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유전 정보의 중심 원리 생명과학

유전 정보의 중심 원리(Central Dogma)란 DNA에 있는 유전 정보가 mRNA로 전달되고, 이 mRNA가 세포질에서 폴리펩타이드 (단백질) 합성에 관여한다는 유전 정보의 흐름을 의미한다. 이때 DNA로부터 RNA가 만들어지는 것을 전사라고 말하며, RNA로부터 단백질이 만들어지는 것을 번역이라고 말한다. RNA의 종류로는 mRNA, tRNA, rRNA가 있으며, mRNA는 DNA의 유전정보를 리보솜에 전달하고, tRNA는 단백질의 재료인 아미노산을 리보솜에 전달하고, rRNA는 리보솜을 구성하여 단백질 합성의 장소를 제공한다. 전사가 이루어지는 과정은 개시, 신장, 종결 세 단계로 나뉘며, 개시 단계에서는 특정 유전자의 전사 시작 부위인 프로모터에 RNA 중합효소가 결합한다. 이때 DNA 복제에서는 헬리케이스나 연결효소가 DNA 2중 나선구조를 풀어주고, 다시 묶어주는 역할을 해주어야 하지만, RNA 전사에서는 RNA 중합효소가 이러한 기능을 모두 수행한다. 염기 사이의 수소 결합이 끊어지면 DNA 2중 가닥이 풀어지고, 한쪽 가닥을 주형으로 전사를 시작한다. 신장 단계에서 RNA 중합효소는 DNA를 풀어가며 주형가닥에서 3‘에서 5’ 방향으로 이동하면서 주형 가닥과 상보적인 염기를 갖는 리보뉴클레오타이드를 차례대로 연결시켜 단일 가닥의 mRNA를 합성한다. 이때 RNA는 합성되는 가닥의 3‘ 말단에 새로운 뉴클레오타이드가 첨가되면서 5’에서 3‘ 방향으로 신장된다. 이때 DNA 복제와는 달리 프라이머를 필요로 하지 않는다. 종결 단계에서 RNA 중합효소는 DNA 종결자리에 도달하면 DNA로부터 분리되고, 합성된 mRNA는 방출된다. 이와 같은 전사 과정을 거쳐 만들어진 RNA는 mRNA, tRNA, rRNA의 3가지 종류가 있다.

DNA로부터 전사된 mRNA 가닥은 핵에서 세포질까지 이동하여 번역이 이루어진다. 번역은 mRNA의 유전 정보에 따라 리보솜에서 폴리펩타이드가 합성되는 과정을 말한다. 폴리펩타이드 합성 과정 역시 개시, 신장, 종결 단계로 구성되어있다. 개시 단계에서는 리보솜 소단위체에 mRNA가 붙고, 메싸이오닌과 mRNA의 개시 코돈이 결합하여 형성된 개시 tRNA가 리보솜 소단위체에 붙는다. 이와 같이 mRNA, 리보솜 소단위체, 개시 tRNA가 결합한 복합체를 mRNA-리보솜 개시복합체라고 부른다. 이후에 리보솜 대단위체가 mRNA-리보솜 개시복합체 위에 뚜껑을 덮듯이 결합하여 완전한 리보솜을 만든다. 리보솜 대단위체에는 새로 들어온 tRNA가 대기하는 A자리, 신장 작업이 이루어지는 폴리펩타이드가 붙어있는 tRNA가 위치하는 P자리, 일을 마친 tRNA가 빠져나가기 전에 머무르는 E자리가 있다. 이때 개시 tRNA는 리보솜 대단위체의 P자리에 위치한다. 신장 단계에서는 이렇게 만들어진 리보솜에 두 번째 tRNA가 아미노산과 결합한 채 리보솜의 A자리로 들어와 tRNA의 안티코돈이 mRNA의 코돈과 수소결합에 의해 결합한다. 그리고 P자리에 있던 메싸이오닌이 tRNA와 분리되어 Q자리로 들어온 아미노산과 펩타이드 결합을 형성한다. 곧이어 리보솜이 mRNA를 따라 하나의 코돈만큼 5‘에서 3’ 방향으로 이동하면 P자리에 있던 개시 tRNA가 E자리로 옮겨진 후 리보솜에서 떨어져 나가고, A자리에 있던 tRNA가 P자리로 이동한다. 이와 같은 과정이 반복되면서 폴리펩타이드 사슬의 길이가 길어진다. 종결 단계에서는 리보솜의 A자리가 mRNA의 종결코돈에 이르면 상보적으로 결합할 수 있는 tRNA가 없어 폴리펩타이드 합성이 종결된다. 이때 종결코돈에 붙어있는 방출인자가 폴리펩타이드 합성을 종결시키고, mRNA를 방출시키며, 리보솜 소단위체와 대단위체를 분리하고 폴리펩타이드 사슬을 방출시킨다.

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