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1953 년 4 월 왓슨 (James Watson) 과 크리 (Francis Crick): DNA 이중나선구조 모형 제시 ( 그림 16.1 ) PowerPoint Presentation
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1953 년 4 월 왓슨 (James Watson) 과 크리 (Francis Crick): DNA 이중나선구조 모형 제시 ( 그림 16.1 )

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1953 년 4 월 왓슨 (James Watson) 과 크리 (Francis Crick): DNA 이중나선구조 모형 제시 ( 그림 16.1 ) - PowerPoint PPT Presentation


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개요 : 생명체 작동의 원리. 1953 년 4 월 왓슨 (James Watson) 과 크리 (Francis Crick): DNA 이중나선구조 모형 제시 ( 그림 16.1 ) 유전정보는 DNA 라는 화학적 언어로 암호화되어 모든 세포에 존재. 그림 16.1 자신들이 제작한 DNA 모형을 보고 있는 왓슨과 크릭. 개념 16.1: DNA 는 유전물질이다. - 20 세기 초반의 생물학자들의 주관심사는 유전물질이 무엇인가를 밝히는 것. 유전물질에 대한 탐구 : 과학적 탐구.

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개요: 생명체 작동의 원리

  • 1953년 4월 왓슨(James Watson)과 크리(Francis Crick): DNA 이중나선구조 모형 제시(그림 16.1)
  • 유전정보는 DNA라는 화학적 언어로 암호화되어 모든 세포에 존재
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개념 16.1: DNA는 유전물질이다

- 20세기 초반의 생물학자들의 주관심사는 유전물질이 무엇인가를 밝히는 것

유전물질에 대한 탐구: 과학적 탐구

  • 유전물질이 염색체 구성성분인 DNA나 단백질일 것이라고 추정
  • 1940년대까지 유전물질은 단백질이라고 생각

DNA가 세균을 형질전환시킬 수 있다는 증거(Evidence That DNA Can Transform Bacteria)

  • 1928년 영국 의사 그리피스(Frederick Griffith)는 폐렴쌍구군(Streptococcus pneumoniae)를 연구
  • 열처리로 죽은 병원성 균주를 살아있는 비병원성 규주와 섞어주었을 때, 세포의 일부가 병원성을 띤다는 것을 발견(그림 16.2)
  • 형질전환(transformation): 외부 DNA가 세포로 도입되어 유전자형과 표현형을 변화시키는 현상. 암세포 전환이나 에너지 전환과는 혼동하면 안됨.
  • 1944년 에이버리(Oswald Avery), 맥카티(Maclyn McCarty), 멕레오드(Colin MacLeod)는 형질전환물질이 DNA라고 발표(분해효소 사용한 실험으로)
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바이러스 DNA가 세포를 조절할 수 있다는 증거(Evidence That Viral DNA Can Program Cells)

  • Virus 설명
  • 1952년 허시(Alfred Hershey)와 체이스(Martha Chase)는 박테리오파지(bacteriophage; 파지phage)(그림 16.3)인 T2를 사용하여 유전물질이 DNA라는 것을 입증하는 실험을 수행(그림 16.4)
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DNA가 유전물질이라는 추가적인 증거(Additional Evidence That DNA Is the Genetic Material)

  • DNA는 질소를 함유한 염기, 즉 아데닌(adenine; A), 티민(thymine; T), 구아닌(guanine; G), 시토신(cytosine; C)과 데옥시리보오스(deoxyribose)5탄당 및 인산기로 구성된 뉴클레오티드(nucleotide)의 중합체(그림 16.5)
  • 1947년 샤가프(Erwin Chargaff)는 DNA의 염기구성이 생물 종에 따라 다양하다는 것을 보고. 또한 A = T, C = G 그리고 (A+G) = (T+C)를 발견. 즉, 인체의 DNA는 A = T = 30.3%, G = C = 19.5%.
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DNA의 구조적 모형 구축: 과학적 탐구

  • 1950년대 초반 DNA의 3차원구조연구: 폴링(Linus Pauling), 윌킨스(Maurice Wilkins), 프랭클린(Rosalind Franklin)
  • 그림 16.6: 프랭클린과 DNA X선 회절사진; 당-인산 골격이 바깥쪽에 위치하고 있다는 결론
  • 그림 16.7: 이중나선
  • 1953년 4월 왓슨과 크릭은 네이처(Nature)지에 한 쪽의 논문을 게재
  • 염기쌍은 3.4 Å(0.34 nm) 간격이고 10개의 염기쌍이 한 바퀴이며 34 Å(3.4 nm)임을 확인
  • 296쪽 그림에서 보는 것처럼 퓨린(A, G)은피리미딘(T, C)과 결합
  • 그림 16.8: DNA의 염기쌍 형성
  • 프랭클린은 1958년 38세의 나이로 암으로 사망
  • 윌킨스, 왓슨, 크릭은 1962년 노벨상 수상
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개념 16.2: 많은 단백질이 DNA 복제와 수선에 관여한다

기본원리: 주형가닥에 상보적인 염기쌍 형성

  • 왓슨과 크릭은 두 번째 논문에서 DNA 복제 기작에 대한 가설을 언급(교과서 내용)
  • 그림 16.9: DNA 복제에 대한 왓슨과 크릭의 핵심 아이디어
  • 그림 16.10: 반보존적 복제 모형(semiconservative model)
  • 그림 16.11: 1950년대 후반 메셀슨(Matthew Meselson)과 스탈(Franklin Stahl)의반보존적 복제 증명 실험
16 11 dna
그림 16.11 DNA 복제는 보존적, 반보존적, 분산적 모형 중에서 어떤 모형을 따를까?
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DNA 복제: 자세히 살펴보기

  • 대장균은 약 460만 뉴클레오티드의 하나의 염색체로 1시간 이내에 2개의 딸세포로 분열
  • 인체는 46개의 염색체에 약 60억개의 염기쌍(교과서 두께의 1,200권에 해당)으로 복제에 몇 시간 밖에 걸리지 않음
  • 복제에는 12가지 이상의 효소와 그 밖의 단백질이 관여

시작: 복제원점(Getting Started: Origin of Replication)

  • 복제원점(origin of replication): 세균은 1개, 진핵생물 염색체는 수백~수천 개
  • 그림 16.12: 진핵생물의 복제원점, 복제기포(replication bubble), 복제분기점(replication fork)
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새로운 DNA 가닥의 신장(Elongating a New DNA Strand)

  • DNA 중합효소(polymerase): 세균에서 초당 500 nt, 인체에서 초당 50 nt 속도로 합성
  • DNA 합성 시 첨가되는 뉴클레오티드는 뉴클레오시드 3인산(nucleoside triphosphate)임
  • 그림 16.13: DNA 중합반응
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역평행 신장(Antiparallel Elongation)

  • DNA 가닥은 5’  3’으로 신장
  • 선도가닥(leading strand), 지체(지연)가닥(lagging strand), 오카자키절편(Okazaki fragments; 대장균에서는 1,000~2,000 nt, 진핵생물에서는 100~200 nt), DNA 연결효소(DNA ligase)
  • 그림 16.14: 복제분기점에서 일어나는 역평행 신장 기작
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DNA 합성 시작(Priming DNA Synthesis)

  • 시발체(primer): DNA 합성을 시작하게 하는 짧은 조각의 DNA 혹은 RNA
  • 프리마아제(primase): 세포 내에서 RNA 시발체 합성(5~10 nt)
  • 그림 16.15: 지체가닥의 합성
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DNA 복제에 관여하는 다양한 단백질(Other Proteins That Assist DNA Replication)

  • 헬리카아제(helicase), DNA 회전효소(topoisomerase), 단일가닥 결합단백질(single-strand binding protein)
  • 표 16.1과그림 16.16은 DNA 복제를 요약
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정지 복합체인 DNA 복제기계(The DNA Replication Machine as a Stationary Complex)

  • DNA 복제에 대한 전통적 모형은 철도선로(DNA)를 기관차(중합효소)가움직이는 것으로 묘사
  • (1) DNA 복제에 관여하는 다양한 단백질들은 하나의 커다란 복합체(complex)를형성, 즉 DNA 복제기계(DNA replication machine)을 형성 – 단백질-단백질 상호결합(protein-protein interaction)에 의해 효율성이 증가(예를 들어, 헬리카아제는 프리마아제에 접촉되어 있을 때 더 빠르다)
  • (2) DNA 복제기계 복합체는 복제과정 동안 정지해 있음; 핵 내부에 뻗어있는 선형구조물인 핵 구조체에 부착되어 있는 듯.
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DNA 교정과 수선(Proofreading and Repairing DNA)

  • 약 100억 개의 뉴클레오티드 당 1개의 오류 확률
  • 초기 염기쌍 오류는 약 100,000 염기쌍 마다 1번의 오류(최종 오류의 10만 배 차이)
  • DNA 교정(proofreading)과 불일치 복구(mismatch repair)
  • 수선효소의 유전적 결함은 암 발생의 빈도를 높임
  • 대장균에는 약 100가지 종류, 인간에게는 약 130가지 종류의 수선효소가 밝혀짐
  • 그림 16.17: 뉴클레오티드 절제수선(nucleotide excision repair)
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DNA 분자의 말단 부위 복제(Replicating the Ends of DNA Molecules)

  • 염색체 끝에는 DNA 중합효소가 이용할 수 있는 3’ 말단이 없어 DNA가 합성되지 못함
  • 그림 16.18: 반복된 복제는 진핵생물의 염색체 말단의 DNA가 짧아지게 함
  • 진핵생물 염색체 DNA 분자끝에는 텔로미어(telomere)라는 유전정보를 갖지 않는 반복적 짧은 염기서열이 있음(그림 16.19); 인간의 텔로미어는 TTAGGC 6개 뉴클레오티드가 약 100~1,000번 반복
  • 짧아진 텔로미어는 생물체의 노화와 관련
  • 텔로머라아제(telomerase)라는 효소는 진핵생물의 생식세포에서 DNA 복제 동안 짧아진 DNA를 본래의 길이로 복구함으로써 텔로미어의 길이를 조절