뉴클레오타이드와 중합효소

뉴클레오타이드(Nucleotide)는 DNA나 RNA 같은 핵산을 구성하는 가장 기본적인 빌딩 블록(기본 단위)이다.

DNA를 아주 길고 복잡한 기차에 비유한다면, 뉴클레오타이드는 그 기차를 이루는 한 칸 한 칸의 기차 객차와 같다.

 

 

모든 뉴클레오타이드는 언제나 세 가지의 작은 화학적 성분이 1:1:1의 비율로 정밀하게 결합하여 형성된다.

 

Phosphate Group (인산염) : 바깥쪽 뼈대, 음전하를 띠고 있어서 DNA가 산성을 띠게 만드는 원인

 

Pentose Sugar (5탄당) : 인산과 염기를 연결하는 중심부, 탄소 5개로 이루어진 당(5탄당)이며, DNA에서는 디옥시리보스, RNA에서는 리보스라는 종류가 쓰인다.

 

Nitrogenous Base (질소 염기) : '유전 정보'를 담고 있는 부분, 종류가 다양

 

 

인산과 당은 모든 뉴클레오타이드에서 똑같은 형태로 존재하며 구조적 지지대 역할을 한다.

각 뉴클레오타이드의 개성을 결정하는 것은 바로 염기이다.

 

DNA에는 네 가지 종류의 염기가 있으며, 이들이 바로 유전 정보의 '글자'이다

: Adenine (아데닌) Thymine (티민) Guanine (구아닌) Cytosine (사이토신)

 

뉴클레오타이드는 수백만 개의 뉴클레오타이드가 특정 순서(예: A-T-G-C-C-G...)로 길게 연결되어 유전 암호를 만든다. 이 순서가 바로 우리 몸의 모든 단백질을 만드는 설계도가 된다. PCR 실험을 할 때 튜브 안에 결합하지 않은 상태의 자유로운 뉴클레오타이드 혼합물(이를 dNTP라고 부릅니다)을 넣어주는데, DNA 중합효소가 이 원료 뉴클레오타이드들을 하나씩 잡아서 순서대로 이어 붙임으로써 새로운 표적 DNA 복사본을 만들어내게 된다.

 

---

 

DNA polymerase (DNA 중합효소)는 DNA 중합효소는 생명체 내에서 작동하는 거대한 단백질이다.

 

수많은 아미노산들이 사슬처럼 길게 연결된 후, 입체적으로 정밀하게 접혀서 만들어진 복잡한 분자 구조물로서, 세포 내부와 PCR 반응 안에서 일어나는 모든 복제 작업을 전담하는 일종의 '분자 복사기'이자 '건설 로봇' 역할을 하는 특수한 단백질 효소이다.

 

지구상의 모든 세포 생명체는 살아남기 위해 이 효소를 반드시 몸속에 가지고 있어야 한다. 우리 몸이 자라거나, 상처를 치유하거나, 새로운 혈액 세포를 만들 때처럼 새로운 세포를 형성해야 할 때마다 기존의 DNA를 똑같이 복사해서 새 세포에 전해주어야 하므로, 모든 세포 생명체는 이 DNA 중합효소를 자연적으로 끊임없이 만들어내고 사용한다.

 

DNA 중합효소는 아무것도 없는 맨 단일 가닥 상태에서는 스스로 조립을 시작하지 못한다. 특정 시작 지점을 찾아야만 한다.

그래서 프라이머가 필요하다. 프라이머가 단일 가닥 DNA에 붙으면 그 부위만 일시적으로 이중 가닥이 되며 끝부분(3' 말단)이 노출된다. DNA 중합효소는 이 '이중 가닥 손잡이'를 시작선으로 즉각 인식하여 그 자리에 착륙한 뒤 달릴 준비를 합니다.

 

DNA에는 일방통행 도로처럼 화학적으로 엄격한 '방향성'이 존재하는데, DNA 가닥의 한쪽 끝을 5' 말단, 반대쪽 끝을 3' 말단이라고 부른다. 5' 말단에는 인산기가 붙어 있고, 3' 말단에는 당에 붙은 자유로운 수산기(-OH)가 있다. 5' 말단에서는 새로운 뉴클레오타이드를 받아들이는 것이 불가능하다. 5' 말단은 인산 '모자'가 덮고 있습니다. 이 인산기는 새로 들어오는 뉴클레오타이드와 결합을 형성할 수 없다. 반면,  3'말단의 수신기가 화학적으로 비어 있는 '고리'나 '연결 플러그' 같은 역할을 한다. DNA 중합효소는 구조상 반드시 기존에 열려 있는 3'(-OH) 고리가 존재해야만 그 뒤에 새 뉴클레오타이드를 연결할 수 있다.

 

따라서 DNA는 오직 5'에서 3' 방향으로만 늘어날 수 있다. 이는 지구상의 모든 생명체뿐만 아니라 PCR 실험에서도 적용되는 분자생물학의 절대적인 철이다.

 

 

 

 

 

 

중합효소는 원래의 DNA 가닥을 따라 앞으로 전진하는데, 이 효소의 실제 입체 구조는 DNA 가닥을 부드럽게 감싸 쥘 수 있도록 반쯤 쥐고 있는 오른손 모양(손바닥, 손가락, 엄지 구조)을 닮았다.

 

 

 

주변 액체 속에는 인공적으로 넣어준 수많은 자유 뉴클레오타이드가 있으므로, 중합효소가 이동하면서 이 원료들이 효소의 활성 부위(손바닥 안쪽 공간)에 끊임없이 부딪히며 들어온다.

 

원래 가닥의 염기가 A라면, 중합효소는 공간에 T 뉴클레오타이드가 무작위로 부딪혀 들어올 때까지 기다린다. 만약 엉뚱한 글자(예: G)가 들어오면 화학 결합이 제대로 맞물리지 않기 때문에, 중합효소는 밖으로 밀어내 버린다.

 

정확한 짝이 들어맞는 순간, 중합효소는 화학 반응을 가동한다. 들어온 뉴클레오타이드에서 인산 두 개를 잘라내며 강한 에너지를 발생시키고, 그 에너지를 이용해 프라이머 뒷부분에 새 뉴클레오타이드를 화학적으로 단단히 이어 붙인다.(공유 결합).

 

---

 

PCR에서의 중합효소

 

PCR 실험을 하려면 DNA 가닥을 분리하기 위해 온도를 95도 부근까지 올려야 합니다. 이 정도 열이면 인간의 효소는 완전히 익어 버려 영원히 기능을 잃게 된다.

 

이 문제를 해결하기 위해 과학자들은 미국 옐로스톤 국립공원의 펄펄 끓는 온천수에서 살아가는 Thermus aquaticus라는 특수한 온천 박테리아를 이용하기로 했다. 이 박테리아에서 추출한 중합효소를 Taq 중합효소(Taq Polymerase)라고 한다.

 

이 효소는 95도의 고열에서도 변성되지 않고 버텨냅니다. 끓는 온도를 무사히 견뎌낸 뒤, 온도가 내려가 프라이머가 붙으면 곧바로 활동을 시작하여 약 72도의 고온에서 뉴클레오타이드들을 미친 듯이 잡아다가 쌓아 올린다.

 

과학자들은 재조합 단백질 발현(Recombinant protein expression)이라는 바이오 제조 기술을 사용해 이 효소 대량생산한다.