	N
	Asparic Acid(아스파르트산)	Asp	D
	Glycine(글리신)	Gly	G
	Glutamic Acid(글루탐산)	Glu	E
	Glutamine(글루타민)	Gln	Q
	Cystein(시스테인)	Cys	C
	Serine(세린)	Ser	S
	Tyrosine	Tyr	Y
	Proline(프롤린)	Pro	P

GMO/LMO/GEO

GMO(Genetically Modified Organism)

생명공학기술을 이용하여 특정 생물체로부터 유용한 유전자(DNA)를 취해 그 유전자를 갖고 있지 않은 생물체에 직접 도입하여 유전자를 특정한 목적에 맞도록 만든 생물체를 지칭한 일반 용어로서, 유전자재조합생물체 또는 유전자변형생물체로 불린다. 이러한 GMO는 생물체의 종류에 따라 GM작물, GM동물, GM미생물 등으로 분류한다.

[GMO의 종류 및 이용]