헥산의 구조와 기능, 지질의 기능
6.5 핵산
6.5.1 핵산의 구조
핵산(nucleic acid) 중합체 사슬은 뉴클레오티드(nucleotide)의 축합으로 이루어진 다. 뉴클레오티드는 다시 더 작은 3개의 부분으로 되어 있는데 이들은 퓨린(pu rine) 또는 피리미딘(pyrimidine) 염기(base), 당 그리고 인산기이다. 1차 사슬은 당 -인산 - 당 단위들의 반복이며 당에서 측면으로 염기들이 연결되어 있는데 마치 단 백질에서 아미노산의 측쇄 작용기들과 유사하다. 핵산에서 발견되는 주된 염기들은 2개의 퓨린(아데닌, 구아닌)과 3개의 피리미딘(티민, 시토신, 우라실)인데 소수의 다른 염기들이 매우 낮은 비율로 존재하기도 하며 당분자들은 2종류(리보스, 디옥 시리보스)만이 존재한다.
이들 구성 요소들의 구조와 그것들이 중합체 사슬을 형성 하기 위한 결합은 그림 6.11에 나타나 있다. 당과 인산기 사이의 phosphodiester bond는 중합체가 다양한 구조를 취하도록 하는데 그것들은 종종 극도로 나선형의 구조를 하고 있다. 염기들은 여러 가지 종류의 핵산의 구조를 안정화시키는데 중요하게 기여한다. 염기들은 고리 구조의 성질 때문에 납작하며 병렬로 쌓아놓으면 소 수성 작용을 하게 된다. 또한 인접한 염기들은 서로 수소 결합을 형성하게 되어 이것이 분자의 형태를 안정화하는데 역시 중요하다.
이들 관찰은 1950년대에 Watson과 Crick으로 하여금 인접 염기들간에 수소 결합으로 안정된 DNA의 이중 가닥 구조를 제안하게끔 만들었다. 가장 안정된 형태는 A와 T 간의 2개의 수소 결합과 G와 C 간의 3개의 수소 결합이며 이럴 경우 DNA로 존재할 수 있게 된다. 아마 DNA 구조와 유사한 형태는 계단으로 당-인산 중추(backbone)가 양측의 난간을 나타내고 수소 결합된 각 염기쌍은 계단의 발판과도 같다. 두 가닥은 서로 감아 돌기 때문에 마치 회전계 단을 닮았다. 완전한 A-T와 G-C 염기쌍의 측면 차원이 동일하기 때문에 그 구조는 규칙적이다. 그러나 그런 구조가 가능하려면 이중 나선(double helix)을 형성하는 두 가닥은 그림 6.12에 보이는 것처럼 서로 반대 방향을 향해야만 한다. DNA 이중 나선의 모형이 그림 6.13에 나타나 있다.
비록 일부 바이러스에서 단일 가닥의 DNA가 발견되지만 이중 나선이 DNA의 정상적 구조이다. 이중 나선이 오로지 수소 결합에 의해 유지되지만 전형적인 DNA 분자가 107 이상의 염기쌍을 갖기 때문에 수소 결합의 수는 실제로 매우 많이 존재 하게 된다. DNA의 또 다른 중요한 성질로는 한 가닥의 서열이 정해지면 또 다른 가닥의 서열이 그에 따라 고정된다는 것이다. 이 두 가닥은 상보적(complementary)인 성질을 갖게 되는데 이것은 DNA 분자가 특정한 작용을 하게 만드는 중요한 특성이 된다. 구조와 유사한 수소 결합된 마치 회전계 때문에 그 구 helix)을 형성 한 한다.
(b) 리보핵산(ribonucleic acid, RNA) RNA 분자들은 디옥시 리보스 대신 리보스(ribose)만을 갖고 있다. 그러나 이것은 규칙적인 이중 나선을 형성하지 않으며 결과적으로 RNA는 보통 단일 가닥이지만 몇 가지 예외는 존재한다. 그러나 이 중합체의 유연성은 그 자체가 접히게 하며 상 보적 서열이 존재한다면 상당한 염기쌍이 형성되기도 한다. RNA는 다양한 모양을 할 수 있으며 그런 예들이 그림 6.14에 나와 있다.
6.5.2. 핵산의 기능
핵산의 유일한 주된 기능은 유전 정보를 저장하고 유지하며 전달하는 것이다. 생물체의 유전적 특성을 결정짓는 것이 바로 이 정보이다. DNA는 일반적으로 이 정 보를 저장하며 그것을 세포 분열 시에 다음 세대로 전달하는 물질이다. DNA는 보통 진핵 생물체에서는 핵(nucleus) 안에서 염색체(chromosome)의 중요한 구성 요소로서 발견된다. 원핵 생물체에서 그것은 하나의 원형 염색체를 형성한다. 세포에서 정보를 핵으로부터 그것이 발현될 곳으로 전달하는데 여러 가지의 RNA가 관여한다.
이들 작용을 충족시키기 위해서는 유전물질은 그 자체가 정확히 복제될 수 있어야하며, 유전되는 특성의 변화(돌연변이, mutation)가 낮은 빈도로 일어날 정도로 안정되어야 하며, 그 생물체의 특성을 결정하는 잠재력을 가져야 하고, 이 정보를 전달할 수 있어야 한다. 보다 정확하게 말하면 DNA는 아미노산의 수와 그것들의 서열을 포함하여 단백 질의 합성에 필요한 모든 정보를 갖고 있다. 세포의 특성이 결정되는 것은 효소와 단백질의 활성을 통해서이다. DNA는 단순히 합성되는 단백질의 정보를 갖고 있는 이상으로 훨씬 특이한 기능을 보유하고 있으며 세포가 만드는 모든 단백질에 내재해있는 모든 정보가 세포의 DNA 안에 들어가 있다. 이 정보는 염기의 서열(base sequence)로 암호화되어 있어서 4가지 주된 염기들의 조합이 20 가지 다른 아미노 산들의 조합의 정보를 내포하고 있다. DNA의 정보로부터 단백질이 합성되는 기작 은 다음 장에서 다루기로 하겠다.
6.6 지질
6. 6.1 지질의 구조
지질(lipids)은 상당한 정도의 소수성을 가진 종류의 분자들이다. 이 성질은 많은 경우에 긴 사슬의 지방족 분자들(aliphatic molecules, alkanoic acids)에 의한 것이 다. 이 사슬의 길이는 전형적으로 12에서 24 개 사이의 탄소 원자로 이루어져 있 다. 2 또는 3개의 지방족 화합물의 카르복실기 말단이 글리세롤(glycerol)과 같은 연결 분자에 의해 결합이 될 수도 있다. 지방산(fatty acids) 사슬에 1 또는 2 개의 이중 결합(double bond)이 있을 수 있는데 이것은 직선 구조를 굽어지게 만든다. 여러 가지 다른 긴 사슬 분자가 또한 발견되지만 이것들은 외형적으로 지방산과 유 사하며 여기서는 구체적으로 다루지 않겠다.
지질의 일반적 구조는 그림 6.15에 나 와 있다. 만일 글리세롤의 수산화기 (hydroxyl group) 3 개 모두가 지방산에 연결되 면 그 분자는 단순 지방(simple fat)이 된다. 만일 2개만이 이런 방식으로 연결돼 면 3번째 수산화기는 인산기와 결합하여 phosphatidic acids라는 화합물 종류를 형 성하게 될 수 있다. 지질에는 여러 가지 다른 구조들도 존재하는데 콜레스테롤(cholesterol) 같은 지방 족 치환물을 가진 불포화 다핵 구조(unsaturated multiple ring structures)를 포함 한 많은 다양한 분자들이 있다.
많은 것들은 구조가 직선형인데 부분적으로 또는 전체적으로 소수성을 나타내며, 일부는 이중 결합 때문에 가지를 친 것도 있으며, 어떤 종류는 거의 구형에 가까운 것도 있다.
6.6.2 지질의 기능
지방은 전형적인 영양물질 저장 분자이다. 이들은 물에서 낮은 용해도를 갖기 때 문에 세포내에서 입자 상태로 축적될 수 있으며 또 쉽게 이동될 수 있다. 지질의 또 다른 중요한 역할은 생체막의 구성 요소인데 생체막은 보통 약 50%의 지질과 50%의 단백질을 함유하고 있다. Phosphatidic acid의 유도체들은 이들 구조의 중요 구성 성분이다.
이를 설명해 줄 수 있는 가장 그럴듯한 구조는 소수성 지방산 잔기가 바깥쪽을 향하고 전자 밀 도가 높은 단백질이 안과 바깥 표면을 덮고 있는 지질 이중막이다. 특정 물질에 대한 막의 선택적 투과성(selective permeability)과 능동수송(active transport) 기작을 포함한 여러 가지 막의 성질을 고려하면 막이 막공(pore) 또는 친수성 통로(hydrophilic channel), 부착 효소(bound enzyme)나 보조인자(cofactor), 그리고 내외 표면을 연결하는 다른 체제를 갖고 있다는 것을 또한 제시하고 있다. 비록 막의 구조에 대해서 많은 것이 밝혀져 있지 않지만 그림 2.2의 모델이 가장 그럴듯한 것으로 생각되고 있다.
생체막은 지질의 바다에 떠있는 단백질로 간주되고, 있으며 그것들의 상대적 부력은 친수성 정도에 달려 있다. 특정 조건에서 일부 단백질 들은 지질 이중막 내에서 옆으로 이동할 수 있으며 반면에 다른 종류들은 서로 상대적으로 고정되어 있다. 따라서 막은 어느 정도의 유동성 (fluidity)을 지니고 있다. 이 모델은 또한 특정한 분자들이 통과할 수 있는 막공이나 친수성 또는 소수 성 통로를 포함하고 있다. 또한 일부 효소들이 막을 통과하는 물질의 이동에 영향을 미친다는 것도 생각할 수 있는데 이런 효소들을 투과 효소(permease)라 한다.