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  1. 2010.02.12 일반생물학실험 - DNA 구조 모형
[BT]2010. 2. 12. 01:00
 
본 내용은......
2010-1학기에 우리 과에서 사용할
'일반생물실험' 교재 내용중에서
제가 준비한 부분입니다.


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- 실험 제목 : DNA 구조 모형 (DNA 구조 관찰을 위한 모형 조립)

- 실험 목적
: DNA의 구조를 이해하고, 샤가프 법칙과 중심가설에 대해서 알아본다. DNA 모형을 직접 조립해 보면서 특징을 이해한다.

- 실험 개요


1. DNA란 무엇인가?
  DNA(Deoxyribonucleic acid)는 핵산의 일종이며, 주로 세포 내에서 생물의 유전정보를 보관하는 물질이다. 결합되어 있는 염기에 의해 구분되는 네 종류의 뉴클레오티드(nucleotide)가 중합되어 이중나선구조(double helix)를 이룬다. DNA의 이중나선구조는 1953년 James Watson과 Francis Crick에 의해서 처음으로 밝혀졌다. 이 DNA 이중나선 모형은 지난 50여년간 현대 생물학의 근간이 되었다.

그림 1. DNA 이중나선. (a) 리본은 두 DNA 가닥의 당-인산 골격을 나타낸다. 질소함유 염기들은 수소결합에 의해 이중나선 안쪽에서 쌍을 이루고 이 수소결합에 의해 두 DNA 가닥이 서로 결합하고 있다. (b) 화학구조를 명확히 보여주기 위해 꼬여있지 않은 상태로 나타냈다. 두 DNA 가닥은 역평행, 즉 역방향성을 갖는다. (c) 공간채우기 모형으로 형상화하면, 염기쌍은 촘촘한 층을 이룬다. 염기쌍간의 반데르발스 인력이 분자들의 결합을 유지하는데 중요한 역할을 한다.

2. DNA의 구조적 특징
  DNA는 두 개의 긴 폴리뉴클레오티드(polynucleotide)사슬들이 중심축을 돌아 감겨서 오른쪽으로 꼬인 이중나선을 형성한다. 두 사슬들은 역평행으로 존재한다. 즉, C-5‘에서 C-3'으로의 방향이 서로 반대로 향한다. 그리고 두 사슬들의 염기들은 평평한 구조로 축에 수직으로 놓여져 있으며, 3.4Å(0.34nm)떨어져 있고 전체 구조의 안쪽에 위치한다. 반대사슬들의 질소화된 염기들은 수소 결합의 결과 쌍을 이루고 있다. (A=T, 2개의 수소결합; C≡G. 3개의 수소결합) 나선의 완전한 회전은 34Å길이로 각 사슬의 1회전 당 10개의 염기가 존재한다. 분자의 어떤 부분에서도 좀 더 큰 주홈(major groove)와 부홈(minor groove)이 축을 따라 번갈아 나타난다. 이중나선의 직경은 약 20Å 정도이다.

3. 뉴클레오티드(Nucleotide)
  뉴클레오티드는 당, 인산, 염기가 1:1:1의 비율로 결합되어 있는 화합물로, 핵산의 기본단위이다. DNA를 구성하는 당은 2번 탄소에 산소가 없이 수소(-H)만 결합되어 있는 5탄당인 디옥시리보오스이고, 2번 탄소에 히드록실기(-OH)가 결합되어 있는 리보오스는 RNA (ribonucleic acid)를 구성하는 당이 된다.
  인산은 뉴클레오티드끼리의 연결매체로서 에너지원이 되며 DNA가 (-)가 전기를 띠게 한다. 염기는 DNA의 서열을 결정하는 요소로써 이중 고리 구조를 가진 퓨린(Purine)과 단일고리구조를 가진 피리미딘(pyrimidine)의 두 계통으로 나누어지는데 수용액에서 수산화 이온을 내거나 수소이온을 흡수한다. 퓨린계 염기에는 아데닌(Adenine, A), 구아닌(guanine, G)이 있고, 피리미딘계 염기에는 시토신(cytosine, C), 티민(thymine, T)이 있다.

                                    그림 2. 뉴클레오티드(nucleotide)의 구조

                                                  그림 3. 염기(base)의 구조

4. 샤가프 법칙
  1950년대 초 Chargaff 박사는 DNA의 디옥시뉴클레오티드(deoxynucleotide) 조성에 대한 규칙성을 발견하였다. 생물 종에 따라 그 조성의 차가 있지만 어떤 DNA에 대해서도 일반적으로 다음과 같은 규칙성을 나타낸다.
  1) DNA에서 아데닌과 티민의 함량이 항상 같고 구아닌과 시토신의 함량이 항상 같다.
     즉,  “A+G=C+T”
  2) 퓨린계의 합은 피리미딘계의 합과 같다. 즉,  “A+C=G+T“

5. 중심가설(Central dogma)
 
핵산이나 단백질의 생합성과정에서 유전정보의 흐름은 한 방향으로 흐르고, 일단 정보가 암호화 되어 단백질에 전환되면 그 유전정보는 두 번째 핵산의 염기서열을 구축하지 않는다.
                그림 4. 중심가설


- 실험 목표
 1. 다음에 제시된 염기서열 또는 선생님이 제시해주는 염기서열에 맞춰서 직접 DNA 모형을 조립해 보자. (45분)
      → #1. 5’- GATGCCATAATGGTA -3’
      → #2. 5’- CTACGGTATTACCAT -3’ 
 2. 조립한 DNA 모형을 보고 DNA의 구조와 법칙을 이해해 보자. (15분)

- 실험 재료
   (생략)

- 실험 방법

   (생략)

- 결과

   (생략)

- 질문 및 토의사항

  1. DNA의 유전적 역할을 발견한 실험에 대해 알아보자.
  2. DNA가 유전물질임을 증명한 실험에 대해 알아보자.
  3. 반보존적 복제와 이를 증명한 실험에 대해 알아보자.
  4. DNA가 단백질로 발현되기 위해 어떻게 암호화되어 있는지 알아보자.
  5. DNA가 어떤 과정을 통해서 단백질로 발현되는지 알아보자.

- 참고문헌
  1. 생명과학교재편찬위원회. 생명과학개론, 2009. 지코사이언스.
  2. 김관선 외. 생명과학실험서, 2008. 정문각.
  3. 권혁빈 외. 일반생물학실험, 2008. 지코사이언스.
  4. Campbell 외. 전상학 옮김. 생명과학 7/E, 2006. 라이프사이언스.
  5. Eldon D. 외. Concepts in Biology, 13/E, 2009. 지코사이언스.
  6. Daniel L. 외. Essential Genetics, 4/E, 2005. Jones and Bartlett.
  7. Structure of Nucleic Acids. Sparknotes.
     (http://www.sparknotes.com/biology/molecular/structureofnucleicacids/)
  8. Biology Department, Trinity vally community college.
     (http://www.tvcc.edu/depts/biology/HotPot/Biol%201406/biomolecule_structure.htm)
  9. Cronk, J.D. Biochemistry dictionary. Department of Chemistry, Gonzaga University.
     (http://guweb2.gonzaga.edu/faculty/cronk/biochem/dictionary.cfm)

Posted by 토리군