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DNA & Double Helix 물리현상의 원리 8조 DNA & Double Helix • • • • • • 물리학과 생명과학(DNA) X선 회절 DNA 구조 DNA와 자외선 Human Genome Project와 인간복제 21세기의 생명과학 물리학과 생명과학 • 현미경 • DNA의 발견 • DNA 구조 연구 현미경 • 사람의 눈으로 관찰 이 불가능한 미세한 물질을 광학 렌즈와 적당한 빛을 이용하 여 표본을 자신이 원 하는 크기로 확대시 켜 주는 것 눈의 구조 • 구조상 사진기와 비 슷 현 미 경 광 선 의 원 리 DNA의 발견 • 미셔는 환자의 고름이 묻은 천에서 Nuclein(DNA 포함 물질)을 발견하였다. DNA 구조 연구의 선구자들 • • • • • • Erwin Chagarff Linus Pauling Rosalind Franklin Mauris Wilkins James Dewey Watson Francis Crick Erwin Chagarff • A-T, G-C의 염기만 이 서로 결합한다는 상보성을 보여주는 실험 결과 발표 Linus Pauling • DNA는 나선의 모양 임을 발견 Franklin & Wilkins • X선 회절법으로 DNA의 규격을 밝힘 Watson & Crick • DNA가 이중나선임 을 밝힘 • DNA 구조 모형 제작 • 왓슨과 크릭은 1953년 ‘Molecular Structure of Nucleic Acids’란 제목의 논문에서 DNA 구조를 밝힘 으로써 노벨상을 받았다. X선 회절(X-ray diffraction) • X-Ray • X선 회절 • DNA 구조 발견 X선(X-Ray)이란? • X선의 본질은 빛을 비롯한 라디오파, 감마선 등과 함께 파장이 각기 다른 전자기파에 속한 다. X선의 발견 • X선이 처음 발견된 것은 1985년 독일의 물리학자 뢴트겐에 의해서 였다. X선의 성질 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 사진작용 형광작용 이온화작용 진공 중에서 빛과 같은 속도로 진행한다. 회절(Diffraction) 현상을 갖고 있다. 굴절률이 거의 1 에 가깝다. 투과력이 커서 의료에 이용하여 몸의 뢴트겐 Roentgen)사진, 공업용으로는 재료시험에 이용한 다. X선의 발생 • X선은 진공 중에서 고전압에 의해 가속된 초 고속의 전자를 만들어 음극에 충돌시키면 발 생한다. X선의 강도(Intensity) • 계수관(Counter)으로 측정하여 단위시 간당 Counter에 들어온 광양자의 개수 (Counts per Sec.)를 나타낸다. X선의 스펙트럼(Spectrum) • 연속X선(Continuous X-Ray) • 특성X선(Characteristic X-rays) 연속X선(Continuous X-Ray) • 이것은 전자가 가지 고 있던 운동에너지 의 일부가 X선 광양 자로 바뀌며 생기는 제동방사 (Bremsstrahlung)이 다. 특성X선(Characteristic X-rays) • 특성X선의 파장은 Target물질을 구성 하고 있는 원소에 따 라 고유한 값을 갖고 있으며 K,L,M,…등 의 계열로 분류된다. Characteristic X-rays • 원자에서 입사전자 의 운동에너지가 전 자의 결합에너지보 다 크면,그 각의 전 자를 떼어낸다. (광 전효과) X선 회절(X-Ray Diffraction) • X선 파장의 범위는 0.01Å~100Å인데 그 중 X선 회절에 이 용되는 파장은 0.5Å~2.5Å이다. Laue와 Bragg • 독일의 라 우에와 영 국의 브래 그는 X선 회절에 대 한 연구로 원자의 구 조를 밝혔 다. 회절 현상 • X선이 결정 내 원자간 거리와 비슷한 파장을 가진 전자기파라면 결정에 의해 회절 되리라 고 추정되었는데 이것을 실험적으로 증명한 것은 1912년 독일의 Von Laue 이다. 이것은 X선의 파동성과 원자의 규칙적인 배열을 동시 에 실증하였다. • Bragg부자는 이 실험결과를 해석하여 간단한 수식으로 표현하였고, X선 회절을 이용하여 각종 물질의 결정구조를 제공하였다. What is Diffraction? • 회절이란 둘 이상의 Wave간의 보강이나 상쇄 간섭으로 일어 난다. 보강간섭과 상쇄간섭 • 보강 간섭 • 상쇄 간섭 결정격자면(Lattice Planes) 브래그(Bragg)의 법칙 X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometer, XRD) • 결정 내의 원 자 위치에 관 한 구조적 정 보는 X선이나 중성자 beam 이 만드는 예 리한 회절 spot으로부 터 유추될 수 있다. X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometer, XRD) • 결정이 회절기에 장입된 후 회절spot이 측정 되며, 새로운 각도로 회전된 후 측정이 반복된 다. X선 회절 분석기 (X-Ray Diffractometer, XRD) DNA 구조 발견 • • • • James Watson Francis Crick Maurice Wilkins Rosarind Franklin • X선은 간섭현상으로 인하여 서로 다른 강도의 spot을 만들고 이것을 필름에 기록할 수 있다. • Spot들은 특이한 형태의 분자 사진을 그려내었다. • DNA를 결정화 시킬 수 없었으므로 두개의 다른 형태 의 사진을 얻게 되었다. • 프랭클린은 더 많은 Spot을 가진 사진에 관심 을 가졌고, DNA분자의 기본적인 크기들을 계 산할 수 있었다. • 프랭클린이 다른 X선 사진으로 연구하는 동안 왓슨과 크릭은 이처럼 간단한 형태의 사진에 관심을 가졌다. • X선 사진의 “X”자 형태는 나선구조를 밝히는 핵심적인 것이었다. • X선 사진의 형태가 규칙적이라서 나선의 구조 또한 명백했다. 예를 들어 나선의 직경이 어느 곳이나 같다. • 회절형태에서 가까운 점들 일수록 실제로는 거리가 더 멀다. • 나선의 높이는 34Å이고, 나선 1회전 당 10개 의 뉴클레오디드가 있으므로 기본 염기쌍간 거리는 3.4Å이다. • 나선의 pitch가 “X”형태의 각으로 결정된다. • 나선을 여러 각도로 돌려 보면 “X”형태와 pitch의 관계를 알 수 있다. • 왓슨과 크릭은 X선 회절로부터 DNA는 이중나 선구조라는 것을 깨달았고, 프랭클린과 윌킨 스는 기본적인 크기를 알게 해 주었다. DNA의 구조 • • • • • DNA와 Nucleotide 염기(Base) 상보성 DNA 구조 다른 형태의 DNA DNA란 무엇인가? • DNA(Deoxyrobonucleic Acid) • 모든 생물에 존재하며 유전현상을 담당하 는 물질 • 사슬 모양의 정보 고분자 물질 • 여러 개의 뉴클레오티드(Nucleotide)로 구 성 • 원소:탄소, 산소, 질소, 인, 수소 뉴클레오티드(Nucleotide) • 염기(Base), 당 (Sugar), 인산 (Phosphate)으로 구 성 • 나선의 1회전은 10 개의 뉴클레오티드 로 형성 • Base+Backbone 뉴클레오티드의 종류 염기(Bases) • 질소를 포함 • 염기성 • 퓨린(Purine) • 6각형고리+5각형고리 • 피리미딘(pyrimidine) • 하나의 6각형고리 퓨린(Purine) • 아데닌(Adenine) • 구아닌(Guanine) 피리미딘(pyrimidine) • 시토신(Cytosine) • 티민(Thymine) 또는 우라실(Uracil) 염기쌍(Base Pairs) 규칙 • DNA 이중나선의 두께를 일정하게 유지 • 퓨린(Purine)-피리미딘(pyrimidine) 샤가프의 실험 샤가프의 법칙 • 같은 생물종이 지닌 퓨린의 양(A+G)과 피리미딘의 양(T+C)은 같다. • A와 T의 양이 같고, G와 C의 양이 거의 같다. • 즉 아데닌(A) : 티민(T) = 1 : 1이고, 구아 닌(G) : 시토신(C) = 1 : 1인 것이다. 염기의 크기 비교 G+T와 A+C의 크기 비교 T+C와 G+A의 크기 비교 A+T와 G+C의 크기 비교 상보결합의 규칙 • 한쪽 사슬의 염기배열을 결정하면, 다른 쪽 사슬의 염기배열이 자동적으로 결정 • A=T (아데닌-티민) • G≡C (구아닌-시토신) A(아데닌)=T(티민) G(구아닌)≡C(시토신) DNA 구조의 특성 • 방향성 • 역평행(Antiparallel) • 상보결합 방향성 • 5’3’ 방향으로 결 합 진행 역평행(Antiparallel) • DNA의 두가닥 사슬은 서로 반대방향으로 되 어있다. 상보결합 (complementary sequence) 이중나선(Double Helix) • 여러 개의 뉴클레오 디드가 결합된 긴 사 슬의 상보적 결합 • 알파 나선이라고도 함 • 다양한 형태의 DNA 존재 여러가지 형태의 이중나선 선형과 환형 DNA DNA와 자외선 • • • • DNA 손상 자외선 자외선과 인체 자외선 살균 DNA 손상이란? • DNA의 여러 구성성분의 화학구조가 생 물학적으로 의미있는 변화를 일으킨 것 • 상해의 정도에 따라 돌연변이, 기형, 암 유발, 노화, 세포의 죽음 등의 결과가 초 래 • 세포 내에 자체적인 회복기구가 존재하 여 수복 DNA가 손상되는 원인. • 전리방사선 • 화학물질 • 자외선 전리방사선 • X-ray, cosmic ray, gamma ray • 물질을 이온화시키고 투과성(유리 등도 쉽 게 투과) → 동식물의 돌연변이 유발에 많 이 쓰임 화학물질 • 염기 유사물 • DNA와 반응하여 염기의 pairing 변화 • 담배, 배기 gas, 세제 (cleaning agents), 살 충제(pesticide) 등에 많 은 양이 존재 • 음식(양배추, 상추, 시금 치, 홍차 등)이나 (특히 숯불에) 탄 고기류에도 극미량 존재 자외선 • 태양광의 스펙트럼을 사진 으로 찍었을 때, 가시광선 의 단 파장보다 바깥쪽에 나타나는 눈에 보이지 않 는빛 • 파장이 약 390nm ~ 400nm인 전자기파의 총칭 • 화학선이라고도 불린다. 전자기파 스펙트럼 자외선의 4대 작용 1. 2. 3. 4. 광화학 반응(화학선:365nm) 홍반현상(건강선:297nm) 살균작용(살균선:253.7nm) 오존(O3)발생(오존발생자외선:184.9nm) 자외선과 인체 • 생명체에 영향을 미치는 자외선 • 자외선 C (UVC) • 자외선 B (UVB) • 자외선 A (UVA) UVC(자외선 C) • 파장 200∼280nm 사이의 자외선 • 생명체에 치명적 • 대기권의 오존층에서 완전하게 흡수 지표면까지 도달하지는 않음 UVB(자외선 B) • 파장 280∼320nm 사이의 자외선 • 일광화상(Sunburn 또는 Erythema)의 원 인 • 피부의 염증반응 유발 UVA(자외선 A) • 파장 320∼400nm 사이의 자외선 • 피부의 진피층까지 투과 • 피부암이나 피부 노화를 촉진 자외선이 인체에 미치는 영향 • 유전물질인 DNA를 파괴 • 면역체계를 혼란 • 피부암 발생 자외선에 의한 피부질환 • 자외선에 의하여 파 괴된 DNA가 불완전 하게 복구되거나 자 외선에 의해 혼란된 면역체계가 비정상적 으로 작동되어 암 발 생과 연관된 유전자 가 자외선에 의하여 작동되어 피부암이 발생 DNA의 안정성 • • • • Backbone에 의한 보호 Histone에 의한 보호 DNA의 상보성 DNA Repair System Backbone • DNA 구성요소 뉴클 레오티드(염기+당+ 인산) 중 유전정보를 가진 염기는 Backbone(당-인산 골격)으로 보호 Histone • DNA는 histone 단백 질에 결합되 어 직접적으 로 자외선에 노출되지 않 음 DNA 상보성 • DNA의 두 사슬이 상보적 • 한쪽의 정보가 변해도 보정 가능 DNA Repair System • DNA 규칙성이 어긋 나면 정교한 작용으 로 고침 돌연변이 • DNA Repair System으로 수복 불가능 • 대부분의 피부암이 UV에 의한 돌연변이 를 고치지 못하기 때문 자외선 살균 • 자외선은 DNA 의 상보결합을 깨뜨리고 티민2 량체(Thymine dimer)를 생성 정상적인 기능 을 할 수 없게 만듦 자외선의 파장별 살균 비율 Human Genome Project와 인간복제 • Human Genome Project • 복제 • 인간복제와 윤리 Genome Project의 정의 • Genome(게놈) =gene(유전자)+ chromosome(염색체) • DNA 서열을 밝히는 일 Human Genome Project • 정의 • 연구 • 목적 Human genome Project의 정의 • DNA=아데닌(A), 티 민(T), 구아닌(G), 시 토신(C)의 4가지 염 기가 나열된 이중 나 서 구조 • 유전자 약 10만개 • 염기 약 30억쌍 Human genome Project의 연구 • DNA 서열을 밝힌다 =염기의 서열을 밝 힌다 • 1990년 NIH와 DOE 의 주도하에 18개의 국가가 참여한 형태 로 2003년 완성될 계획이다. Human genome Project의 목적 • 인간 DNA안에 있는 10만개의 유전자를 규명 • 인간 DNA를 구성하고 있는30억개의 염기쌍 의 서열을 밝히는 것 • 데이터 베이스에 이들 정보를 저장하는 것 • 프로젝트로부터 개발된 개인 영역까지 이전시 키는 것 • ELSI(Ethical, Legal, Social Implications, Reasearch Program)을 말하는 것 게놈 지도 • DNA에 담겨 있는 각각의 유 전정보의 위치 • NCBI 홈페이지 참고 NCBI 홈페이지 Human genome Project의 이용 • 암과 같은 각종 질병(특히, 유전병)의 퇴치 • 혈흔을 이용하여 범인을 색출 • 장기 손상을 대비하여 장기를 인공적으로 만 들어 놓음 • 인간 복제 복제 복제 양 돌리 • 1997.2.27 복제 양 탄생 • 체세포를 이용한 복제 돌리 복제 순서 • 복제양 돌리의 탄생 • 정자와 난자가 결합하는 정상적인 수정 과정을 통해서 태어난 것이 아니라 성숙 한 동물 세포의 핵으로부터 한 마리의 새 로운 개체가 태어난 것이었다. 인간 복제와 윤리 • 인간복제는 인간 인격이 갖는 개별성,독 립성, 유일회적인 가치에 깊은 손상을 끼친다. • 시간과 공간의 격차로 태어난 복제 인간 들이 심리적 사회적 갈등으로 혼란을 야 기시킨다. • 인간의 존엄성 파괴 Human Genome Project의 진척과 전망 • 우리나라의 게놈프로젝트 • 1996년에야 생명 공학연구 소에 게놈사업단이 생김 • 1999년 12월부터 실질적 인 게놈 연구 들어감 • 1백억 원씩 10년간지원할 계획 Human Genome Projet의 효과 • 긍정적 효과 • 부정적 효과 긍정적 효과 • • • • • • • • • DNA Chip 에너지 환경 멸종생물의 복원 식량문제 의약품 생산 생체 모방의 제품의 생산 유전자 치료 혈흔을 이용한 범인 색출 부정적 효과 • • • • • • • • 낙태 보험 고용 범인 색출 프라이버시 배아치료 체세포 치료 특허 • 인간 게놈 분석이 가져 다 줄 정보는 매우 유용하지만, 사용을 잘못하면 돌이킬 수 없는 결과를 초래할지도 모르는 ‘양날의 칼’ 이다. 우리는 이점을 항상 염두에 두지 않으면 안된다. 21세기의 생명과학 • 생명과학에 사용되는 물리학 • 생명과학의 미래 생명과학에 사용되는 물리학 • 광학현미경 • 핵자기공명(NMR) • 전기영동법 광학현미경 • 자외선에 의한 형광현상을 이용 • 자외선 발생장치와 광원(光 源)필터를 사용하여 암실 또 는 반암실 내에서 보통의 광 학현미경에 의해 관찰 • 개개의 시료에 따라서 적합 한 형광색소를 선택 형광 현미경을 통해 본 염색체 핵자기공명 (NMR) • 원자핵의 자기화(磁氣化), 즉 핵자기에 의한 자기공명 현상 • 마이크로파의 진동수, 요컨대 에너지를 바꾸면서 자기장 안 에 놓인 시료(試料)를 조사(照 射)하면, 그 중의 필요한 에너 지의 마이크로파만을 흡수함 으로써 핵자기 공명흡수 스펙 트럼을 얻을 수 있다. 전기영동법 • 전기영동 • 전기장 안에서 하전된 입자가 양극 또는 음 극 쪽으로 이동하는 현상 • 아미노산, 뉴클레오티드, 단백질 들과 같 은 하전된 물질들을 분리하거나 분석하 는 데 매우 효과적인 수단으로 이용 프로테오믹스(Proteomics) 게놈프로젝트그 이후 • 프로테오믹스란? • 주어진 환경에서 Genome에 의하여 발현되는 단 백질들을 proteome이라 하며, 이를 연구하는 학문 을 Proteomics라고 한다. Proteomics가 대두되는 이유 • mRNA의 발현으로 단백질의 발현 예측 불가 • 단백질이 변형 (methylation, phosphorylation 등등) 된 것을 gene sequence에서는 알 수 없 음 프로테오믹스 응용 • 알츠하이머병 진단법 개발 • 암 억제, 유발 유전자 단백질 규명 생명과학의 Good Future • 의학 분야 • 사회 분야 • 환경 분야 의학적으로 기대되는 연구들 • • • • 의약품의 생산 생체 모방 제품의 생산 유전자 치료 불로 장생에 도전하는 유전자 사회적으로 기대되는 연구들 • 조작할 수 있는 인간 • DNA 지문 검사 • 자신과 같은 지문을 가진 사람을 만날 확률 은 640억 분의 1 환경적으로 기대되는 연구들 • 환경 정화 • 멸종생물 복원 • 유전자 조작 식품 미래 생명과학의 Bad Future • 윤리적 문제 • 사회적 문제 윤리적인 문제점 • 얻어지는 유전정보를 이용한 개인 자료 의 철저한 보호 • 정치적, 사회적 악용 • 정상, 비정상 구분의 모호성 • 유전자의 무분별한 변형 및 향상 • 유전정보가 효용 있는 곳에 제대로 사용 되는가? • 유전자를 이용한 인류의 통제 사회적인 문제점 • • • • • 유전자 조작을 통한 맞춤 인간 생물 다양성 파괴 인구 폭발 유전 정보의 유출 - 상업적 악용 의료보험 문제 우리들이 해야할 노력 • • • • 자신의 DNA 관리 지식 축적 윤리 의식 변화에 대처 조원 및 참고문헌 • Homepage http://myclubwww.korea.com/mjgum p • Reference • • • • DNA from the Beginning Oh! Genetics NCBI An Introduction to GENETICS ANALYSIS • Softdisc 조원 이명준 이용희 김경민 이창협 임병하 김대원 류정희 1996022890 1996022964 2001020975 2001021406 2001021439 2001021622 2001021826