DNA
Ernst Schule Internationale
학 년 10
이 름 이가현
2015.03.18
DNA
지도교사 유 경 선
2016년 3월 18일
Ernst Schule Internationale
10 학 년 이 가 현
목차
Ⅰ. 서론...........................................................................................................1
Ⅱ. DNA의 발견..............................................................................................2
Ⅲ. 그리피스의 실험과 에이버리의 실험.....................................................3
: 유전물질인 DNA
1. 그리피스의 실험............................................................................................................3
2. 에이버리의 실험............................................................................................................4
Ⅳ. DNA ..........................................................................................................5
1. 라이너스 폴링.................................................................................................................5
2. 로잘린드 플랭클린..........................................................................................................5
3. 왓슨과 크릭.....................................................................................................................6
Ⅶ. 이중나선 구조...........................................................................................7
1. 염기..................................................................................................................................7
2. 뉴클레오타이드 .............................................................................................................8
Ⅴ. 결론............................................................................................................9
Ⅰ. 서론
1. 연구목적
오늘날 우리는 유전물질이라고 하면 당연하게 DNA를 떠올린다. 하지만 1900년대 중반 정도만 해도 그 당시에는 유전물질이 단백질이라고 믿고 있었다. 그리하여 DNA에 대해서는 거의 알려진 바가 없었으며, 1968이 돼서야 DNA의 존재를 확인할 수 있었다. 또한 DNA의 존재를 확인했음에도 DNA가 유전물질이라고는 전혀 생각하지 못하였다. 그렇지만 그리피스와 에이버리의 시럼을 통하여 DNA가 유전물질임을 증명하게 되었다. 이렇게 DNA의 발견까지에는 많은 과학자들의 실험과 그들의 공로가 숨어있다. 그럼에도 불구하고 많은 사람들은 DNA의 발견까지의 과정과 그들의 노력을 잘 알지 못한다. 그리하여 본 에세이에서는 DNA의 발견을 토대로 그 후에 DNA의 구조를 밝혀내기까지에 내용을 작성할 것이다.
2. 연구의 방법과 범위
DNA에 대해서 밝혀내기까지에는 DNA의 발견, 유전물질임을 증명하는 것, DNA의 구조 등 여러 가지의 과정을 거쳐서 밝혀져 왔다. 처음으로 DNA의 존재를 확인하게 된 프리드리히 미셔, 그리피스와 에이버리의 실험을 통하여 DNA가 유전물질을 밝히는 것, 여러 과학자들의 공로로 인하여 발견된 DNA의 이중나선형구조등 이러한 모든 것들이 DNA를 알아가는 과정이다. 그리하여 본 ESSAY에서는 서론과 결론을 제외한 나머지 3장에서 1장은 DNA의 발견, 2장은 DNA가 유전물질임을 밝히게 해준 그리피스의 실험과 에이버리의 실험, 제 3장은 DNA의 이중나선구조를 다룰 것이다. 그리고 본 Essay에서는 DNA에 관련된 각종 서적을 참고하였으며 최신의 정보를 활용하기 위해 다양한 관련 인터넷 자료를 활용하였다.
Ⅱ. DNA의 발견
DNA은 1968년 프리드리히 미셔 로부터 발견되었다. 당시 프리드리히 미셔는 백혈구의 세포연구를 하던 중에 환자의 다리에 있던 고름에서 백혈구의 핵을 추출하여 분석하였다. 백혈구에는 적혈구와는 다르게 염색체가 존재한다. 그리하여 미셔는 백혈구의 핵을 분석할 때 단백질과 질소와 인이 풍부한 물질을 발견할 수 있었던 것이다. 이에 미셔는 핵 속에 이러한 물질을 뉴클레인이라고 불렀다. 그리고는 미셔는 백혈구뿐만 아니라 효모세포, 신장 및 기타 조직도 확인해 보았고, 이것들의 핵 속에도 뉴클레인이 존재한다는 것을 알게 되었다. 그 후 계속된 연구로 인해 뉴클레인이 산성을 띠고 있다는 것을 발견한 후 뉴클레인을 핵산(nucleic acid)라고 불렀다. 하지만 이러한 발견은 당시의 연구에 많은 영향을 끼치지 못하였다. 왜냐하면 그 당시에는 단백질이 유전물질이라고 굳게 믿고 있었기에, 핵산의 일종인 DNA가 유전물질이라고 생각하지 못하였다. 당시 단백질이 유전물질이라고 생각된 이유를 몇 가지 살펴보겠다. 일단 DNA의 구조를 살펴보면 20종의 아미노산을 결합해 만드는 단백질에 비해 훨씬 단순한 구아닌 시토신 티민 아데닌으로 이루어진 구조이다. 또한 DNA는 단백질과는 다르게 더욱 안정적인 구조를 지니고 있었다. 이러한 여러 가지 이유로 당시 과학자들은 단순하고 안정적인 DNA보다 복잡하게 이루어진 단백질이 유전물질일 것이라고 생각한 것이다.
Ⅲ. 그리피스의 실험과 에이버리의 실험
: 유전물질인 DNA
1. 그리피스의 실험
이 실험으로써 우리는 DNA가 유전물질이라고 생각하게 된 계기를 가질 수 있었다. 당시는 폐렴으로 죽는 사람들이 많았다. 그리하여 그리피스는 폐렴백신을 계발하기 위해 폐렴의 원인이 되는 것 중 하나인 폐렴구균으로 실험을 하고 있었다. 이 폐렴구균은 S형과 R형으로 나뉘는데, 같은 폐렴구균이더라도 성질이 매우 달랐다. 만약 S형인 폐렴구균의 감염되면 치명적인 폐렴에 걸리지만, R형인 폐렴구균에는 감염이 되어도 매우 약하기 때문에 폐렴에 걸리지 않았다. 그리피스는 쥐에게 R형과 S형을 투입하여 경과를 살펴보았다. 그 결과는 예측하는 바와 같이 S형을 투입한 쥐는 죽었고, R형을 투입한 쥐는 멀쩡히 살아 있었다. 이렇게 미생물로 인한 질병이 감염이 되는 이유가 두 가지로 나뉘는 데 첫 번째는 미생물이 만들어낸 독소로부터 감염이 되기도 하고, 또 다른 하나는 미생물 그 자체가 원인이 되기도 한다. 그리하여 미생물의 그리피스는 감염요소를 알아보기 위해서 실험을 하였다. 그 결과 S형 폐렴구균은 미생물 그 자체가 원인이 되는 것 이였다. 그러기에 열처리를 통하여 살아있는 S형 폐렴구균을 죽인 후 쥐에게 투입했을 때는 그 쥐는 폐렴에 걸리지 않았다. 이 후 그리피스는 또 다른 한가지의 실험을 한다. 그 것은 열처리를 한 S형 폐렴구균을 R형 폐렴구균에 투입한 후 이 폐렴구균을 쥐에 투입해 보았다. 그리피스는 이 실험에서는 살아있는 S형 폐렴구균이 없고, R형은 감염이 되지 않기 때문에 당연히 쥐가 죽지 않을 것이라고 생각하였지만 예상과는 다르게 쥐는 죽어버리고 말았다. 이런 결과가 나온 것은 즉 죽은 S형 폐렴구균에 있던 독성이 R형의 폐렴구균에 정보를 전달해 이러한 상황이 만들어 진 것이라고 볼 수밖에 없었다. 그리피스는 이러한 결과를 형질전환이라고 불렀다. 하지만 어떠한 물질(과정)로 형질전환이 일어나는지는 밝혀내지 못하였다.
2. 에이버리의 실험
에이버리는 그리피스의 실험에 관심을 가지고 있는 한 세균학자이다. 그리하여 그는 어떠한 물질로써 R형 폐렴구균에서 S형 폐렴구균으로 형질전환이 일어나는 지 알아내기 위해서 실험을 시작하였다. 그에 실험방법은 이러하였다. 폐렴구균에 들어있는 성분을 하나하나 분리하여 R형인 폐렴구균에 투입해 봄으로써 실험을 하였다. 그는 처음에 실험을 시작하였을 때 단백질이 유전물질이라고 생각하였기에, 열처리한 S형 균에서 DNA를 제거한 후 R형 균에게 투입하였다. 하지만 그 결과는 당연하게도 아무 변화가 일어나지 않았다. 계속하여 실패로 돌아가는 실험으로써 에이버리는 유전물질이 DNA가 아닐까라는 의심을 품게 된다. 그리하여 그는 열처리한 S형 폐렴구균에서 단백질을 제거하여 R형 폐렴구균에 투입해 보았다. 그 결과 R형 균에서 S형 균으로 형질전환이 일어났다. 그리하여 에이버리는 유전물질이 단백질이 아니라 DNA라는 사실을 입증할 수 있었고 DNA가 유전물질이라고 확신할 수 있었다. 하지만 이러한 증명에도 1940년대에는 단백질이 유전물질이라는 설이 우세하였기에 DNA가 유전물질이 아니라고 주장하는 과학자들이 많았다.
Ⅳ. DNA
당시 DNA가 유전물질임이 거의 확실하게 밝혀지게 되자(DNA가 유전물진임을 증명했음에도 불구하고 단백질이 유전물질이라고 주장하는 과학자들도 있었다)과학자들은 DNA가 어떠한 구조를 가졌기에 유전정보를 전달할 수 있는지에 대한 실험도 시작하게 되었다. 이 과정에서 DNA의 구조를 밝혀내기에 가장 큰 역할을 한 3그룹에 과학자들이 있다. 첫 번째는 라이너스 폴링이다. 두 번째는 프랭클린, 세 번째는 우리가 흔히 DNA의 이중나선 구조를 밝혀냈다고 생각하는 왓슨과 크릭이다.
1. 라이너스 폴링
라이너스 폴링은 폴리 펩타이드 사슬이 꼬여서 단백질의 모양을 이룰 때의 정확한 배치를 밝혀냈으며, 그 구조를 나선이라고 불렀다. 이 나선이라는 구조는 후에 왓슨과 크릭이 DNA의 구조를 밝혀내는데 단서를 준 것 중 하나이다. 또한 라이너스 폴링 DNA의 구조를 삼중나선구조라고 주장했다. 하지만 그는 당시에 DNA의 구조를 밝혀내는 단서인 X선 회절 사진을 보지 못하였다. 그리하여 그는 DNA의 구조를 밝히는 것은 실패로 돌아가고 말았다. 이는 산성을 띄지 않았으며 염기가 어떻게 정보를 갖는지 알 수 가 없었다. 하지만 폴링은 DNA가 나선형 구조를 가졌으며, 수소결합을 통해 결합된다는 등 여러 가지로써 DNA의 구조에 대해서 가까이 다가갔던 당시의 위대한 과학자 중 하나이다.
2. 로잘린드 프랭클린
흔히 DNA의 구조를 밝힌 공로로 노벨상을 탄 사람은 왓슨과 크릭, 윌킨스가 있지만, 윌킨스 보다 더욱 DNA의 구조를 밝히는데 도움을 준 사람은 여성 과학자인 로잘린드 프랭클린이다. 하지만 플랭클린은 젊은 나이에 생을 마감하는 바람에 노벨상을 수여받지 못하였다. 프랭클린은 DNA의 X선 회절 사진을 찍는데 있어서 높은 실력을 가지고 있었다. X선 회절 사진은 물체를 투과하는 기능이 있는 X선을 이용해서 원자의 배열상태를 X-ray 필름에 찍어내는 기술이다. 프랭클린이 찍은 DNA의 X선 회절 사진은 왓슨과 크릭이 DNA가 이중나선구조라는 것에 대해서 확신을 가지게 해주었다.
3. 왓슨과 크릭
왓슨과 크릭은 앞에서 말했던 여러 과학자들의 주장을 합하고 자신들의 실험을 통하여 DNA의 이중나선 구조를 밝혀냈다.
http://navercast.naver.com/contents.nhn?rid=75&contents_id=365
그들은 DNA의 구조를 밝혀내기 위하여 라이너스 폴링의 알파 나선구조를 바탕으로 모형을 세웠고, 로잘린드 프랭클린의 X선 회절 사진과 비교하며 나선구조를 점점 연구해 나갔다. 또한 그들은 DNA의 화학적인 안정성이 어떻게 유지되는가에 대해서도 연구가 필요했다. 그들에게 가장 많은 단서를 준 사람들은 수학자인 존 그리피스와 샤가프이다. 처음에 크릭은 DNA 분자 내에서 같은 염기끼리 서로 쌍을 지어서 결합을 한다고 생각하였다. 그리하여 수학자인 존 그리피스에게 이것이 이론적으로 가능한지에 대해서 계산을 부탁하였다. 그 결과는 DNA의 분자 내에서는 같은 염기보다는 다른 종류의 염기들이 수소결합을 통해서 결합되어 있을 것 같다는 것 이였다. 이러한 배경을 바탕으로 이에 대해서 더욱 확신을 같게 해준 다른 하나의 법칙은 샤가프의 법칙 이였다. 샤가프의 법칙은 DNA내의 퓨린과 피리미딘은(DNA의 염기) 1:1의 일정한 비율을 가지고 있다는 법칙이다. 퓨린은 아데닌과 구아닌 피리미딘은 티민과 사이토신을 포함한다. 그러므로 즉 아데닌과 티민, 구아닌과 사이토신은 같은 양을 가지고 있다는 것이다. 이러한 결과들로 인하여 왓슨과 크릭은 DNA의 분자 내에서 다른 종류의 염기들이 서로 수소결합을 통하여 결합이 되어 있다는 것을 알아낼 수 있었다.
이렇게 이중나선구조와 염기들의 수소결합을 통한 결합을 알아냄으로써 계속해서 DNA의 구조를 연구한 결과 DNA의 이중나선구조를 밝혀내게 되고, 1953년 DNA 이중나선구조의 관한 논문을 네이처에 실었다 그리고 또한 1962년이 논문으로 노벨상을 수여받고 그들의 공로를 인정받게 되었다.
Ⅶ. 이중나선구조
이중나선구조는 앞서 말 했듯이 왓슨과 크릭이 발견해 낸 DNA의 구조이다.
DNA는 Nucleotide라고 부르는 것으로 이루어져 있다. DNA의 Nucleotide는 오탄당(Dioxyribose)과 인산, 염기로 형성되어 있는 DNA를 이루고 있는 최소의 단위이다. 이러한 Nucleotide에 있는 각각의 염기는 (아데닌=티민, 시토신≡구아닌) 서로 상보적으로 수소결합을 한다. 즉 Nucleotide와 다른 하나의 Nucleotide가 결합을 하게 되면 DNA의 단일가닥을 이루는 것이다.
1. 염기
DNA상에서의 염기는 퓨린인 아데닌과 구아닌 피리미딘인 시토신, 티민, 우라실이 존재한다. 하지만 우라실은 RNA에서만 있는 염기이다. 퓨린계는 2개의 고리 구조로 이루어져 있다. 반면 피리미딘계는 1개의 고리 구조로 되어있다. 이러한 각각의 피리미딘 염기와 퓨린염기는 DNA상에서1:1의 비율로 결합을 한다. 하지만 피리미딘계 중 티민은 퓨린계인 아데닌과만 결합을 하고, 피리미딘계 중 시토신은 퓨린계인 구아닌과만 결합을 한다.
퓨린염기인 아데닌과 피리미딘염기인 티민의 결합(수소결합 2개)
퓨린염기인 구아닌과 피리미딘염기인 시토신의 결합(수소결합 3개) http://www.scinco.com/kor/letter/news_120131/sub03_1.html
DNA를 이루고 있는 최소단위인 Nucleotide 에서의 각각의 염기들은 상보적으로 결합을 하여
안정적인 이중나선구조를 유지한다.
2. Nucleotide
Nucleotide는 위에서 언급했듯이, 오탄당(디옥시리오보스), 인산, 염기로 이루어져 있다. 처음으로, 이들이 어떠한 방식으로 한 가닥의 Nucleotide를 이루는지 알아보도록 하겠다.
예를 들면 퓨린염기인 아데닌과 오탄당과 인산이 결합한 경우 https://en.wikipedia.org/wiki/Nucleotide
가 있다. 차례로 살펴보면, 왼쪽에 있는 것은 인산이다. 인산은 오른쪽에 있는 오탄당(Deoxyribose)의 5번 탄소와 결합을 한다. 또한 오탄당(Deoxyribose)의 1번 탄소는 오른쪽에 있는 염기와 결합을 한다. 그리하여 한 개의 Nucleotide가 만들어 진다. 이를 보면 인산은 왼쪽에 존재하고, 염기는 오른쪽에 존재한다. 오른쪽에 존재하는 염기는 또 다른 한 가닥의 Nucleotide와 결합을 한다. 그러므로 DNA의 겉 부분은 인산으로 이루어져 있다. 또한 인산은 그 위에 있는 다른 Nucleotide의 오탄당에 있는 3번 탄소와 결합을 한다. 이런 식으로 한 개의 Nucleotide는 위로는 다른 Nucleotide의 오탄당과, 아래로는 다른 Nucleotide의 인산과, 옆으로는 다른 Nucleotide의 염기와 결합을 하며 이중나선 구조를 이루는 것이다,
Ⅴ. 결론
DNA는 유전학에 있어서 정말 중요한 것 중 하나이다. 이러한 DNA의 발견으로 인하여 분자생물학이라는 학문이 더욱 들어서기 시작했으며, 생명에 대해서 더욱 다가갈 수 있는 계기로 발전되어왔다. 이러한 DNA를 이해하기 위해서는 화학구조와 X선 회절사진 등 여러 가지 부수적인 공부가 더욱 필요하였다. 하지만 본 에세이에서는 기본적인 DNA의 발견, 구조 등 DNA의 큰 전체적인 틀만을 살펴보았다. 또한 여러 서적들을 참고했을 때 완벽하게 정의되지 않은 것들이 있었기에 자료를 조사하는데 있어 어려움을 겪었던 것 같다. 그리하여 다음번에 이어질 에세이에서는 이러한 DNA의 전체적인 틀이 아닌 구체적인 조사를 통하여 DNA에 대해서 더욱 자세히 알아보도록 하겠다.