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[유전학] DNA의 모양, 해독, 전사 평가A+최고예요

1.DNA의 모양DNA는 옆의 그림과 같이 당, 염기, 인산기로 이루어진 nucleotide가 여러 개가 일정한 방향으로 붙어서 이루어진다.참고로 nucleic acid에는 DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)가 있다. DNA에는 2' 탄소에 RNA에 있는 OH기 대신에 H기가 있다. 즉 옆의 그림은 RNA이다. 하지만 중합(polymerization) 과정은 DNA, RNA 모두 동일하다.마치 구슬을 계속해서 꿰어서 긴 줄을 만드는 과정과 같다.옆의 그림에는 인산기가 하나밖에 나타나 있지 않지만 원래는 P원소가 인산기로 3개가 이어져 있다. 뒤에 나오는 요약적인 그림을 보면 이해가 될 것이다.(replication 페이지에 나오는 그림)여기서 인산기와 3' 탄소와의 연결은 phosphodiester bond라고 한다.이때 이 nucleotide를 붙일 수 있는 에너지는 아까 말했듯이 원래 있었던 3개의 인산기중에서 2개가 떨어지면서 생기는 에너지를 이용해서 옆에 있는 그림처럼 결합이 진행된다.이러한 과정에 의해 polymerization되어 생기는 물질을 nucleic acid라고 한다. 특히 왼쪽에 나와 있는 물질은 RNA이다.이때 주의 깊게 봐야 할 것은 항상 nucleotide는 5'에서3'으로만 붙는다.생물체가 어떠한 특징을 이룰 때는 다 그 이유가 있다. 생명체의 신비라고나 할까? nucleotide가 항상 5'에서 3'으로 붙는 이유는 인산기에 있다.앞에서 서술하였듯이 nucleotide가 붙을 때 인산기 일부가 떨어져 나가면서 생기는 에너지를 이용되는데 만약 3'에서 5'으로 nucleotide가 붙으면 문제가 생긴다. 가끔가다 이 nucleotide가 붙는 과정에서 잘못된 것이 붙을 가능성이 있다. 실제로도 그러한 일이 일어난다. 이런 일이 생기면 이렇게 잘못 붙은 nucleotide는 다시 떨어지고 올바른 것이 붙게 되는데, 여기에서 문제가 생긴다.직접 그림을 그려보면 알게 되겠지만 3'에서이러한 문제가 해결된다.직접 그림을 그려가며 생각해 보세요.수많은 nucleotide가 모여서 옆의 그림에서 갈색 줄로 표현되어 있는 것과 같은 모양이 만들어 진다.DNA는 평소에는 옆의 줄과 같은 사슬이 핵 안에서 풀어져 있다. 이때 단백질의 합성이 이루어진다.하지만 세포가 분열을 시작하면 DNA는 응축을 하게된다.인간의 세포가 분열을 할 때 현미경을 보면 48개의 염색체 덩어리가 보이게 된다.아마 고등학교 때 생물 실험 시간에 본 적이 있을 것입니다.염색체는 특정한 방법과 순서, 정해진 차례로 응축이 이루어진다.위의 그림에서 보면 H1, H2A, H2B, H3, H4물질이 DNA를 11nm의 덩어리로 응축시키는 모양을 볼 수 있을 것입니다.이러한 덩어리는 나중에 30nm정도의 넓이로 더욱 응축된다.이러한 응축과정을 통해서 염색체 덩어리가 형성된다.DNA는 이러한 과정을 반복하면서 계속 변한다.2.복제(replication)1953년에 왓슨과 크릭은 이중나선을 제안했다. 이것은 나중에 사실임에 판명되었다. 항상 DNA는 이중나선을 형성하고 있다. 세포가 분열을 시작하면 유전자는 복제를 시작한다.분열을 시작하면 이중나선은 풀어지게 되고 옆의 그림처럼 복제의 주형이되는 2개의 사슬이 생기게 된다.이러한 주형이 외부에 노출이 되면 polymerase라고 하는 효소에 의해 복제를 시작한다.옆의 그림과 같이 A-T와 G-C의 염기의 상보적 법칙에 의해 nucleotide가 하나씩 붙어 나가게 된다.앞장에서 서술했듯이 5'에서 3'으로 nucleotide가 붙는다. 이러한 과정이 DNA전체에서 행해지면 유전 정보가 완전히 2배가 복제되게 되고 이렇게 복제된 유전자는 분열되는 세포에 각각 나뉘어지게 된다.참고로 이중나선은 염기의 수소결합에 의해 형성이 되고 이러한 염기 결합은 A-T와 G-C의 결합에 의해서만 이루어 진다. 다른 염기끼리의 결합은 이루어지지 않는다.샤르가프는 유전물질에 A와G의 합과 T와C합이 항상 동일 하다는 것을 발견했다. A와T, G와C의 결합만이 이러한 계속적인 이어나감이 불가능하다. 왜냐하면 복제의 방향이 한쪽은 3'에서 5'으로 형성되기 때문이다.계속적으로 이어 나가면서 복제를 하는 strand를 leading strand라고 하고 반대로 앞에서 말했듯이 방향이 3'에서 5'으로 나아가는 strand를 lagging strand라고 한다. 위의 그림을 보면 이해가 될 것이다.이 때문에 위의 그림을 보면 나와 있듯이 lagging strand에서 오가자키 절편(okazaki fragment)이 형성된다.오가자키 절편이란 lagging strand에서는 leading strand처럼 계속적으로 사슬을 이어나갈 수 없기 때문에 일정한 길이의 절편이 만들어져서 이것이 계속 이어지는 과정을 통해 복제가 진행된다.일정한 주형이 노출되면 RNA primer에 의해 5'에서 3'으로 복제를 이어나갈 수 있는 환경이 만들어진다. 이 RNA primer에 의해 lagging strand에서 복제가 이루어진다. 처음에는 RNA가 붙다가 적당한 시간 후에는 DNA가 붙기 시작한다. 이러한 과정에서 오가자키 절편이 생기고 절편 앞부분에 있는 RNA를 때내고 DNA를 채우고, 이러한 절편들은 ligase에 의해 이어지게 된다.이러한 과정에 의해서 leading strand와 lagging strand에서 복제가 이어져 나간다.3.전사(transcription)전사란 유전정보가 발현되는 과정에서 중간단계라고 말할 수 있다.DNA의 유전정보는 RNA라고 하는 물질을 통해서 발현된다. 이 RNA는 DNA와 비슷한 물질이다. DNA(deoxyribonucleic acid)와 RNA(ribonucleic acid)의 구조적 차이는 이름에서도 알 수 있듯이 RNA는 2'탄소에 -OH기가 있는 것이고 DNA는 2'탄소에 -H기가 있다는 점이다. '1. DNA의 모양'의 그림에 나와있는 핵산이 RNA이다.전사과정은 RNA polymerase에 의해 진행된다. RNA polymerase는 풀려진 DNA single strand에 붙어서 이dogma를 제시하였다. 그리고 이것은 사실로 증명되었다.RNA polymerase로 합성된 RNA는 DNA와는 달리 짧은 가닥으로 형성된다. 보통은 하나의 단백질, 효소를 만드는 유전정보를 가지는 짧은 single strand의 형태를 이룬다.이렇게 RNA polymerase에 의해 만들어진 RNA가닥은 세가지의 과정을 거침으로서 완전한 mature RNA가 된다. 그 과정은 5' capping, 3' polyadenylation, splicing이다.5'capping은 5' end에 GTP(guanosine triphosphate)을 반대방향으로 붙이고서 guanine의 N-7 position에 methyl기를 붙이는 과정이다.3' polyadenylation과정은 3' end에 ATP(adenosine triphosphate)을 연속해서 붙이는 과정이다. 이것은 아마도 tlanslation의 termination을 지시하는 것으로 보인다.splicing은 유전정보를 담고 있지 않는 부분을 잘라내는 과정이다. 고등동물일수록 엄청나게 핵산의 양은 많아지지만 그만큼 유전정보를 담고 있는 않는 부분도 많다. 이렇게 유전정보를 가지고 있지 않는 부분을 intron이라고 한다. 한펀 실제로 유전정보를 담고 있는 부분을 exon이라고 한다. splicing과정은 intron을 제거하고 exon을 이어 붙이는 과정이다.prokaryote의 RNA polymerase는 5개의 부분으로 나뉜다. 각각의 부분은 α,α',β,β',σ으로 나뉜다. σ는 RNA polymerase가 DNA single strand의 전사가 필요한 적적한 부위에 붙도록 도와주는 부분이다. 이것은 전사가 진행되기 시작하면 떨어진다. 그리고 전사에 직접적으로 관여하는 부분은 α,α',β,β'이다. RNA polymerase는 전사가 시작되는 부분을 +1로 두었을 때 -35에서 +1까지 걸쳐서 DNA single strand에 붙게 된다. 이때 -35부분과 -10부분의 base들은 전사가 시작되는 것을iation은 현재 많이 규명이 된 상태이나 RNA polymerase가 DNA single strand에서 떨어지는 termination과정은 아직 많이 알려지지 않았다.4.해독(translation)전사과정을 마치고 만들어진 mRNA는 해독과정에서 정보를 전해주는 역할을 한다.해독과정에 참여하는 물질은 크게 mRNA, tRNA, rRNA와 리보솜으로 나눌수 있다. 즉 RNA의 모든 종류가 이 해독과정에 참여한다고 말할 수 있다.그 중에서 특이한 모양을 하며 해독과정에서 매우 중요한 역할을 하는 것이 옆에 그림에 나와있는 tRNA이다. tRNA의 모양은 위에 나와있는 것처럼 3개의 둥그런 가지모양과 한 개의 단일사슬의 끝이 노출된 부분으로 되어있다. 둥그런 가지중 하나는 그림에 나오있듯이 anticodon을 이루고 있고 사슬의 끝이 노출된 부분은 아미노산이 붙는 곳이다. 앞의 문장에서 말했듯이 tRNA의 역할을 mRNA의 유전정보에 따라서 그에 맞는 아미노산을 가져다주는 역할을 한다. 유전정보에 맞는 아미노산을 옮겨주는 것이 매우 핵심적이 역할인데 그것에 대해서는 tRNA의 구조가 그 해답을 준다. tRNA의 한쪽에는 mRNA의 코돈(염기 3개가 하나의 유전정보단위로 역할을 한다. 예를 들어 CAC-histidine, GCG-alanine을 각각 암호하는 것이다. 이러한 염기 3개씩의 단위를 코돈이라고 한다.) 과 상보적인 안티코돈이 있다. 그리고 이 안티코돈에 따라서 각각 적절한 아미노산이 tRNA반대편에 붙는다. 물론 특별한 효소가 이 과정에서 작용하여 이 과정은 정확성을 돕는다.그 다음으로 rRNA가 있다. rRNA는 리보솜 단백질과 함께 뭉쳐 리보솜을 만드는 물질이다. 이 rRNA의 역할을 리보솜이 mRNA에 붙도록 도와주고 해독을 돕는 역할을 한다. 생물체마다 다양한 크기의 rRNA가 존재하고 한 생명체 안에서도 여러 종류의 rRNA가 해독과정에 쓰인다.특이하게도 현재 rRNA는 생명체의 진화과정, 분류에 큰 역할을 하고 있다. Woese(1981).

자연과학| 2000.11.20| 6페이지| 1,000원| 조회(1,752)

DNA, 복제, 전사, central dogma, 해독

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광합성 평가D별로예요

광합성에 대하여살아있는 세포가 필요로 하는 거의 대부분의 유기물들은 대기 중의 빛에너지를 이용하여 이산화탄소를 유기물로 전환시키는 광합성 작용에 의해 생성된다. 광합성을 하는 생물로는 식물과 조류, 광합성 박테리아 등이 있으며 이들은 물로부터 유래된 전자와 햇빛으로부터 얻은 에너지를 이용하여 대기 중의 이산화탄소를 유기물로 전환시킨다. 광합성은 식물의 엽록체라 불리는 세포 소기관에서 일어나며, 빛을 필요로 하는 명반응과 그렇지 않은 암반응으로 나누어진다.명반응을 통해 만들어진 생성물을 이용하여 암반응 즉 탄소고정과정을 이루어내게 되므로 이 두 과정은 밀접한 관계이다.명반응 즉, 에너지 생성과정과 암반응의 탄소 고정 과정에 대해서 알아보겠다.1. 광합성의 장소 : 엽록체 (Chloroplast)이중막을 가진 세포소기관으로 물질투과가 쉬운 외막과 물질투과가 아주 어려운 내막(여기에 막수송단백질이 있음), 그리고 그 사이의 좁은 막간공간을 가지고 있다. 내막으로 둘러싸인 빈 공간을 스트로마(stroma)라 하는데 많은 대사효소가 존재한다. 틸라코이드막에는 빛을 포획하는 장치와 전자전달계 및 ATP합성효소들이 존재한다. 이 막들은 각각의 납작한 소낭을 싸고 있는 개별단위들이 흩어져 있는 것처럼 보이지만 실제로는 잡혀진 구조의 연속적인 단일막이다. 각각의 틸라코이드는 서로 연결되어 있으며 포개져서 그라나를 형성한다.2. 광합성 과정:(1)명반응 (Light reaction)H2O + light energy ---> ½ O2 + 2H+ + 2 electrons일명 광합성의 전자전달반응이라고도 한다. 틸라코이드 막에는 빛을 포획하고 이용하는 특수한 구조인 " 광계Ⅰ (photosystemⅠ;PSⅠ)"과 " 광계Ⅱ(photosystemⅡ ;PSⅡ)"로 불리는 두 복합체가 있다. 각 광계에는 빛을 포획하여 그 에너지를 축적하는 광수확안테나와 에너지가 축적되는 수용부인 반응중심이 있다. 광수확안테나는 엽록소 a, b, 카로티노이드로 구성되며 이들 엽록소는 고에너지 전자의 형태인 빛에너지를 잡아서 인접된 막단백질 복합체인 반응중추에 도달하도록 한다. 반응중추는 활성화된 전자를 엽록소로부터 주변으로 빨리 이동시켜 전자를 안정화시키고 엽록소는 전자를 잃어 양전하를 띤다. PSⅠ과 PSⅡ는 각각 700nm와 680nm 파장의 빛을 흡수하므로 P700, P680이라고도 불린다.광합성의 명반응은 크게 비순환적 광인산화와 순환적 광인산화로 나뉜다.1) 비순환적 광인산화 (noncyclic photophosphorylation)PS I과 PS II가 함께 작용하여 화학삼투기울기를 형성하고 NADP+를 NADPH 로 환원시키는 과정이다.2)순환적 광인산화 (cyclic photophosphorylation)PS I만 작용하는 경우로 ATP 합성을 위한 화학삼투 기울기만 형성한다.비순환적 광인산화 과정은 빛이 PS II의 광수확 안테나에 흡수됨으로써 시작된다.빛에너지에 의해 광계Ⅱ 가 빛을 받으면 반응중심을 둘러싼 수많은 엽록소 중 어느 하나에서 광자(photon)를 받아들이게 되고 이 광자는 공명(떨림)작용에 의해 인접한 엽록소에 차례로 전달되어 결국 반응중심의 특정 엽록소 쌍에 도달하게 된다. 반응중심의 엽록소 a는 광자 즉, 고에너지를 전자에 전달하여 활성화된 전자는 외부로 방출된다.(전자의 산화)이로써 전자 하나를 잃은 엽록소a의 공백상태는 망간을 함유한 단백질에 의해 환원되게 되는데 이 단백질이 전자를 얻는 과정은 광계Ⅱ 의 반응중심에는 물을 분해하는 효소(단백질)가 있어 이를 이용하여 루멘(기질)에 다량 존재하는 물을 분해할 수 있다. ( H2 O -> 2e- + 2H+ + 1/ 2 O2 )이때 생성되는 산소는 단백질 내 망간분자가 붙들어 두게 되고 또 전자를 뽑아내게 된다. 전자는 이로써 채워지게 되고, 광합성 결과 생성되는 산소는 바로 이 과정에서 이루어진다. 또한 물에서 하나의 전자가 분리될 때 동시에 하나의 양성자가 루멘으로 방출되므로 이후에 양성자 기울기 형성을 돕게된다.광계Ⅱ 의 반응중심에서 방출된 들뜬 전자는 이 후 인접한 여러 전자수용체들을 거치며 에너지 생성에 기여하게 된다. 전자는 세포막을 거치며 전자수용체를 통해 이동해가는 것은 에너지 생산에 필수적인 과정이다.※ 양성자 농도기울기 형성 : PQ에 의해 스트로마로부터 유입되는 양성자와 물의 분해에 의해 생성되는 양성자에 의해 형성 된다.틸라코이드막에 존재하는 ATP합성효소가 막의 스트로마 쪽에 ATP를 생성하게 되는데 이때 양성자 구배가 원동력으로 작용하게 된다.광계Ⅰ역시 광자의 유입으로 전자를 잃게되는데(산화) 이 공백은 광계Ⅱ에서 유리된 전자를 받아들이면서 메꾸게 된다 ( 환원 ) 즉, P700 반응중심의 환원은 P680 전자에 의해 일어난다.광계Ⅰ은 광계Ⅱ보다 높은 에너지 수준에서 출발하도록 계획되어 있기 때문에 광계Ⅰ은 높은 에너지 수준에서 끝나고 따라서 NADP+로부터 NADPH를 형성하기에 필요한 높은 에너지 수준으로 전자를 끌어올릴 수 있다. 결국 광계Ⅱ에서 유리된 전자는 NADPH로 옮겨졌음을 알 수 있다. 들뜬 PS I 전자 에너지를 사용해 NADP+를 NADPH로 환원 된다. 이 때 P700 반응중심에서 온 2개의 전자와 스트로마로부터 유입된 2개의 양성자가 필요하다.그 다음으로 진행되는 순환적 광인산화 과정은 NADPH를 생성하지 못하는 대신 광계Ⅰ전자의 에너지를 이용해 스트로마로부터 루멘으로 양성자를 펌프하게 되는데 따라서 ATP의 생성만을 돕게되는 과정이다. 이 과정은 암반응이 산화된 NADP+를 명반응으로 되돌려 보낼때까지 계속된다.(2)암반응 (Dark reaction)CO2 + H2O + light energy ---> (CH2O)n + O2ATP는 쉽게 사용될 수 있는 에너지원으로 모든 생물체는 이를 사용한다. 세포내 대사 과정을 통해 에너지가 생성되면 먼저 ATP로 전달되고 또한, 에너지가 필요할 때 이 ATP로부터 꺼내어쓴다.CO2 + NADPH + H+ ATP -> C6 H12 O6 + NADP+ + ADP + Pi◆ Calvin Cycle (캘빈 회로)반응1] CO2 고정단계 (carboxylation : 카르복시화 반응)ribulose bisphosphate (리불로우스 이인산, RuBp)의 2번 탄소에 CO2가 첨가되어불안정한 6탄당 중간산물을 형성한후 가수분해되어 두 개의 3탄당 (3-PGA)산물을 얻는다. (카르복시화 촉매 효소: Rubisco )반응2] 환원 단계3-PGA는 ATP를 사용하여 인산화되면서 반응성이 큰 1,3-diphosphoglyceric acid(글리세르산 이인산;DPGA)을 만들고 계속해서 효소에 의해 DPGA의 인산기를 H+로 치환하여 3-phosphoglyceraldehyde(글리세르알데히드-3-인산;3-PGald)를 생성한다. 떨어진 인산은 NADP+및 ADP와 함께 명반응으로 되돌아간다.반응3] 재생성 단계PGald는 캘빈회로에서 빠져나가 포도당경로/기타생성물 경로"로 진행하거나 캘빈회로를 계속 유지시키기 위해 RuBp를 재합성하는 재생성경로를 선택해서 들어가게 된다.◆ Calvin Cycle 의 특징 ◆1. Rubisco 반응은 3-PGA 합성방향으로 높은 평형을 이룬다 (△Go= -35.1KJ)2. Rubisco는 대기중에서 비교적 낮은 농도로 존재하는 CO2에 대한 친화도가 크다.3. RuBp는 카르복시화 산물로부터 순환, 재생산된다 (회로자체는 중단없이 작동)4. 회로는 3탄당 인산의 형태로 고정된 탄소를 순생산한다.(회로를 세 번 돌면 여섯 개의 삼탄당인산을 형성하는데 그 중 다섯개는 3RuBp를 재생산하는데 쓰이고, 나머지 하나가 광합성 최종산물를 형성하는데 이용된다)Calvin Cycle은 생물에서 발견된 화학에너지가 순증가하는 유일한 시스템이며 그 기작과 조절방식은 모든 식물에서 유사하다. C3 광합성 : Calvin Cycle 회로 최초산물이 3-PGA 3탄소 화합물이 대사과정에서열악한 환경에 대처하기 위해 CO2를 축적하는 부차적 대사 시스템을 도입한다.▶ C4 광합성◆ C4 식물: 다수의 열대성 초본류를 포함하는 일부식물에서 발견된다.(단자엽식물:사탕수수, 옥수수.../ 쌍자엽식물:명아주과, 국화과...)관속초(vascular bundle sheath)의 유세포에 엽록체가 발달되어있다.◆ C4 광합성 과정a. 포스포엔올피루브산(PEP)가 카르복실화되어 에너지 소비없이 엽육세포에서 최초산물로 4탄소 유기산(옥살초산을 거쳐 말산 또는 아스파르트산)을 생성한다.b. 이 유기산이 유관속초 세포내로 이동한다.c. 유기산이 탈카르복실화되며 피루브산을 생성 또한, 생성된 CO2는 Rubisco효소에 의해 유관속초 엽록체의 Calvin Cycle에 동화된다.d. 탈카르복실화된 화합물(피루브산)은 엽육세포로 돌아와 PEP로 재생, CO2고정에 대비한다.

자연과학| 2000.10.27| 6페이지| 1,000원| 조회(2,615)

광합성, 캘빈회로, 명반응, 암반응

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