기획·칼럼

유전자는 어떻게 우리 몸의 모양과 기능을 만들어낼까?

[만화로 푸는 과학 궁금증] DNA와 우리 몸을 만드는 단백질의 관계

소에서 태어난 송아지는 소의 몸을 갖고 사람에게서 태어난 아기는 사람의 몸을 갖는다. 또한, 자식은 부모의 모습을 닮는 건 너무나 당연한 이치이다. 이렇게 부모의 생김새나 특징이 자식에게 전해지는 현상을 유전이라고 하고, 그 유전 정보는 자식이 부모에게서 물려받은 유전자에 담겨있다.

 

유전 정보를 담은 DNA

 

유전자는 우리 몸을 이루는 세포의 핵 속에 있다. 세포핵에는 DNA가 있는데, 이 DNA에 유전자가 있다. DNA의 기본 단위는 염기와 당, 인산이 결합한 물질인 뉴클레오티드이다.  이 뉴클레오티드는 반복하여 이어져 사슬처럼 일렬로 늘어서고, 이 사슬 두 가닥이 서로 마주 보며 만든 이중나선이 바로 DNA다. 한 가닥에 있는 염기 사슬의 염기와 마주 보는 가닥에 있는 염기 사슬의 염기는 서로 잡아당기는 힘이 있는데, 이 힘으로 이중나선 모양이 유지된다. DNA에 있는 염기는 4종류로 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신)이다. 이 4종의 염기는 각각 잡아당기는 상대가 정해져 있다. 아데닌은 티민, 구아닌은 시토신을 서로 잡아당기며 결합한다.

우리 몸에 있는 DNA를 부모에게서 물려받은 한 권의 책이라고 한다면, 이 책에는 우리 몸의 유전 정보들이 적혀 있다. 이 정보는 문자 대신에 화학물질인 4종의 염기로 쓰여 있다. 알파벳이 A에서 Z까지 26개의 문자로 이루어졌다면 유전 정보를 담은 책의 문자는 A(아데닌), T(티민), G(구아닌), C(시토신) 4개이다. 이 4가지 염기가 어떤 순서로 배열되어 있느냐가 바로 유전 정보이다. 유전 정보를 담은 책은 몸을 이루는 세포의 핵 모두에 사람마다 똑같은 모습으로 한 권씩 있다.

DNA는 염기와 당, 인산이 결합한 뉴클레오티드가 반복하여 이어져 사슬처럼 일렬로 늘어서고, 이 사슬 두 가닥이 서로 마주 보며 만든 이중나선이다. ⓒ윤상석

세포핵 하나에는 DNA 이중나선 46가닥이 들어있다. 이 가닥을 모두 연결하면 무려 2m나 되고 서로 마주 보는 염기쌍은 약 30억 개나 된다. 우리 세포핵에는 30억 개의 문자로 이루어진 책 한 권이 있는 셈이다. 그런데 이 염기쌍 모두가 유전자는 아니다. DNA의 염기 배열 전체에서 유전 정보가 위치한 부위가 따로 있는데, 이 부위를 유전자라고 한다. 30억 개의 문자 배열 여기저기에는 수천~수만 개의 염기쌍으로 이루어진 유전자들이 흩어져 있다. 인간 게놈에 있는 유전자 수는 약 20,000~25,000개인데, 인간 DNA의 전체 염기 배열 중에서 실제 유전자가 차지하는 비율은 약 2%에 불과하다.

 

우리 몸을 만드는 단백질

 

우리 몸은 물과 단백질, 핵산, 지질 등과 같은 고분자화합물로 이루어졌다. 그런데 단백질은 몸의 모양을 만들거나 몸에서 생명 현상이 일어나는 데 가장 중요한 물질이다. 자동차를 금속을 주된 재료로 만들듯이 우리 몸은 단백질을 주된 재료로 만들기 때문이다. 우리 몸은 피부나 근육뿐만 아니라 딱딱한 발톱, 눈의 수정체, 털까지 모두 단백질로 이루어졌고, 음식물을 분해하는 소화 효소처럼 생명체의 생명 현상을 조절하는 효소도 단백질로 만든다. 그런데 우리 몸의 단백질은 세포핵에 있는 DNA의 유전 정보에 따라 만들어진다. 결국, 부모에게 물려받은 유전 정보에 의해 우리 몸이 만들어지는 셈이다.

단백질을 만드는 과정은 다음과 같다. 우선 유전자가 있는 DNA 이중나선의 염기들 사이의 결합이 끊어져 1가닥씩 갈라진다. 그러면 DNA 두 가닥이 마치 닫혀 있던 지퍼가 열리는 모양이 된다. 이렇게 나뉜 나선형 사다리의 한 가닥에 붙어 있는 염기 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T)에 핵 속에서 떠돌던 RNA 뉴클레오티드들이 차례차례 연결되어 RNA 끈을 만든다. 이때 뉴클레오티드는 서로 잡아당기는 염기가 있는 곳에 달라붙으면서 DNA의 원래 염기쌍과 같은 정보를 RNA도 갖는다. 그러면서 RNA는 DNA의 유전 정보를 복제한다. 이때 RNA는 티민(T) 대신에 우라실(U) 염기를 사용한다. 이렇게 DNA의 유전 정보를 복제한 RNA를 메신저 RNA(mRNA)라고 한다. mRNA는 핵 밖으로 이동하여 단백질 합성 공장인 리보솜과 결합한다.

세포핵 안 DNA의 유전 정보를 복제한  mRNA는 핵 밖으로 이동한다.ⓒ윤상석

리보솜과 결합한 mRNA에 전이 RNA(tRNA)가 다가온다. 이 tRNA에는 mRNA의 염기 문자 3개와 결합할 수 있는 염기 문자 3개가 있고 그 반대편에 아미노산이 붙어 있다. 이 tRNA가 가진 3개의 염기 문자 배열에 따라 반대편에 붙는 아미노산의 종류가 정해진다. tRNA의 염기 문자 3개는 mRNA의 염기 문자와 결합한다. 예를 들어 ACA 염기 문자 배열을 가진 tRNA는 mRNA의 UGU 염기 배열과 결합한다. 리보솜이 mRNA의 염기 문자 3개씩 이동하고, 이동한 리보솜 안에서 mRNA에 결합하는 tRNA가 교체된다. 이렇게 해서 리보솜에 들어온 tRNA는 자신의 아미노산을 놓고 달아난다. 결국, tRNA가 온 순서대로 아미노산이 연결되어 아미노산의 끈이 생긴다. 이 아미노산 끈이 단백질이 된다. 하나의 단백질을 만들기 위해, 보통 50~2,000개의 아미노산이 이어진다. 단백질은 20종의 아미노산으로 만들어지는데, 일렬로 연결된 아미노산의 종류, 개수, 배열 순서에 따라 단백질의 종류가 결정된다. 이렇게 해서 핵 속에 있는 DNA의 유전 정보에 따라 우리 몸에서 만들어지는 단백질 종류가 결정되고, 이 단백질이 우리 몸의 모양을 만들고 우리 몸에서 일어나는 생명 현상을 조절한다.

단백질은 20종의 아미노산으로 만들어지는데, 일렬로 연결된 아미노산의 종류, 개수, 배열 순서에 따라 단백질의 종류가 결정된다.ⓒ윤상석

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