제 10장 유전자의 형질발현
제1절 유전자와 단백질
* 유전자는 단백질 합성에 의해 형질을 지배
* 1유전자 1효소설(one gene one enzyme theory)<1유전자 1폴리펩티드>
붉은 빵곰팡이의 돌연변이체 실험
전구체--+---->오르니틴---+--->시트롤린---+--->아르기닌
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변이체A3 변이체A2 변이체A1
(유전자A3) (유전자A2) (유전자A1)
acetylornithinase transcarbamylase argininosuccinase
* 유전자의 형질지배-->DNA가 특정 단백질의 합성을 지배--> 형질의 다양성 = 단백질의 다양성
* 단백질-->20개 아미노산의 펩티드결합(CO-NH)--> 200-500개 아미노산이 중합으로 1개 폴리펩
티드를 형성(분자량 20,000 - 50,000)-->단백질의 구조(폴리펩티드에 결합된 아미노산의 서열
에 따라 결정-->아미노산의 서열은 DNA의 염기서열에 의해 결정됨)
* 펩티드결합-->한아미노산의 카르복실기(COOH)와 아미노기(NH2)간의 탈수 반응에 의한 결합
(C=O-N-H)
* 단백질의 변성(denaturation):pH, 온도(60도이상), 자외선 처리등에 의해 단백질의 입체구조가
바뀌어 그 기능을 상실하는 것
제2절 유전정보와 유전암호
1. DNA와 유전정보
* 단백질의 아미노산 서열에 관한정보-->유전정보(gene information)-->염기서열(유전암호)
* DNA분자속의 염기서열-->단백질의 아미노산 서열을 지정하는 유전암호-->형질의 유전정보
* triplet code:삼중자암호-->3개의 염기가 하나의 아미노산을 지정(4x4x4=64아미노산지정)
* 생물의 DNAfid-->103-109염기쌍; 600개의 염기쌍에 의한 삼중자암호수는 600/3=200 이것으로
가능한 아미노산의 조합수 20200=10264 (무한대에 가깝다)
2. 유전정보의 종류
* DNA에서 RNA로 전사되는 유전정보가 있는 부분; 코드영역(coding region; 암호영역)
* DNA에서 RNA로 전사되지 않은 유전정보가 있는 부분: 조절영역(regulatory region)
* 코드영역의 유전정보-->tRNA, rRNA 및 mRNA로 전사; mRNA의 유전정보가 단백질로 번역
* mRNA-->exon + intron--> exon부분만 단백질로 번역됨.
* 조절영역-->(operator + promoter) 특정단백질의 결합에 의해 코드영역의 유전정보의 복제및
전사를 조절함.
* spacer: 진핵생물의 DNA에 유전정보를 가지고 있지 않은 부분,전체DNA의 90%를 차지하고 있음.
3. 유전암호
* 1961년 Nirenberg에 의해 인공 RNA와 poly-U에 의한 실험에서 -->페닐알라닌 합성(UUU)
AAA-->lysine, CCC-->proline, CUC-->leucine, UCU-->serine(표10-1, 유전암호표)
* codon-->mRNA에 형성되는 염기조합; anticodon-->codon과 쌍을 짓는 tRNA의 염기조합
* 유전암호-->mRNA의 코든으로 나타냄.
4. 유전암호의 보편성
* 유전암호는 모든 생물에 공통적이다. (생명탄생의초기에 확립되어 진화과정에도 불변)
* 유전암호의 퇴화(degenerate code): 하나의 아미노산을 지정하는 codon이 여러개가 있는 현상
(프폴린의 코돈은 CCU, CCC,CCA,CCG의 4가지로써 세번째 염기만 다르다). 3번째 염기에 어떠한
변화가 일어 나드레도 아미노산에 대한정보에는 아무런 변화없어 유전정보의 보존성을 높인다.
* 개시암호(initiation codon); 유전자 번역이 시작되는 코든 AUG(메치오닌 합성 코든)
* 종결암호(termination codon): UAA, UAG, UGA 3종류는 어떤 아미노산도 지정하지 않는다.
(nonsense codon)
* 유전암호의 예외: 미토콘드리아에서 종결암호인 UGA가 트립토판을 지정하고, 이소류신의 암호
AUA는 메치오닌을 지정한다.
제3절 RNA의 종류와 기능
1. 유전정보의 발현
* 유전정보의 발현(유전자의 형질발현: gene expression):
DNA유전정보가 단백질을 합성하여 형질로 나타나는 것.
* 세포질속에 있는 리보숌->단백질 합성 ->정확하게 DNA 정보가 mRNA통해 리보?으로 전달
* 전사(transcription): DNA의 유전정보가 RNA로 전해지는 것.
* 번역(translation): 전사된 RNA의 유전정보에 따라 단백질이 합성 되는 것.
* 역전사(reverse transcription): 일부 바이러스에서 RNA로 부터 DNA가 합성 된다.
(역전사효소를 이용하면 고등생물의 mRNA에서 cDNA(complementary DNA)를 합성함)
2. RNA의 종류와 기능
* ribosome RNA(rRNA), messenger RNA(mRNA), transfer RNA(tRNA), 90%이상이 rRNA
* rRNA:세포내 단백질 합성 장소인 리보?의 구성분
* mRNA: 유전정보의 전달기능, 고등식물의 세포질->15,000-30,000종류의 RNA가 있다.
* 진핵생물의 mRNA-->유전자단위로 전사되므로 하나의 유전자를 의미(monocistrionic mRNA)
원핵생물의 mRNA-->한오페론에 속하는 여러개의 유전자가 한단위로 전사, 여러개의 유전자가
포함됨(polycistronic mRNA).
* tRNA: 100개 이하의 저분자로 구성-->단백질 합성시 아미노산을 리보?으로 운반.
한종류의 아미노산에 각각 대응하는 tRNA가 있다. 식물세포질 속에 45-60종으로 추정.
제4절 RNA의 전사와 가공
1. RNA전사
* transcription(전사): 핵내에서 RNA가 합성되는 것.
1) RNA중합효소 DNA의 전사개시점에 부착
2) DNA 2중 가닥이 풀어지고
3) 상보적 염기서열을 가진 RNA가 만들어짐.
4) 전사가 완료 되면 RNA가닥은 DNA로 부터 떨어져 나오고 핵공을 통해 세포질로 이동
* sense DNA strand: DNA 가닥중 RNA의 주형이 되는 한가닥의 DNA(spacer부분은 전사않됨)
2. RNA 중합효소
* RNA 중합효소-->전사개시점인식--> DNA와 상보적인 RNA을 제작
* 원핵세포-->한종류의 RNA중합효소; 진핵세포-->I, II, III의 3가지 종류의 중합효소
* I중합효소--> 분자량이 쿤 rRNA전구체(18S+28S+5.8S)
II중합효소-->mRNA전구체
III중합효소-->tRNA를 합성
3. 프로모터
* promotor영역:전사될 유전자 바로 앞부분에 전사개시를 지시하는 RNA중합효소가 결합하는 영역
* 원핵생물--> -35부위(TTGACA)는 RNA중합효소가 DNA을 인지하는 부위, -10부위(TATAAT)에 RNA
중합효소가 결합하는 부위,그아래쪽 5-7번 째 염기쌍이 RNA 전사개시점
* 진핵생물--> -60 - -80부위에 있는 공통염기서열CAAT가 중합효소 인지부위, -20부위에 공통염
기서열 TATAA(또는 T)A에 RNA 중합효소가 결합하는 것
4. RNA의 가공
(1) 캡핑과 폴리 아데닐레이션
* 1차 전사물(RNA전구체): 진핵세포에서 RNA중합효소에 의해 전구체 형태로 전사된 RNA
* 1차 전사물(RNA전구체)은 capping, polyadenylation splicing과정을 거쳐 기능을 가진 RNA로
되어 세포질로 이동
* capping:진핵세포에서 합성되는 전구체 mRNA의 5'끝에 Gppp(7-methyl guanosine)가 부착반응
합성된 mRNA의 5'끝의 분해를 억제하며 번역시작 될때 신호로 작용
* polyadenylation: mRNA의 3' 끝에 약 100-200개의 아데닌이 결합된 폴리 A을 형성
(mRNA 3'끝이 분해되는 것을 억제하고 mRNA가 세포질로 전달 될때 신호로 작용)
(2) 스플라이싱
* RNA splicing: 전구체 mRNA가 합성되면 핵속의 특정 단백질(spliceosome)의 작용으로 인트론이
제거되고 엑손만 재결합하는 과정
* 인트론부분은 유전정보로 번역되지 않고 엑손과 엑손사이에 있으므로 개재배열(intervening
sequence)
* 분자화석(molecular fossil): rRNA전구체에 있는 인트론이 스프라이싱 과정에서 효소작용을
나타내는 것을 rigboayme효소라하며 이것은 생체반응을 촉매하는 효소가 단백질이라는 기
존의 개념을 뛰어 넘는 것으로 생명의 탄생과 진화를 설명할수있는 분자화석
제5절 단백질 합성
1. 리보솜의 구조와 기능
* 단백질 합성은 리보솜의 표면에서 일어난다.
* 리보솜: 60%의 rRNA와 40%의 단백질로 구성. 두개의 subunit로 구성
* 원생생물의 리보솜: 70S로 50S와 30S의 두 subunit로 구성(그림 10-10)
* 진핵생물의 리보솜: 80S로 60S<28S, 5.8S, 5S rRNA와 45종류의 단백질로 구성>와 40S
* 단백질이 합성 될때 mRNA는 리보솜의 작은 subunit에 연결되고 큰subunit에서 단백질 합성
2. tRNA의 역활
* 아미노산의 운반을 담당(리보솜에 부착한 mRNA의 코돈 암호를 아미산으로 대체)
* 100개 미만의 뉴클레오티드로 구성된 저분자, 한분자내에 있는 상보성 염기들간에 수소결합이
이루워져 클로버 잎모양의 구조(그림 10-11 참조)
* tRNA=D루프 + 안티코돈루프 + S영역루프 + T?C루프 구성 3' 끝부분CCAOH염기서열로 끝남
* D루프-->aminoacyl-tRNA-syntheatse(아미노아실-tRNA합성효소의 인지부분)->3'쪽에 A에 아미
노산이 연결
* 안티코든 루프: mRNA의 코돈과 대응
* T?C루프: 리보솜의 표면과 결합부분
3. 단백질의 합성
(1) 아미노산의 활성화
* 아미노산의 활성화-->아미노산은 ATP의 존재하에서 아미노아실-tRNA합성효소 작용으로 각 아
미노산에 대응하는 tRNA에 결합하여 aa-tRNA(aminoacyl-tRNA)복합체를 형성 하는것
(2) 폴리펩티드 시작
* 80S의 개시복합체: small subunit + 개시tRNA(개시코돈 AUG를 인지하는 methionyl-tRNA) + GTP
+ 폴리펩티드사슬 개시인자(initiation factor) elF와 결합
(3) 폴리펩티드 신장
* large subunit-->peptidyl site + aminoacyl site
* 폴리펩티드 신장(elongation of polypeptide):
P위치->처음 개시 tRNA; A자리->mRNA의 안티코돈을 가진 aa-tRNA가 들어간다. -->페키드전이
효소(peptidyl transferase)의 작용으로 두아미노산이 펩티드결합으로 연결된다.-->P자리의
tRNA는 아미노산을 상실하고 리보솜에서 떨어지고 A자리의 tRNA는 펩티드결합을 가진
peptidyl-tRNA로 되어 P자리로 이동하여 신장
(폴리펩티드의 신장-->신장인자(EF, elongation factor) + GTP(에너지원)이 필요)
(4) 폴리펩티드 종결
* 종결암호-->종결인자(releasing factor;eRF)에 의해 인지 즉 UAA, UAG, UGA
* 종결암호에 종결인자가 결합되면 폴리펩티드가 리보솜을 떠남-->tRNA와 mRNA가 떨어저 나가며
리보솜은 대, 소 두개로 나누워진다.
* 폴리펩티드사슬 맨초음에 있는 메티오닌은 나중에 떨어져나간다.
* 단백질 합성 속도 박테리아경우 37도에서 매초 15개 아미노산을 결합, 진핵생물의 적혈수에
서는 2개의 아미노산만 결합
* 진핵세포-->전사와 가공이 모드 끝난 다음에 세포질에서 번역이 이루워짐.
* 원핵세포-->핵막이 업식때문에 전사에 의해 mRNA가 합성되자마자 번역이 진행
(원핵세포의 증식이 빠른 이유중에 하나)