[생물 임용 노트]핵산 - 2) 핵산의 결합과 구조 : 핵산의 결합, 도식적 표시, 염기의 성질, 염기 간의 상호작용

핵산의 결합

DNA와 RNA의 연속된 뉴클레오타이드는 인산기 '다리(bridge)'에 의해 공유 결합으로 연결되어 있다.

첫 번째 뉴클레오타이드의 5'-인산기가 다음 뉴클레오타이드의 3'-하이드록시기에 연결되어 인산 다이에스터 결합(phosphodiester linkage)을 형성한다.

• 인산기와 오탄당 잔기가 번갈아 공유결합되어 있다. 이들은 pH7.0에서 완전히 이온화하여 음전하를 띠고 있으나 금속이온이나 단백질(예> 히스톤)들에 의해 중화된다.
• 질소 염기는 골격에 일정한 간격으로 결합된 곁사슬의 형태로 존재한다.

각 핵산 가닥에 극성을 부여하여 5'-end와 3'-end를 구별한다.

• 5'-end : 5' 위치에 뉴클레오타이드가 없는 부위
• 3'-end : 3' 위치에 뉴클레오타이드가 없는 부위

NTP(ATP, CTP, GTP, TTP)와 dNTP(dATP, dCTP, dGTP, dTTP)가 각각 RNA와 DNA를 중합하는데 이용되며 신장하는 사슬에 하나씩 부가될 때마다 PPi(이인산기)가 하나씩 유리되고 이것이 2개의 Pi(인산기)로 가수분해시 나오는 에너지를 중합에 이용한다. 

핵산의 결합 구조

도식적 표시 방법

인산기는 ⓟ로 표기하며, 디옥시라이보스는 수직의 선으로, C-1' 선은 상단에 염기와 함께 적어둔다.

C-5' 선은 왼쪽에 인산과 함께 표기한다. 

핵산 결합의 도식적 표기 방법

위를 텍스트의 형태로는 다음과 같이 표기 가능하다.

• pA-T-G-C_OH
• pApTpGpC
• pATGC

염기의 성질

염기는 원자 사이의 공명(resonance)에 의해 대부분의 결합이 이중결합과 같은 성질을 띠고 있다. 이는 핵산의 구조, 전자의 분포, 광흡수성 등에 영향을 미친다.

염기의 호변 이성화

pH 7.0에서 단일 결합과 이중 결합이 빠르게 변화하여 구조가 변화는 호변이성화가 일어난다.

이러한 성질로 DNA는 260nm 부근의 빛을 강하게 흡수한다.

DNA 내 염기의 호변 이성화

염기의 소수성

중성 pH에서 불용성을 나타낸다. 산성과 염기성 pH에서는 염기가 전하를 띠게 되어 물에 대한 용해도가 증가하기는 한다.

염기 사이에서는 소수성치쌓기 상호작용(hydrophobic stacking interaction)이 일어나는데 여기에는 소수성 상호작용과 반데르발스 상호작용이 있다. → 물과의 접촉을 최소화하고 3차 구조를 안정화시킨다.

 

염기 간의 상호작용

피리미딘과 퓨린 사이의 카보닐기, 아미노기 간의 수소결합이 일어난다. 이 과정에서 A와 T, G와 C 사이에 상보적 결합을 형성한다. 이중가닥으로 구성된 DNA, 접힌 RNA는 거의 모두 이러한 염기쌍으로 구성된다.

아데닌과 타이민 사이의 수소 결합 상호작용

구아닌과 사이토신 사이의 수소 결합 상호작용

핵산의 구조

1차 구조 : 공유 결합으로 형성된 구조와 뉴클레오타이드 서열

2차 구조 : 핵산 일부 또는 뉴클레오타이드 전체에 의해 형성되는 규칙적이고 안정된 구조

3차 구조 : 염색질 또는 핵양체에 염색체가 복잡하게 접혀 있는 구조