[바이오] 세포·DNA·RNA·단백질

세포: 생명체를 이루는 기본 단위

세포는 생명체의 구조와 기능을 이루는 가장 기본적인 단위다. 사람, 동물, 식물, 세균은 모두 세포로 구성되어 있다.

세포는 구조에 따라 크게 원핵세포와 진핵세포로 구분한다.

	원핵세포	진핵세포
대표 생물	세균, 고세균	사람, 동물, 식물, 곰팡이
핵막	없음	있음
DNA 위치	세포질의 핵양체 영역	핵 내부
세포소기관	제한적	미토콘드리아, 소포체 등 존재
세포질 리보솜	70S	80S

사람은 진핵생물이고, 장내 마이크로바이옴 분석의 주 대상인 세균은 원핵생물이다.

원핵세포에는 DNA를 둘러싼 핵막이 없다. 반면 진핵세포는 핵막으로 둘러싸인 핵 안에 DNA를 보관한다. 이 구조적 차이 때문에 세균과 사람의 유전정보 처리 방식, 단백질 합성 장치, 약물 반응이 서로 다를 수 있다.

DNA: 유전정보를 저장하는 분자

DNA는 생명체의 유전정보를 장기적으로 저장하는 분자다. DNA는 뉴클레오타이드(nucleotide)가 길게 연결된 고분자이며, 각각의 뉴클레오타이드는 다음 세 요소로 구성된다.

• 인산(phosphate)
• 당: 디옥시리보스(deoxyribose)
• 염기(base)

DNA의 염기는 네 종류다.

기호명칭

A	아데닌(Adenine)
T	타이민(Thymine)
G	구아닌(Guanine)
C	사이토신(Cytosine)

DNA에서 A·T·G·C가 배열된 순서를 염기서열(sequence)이라고 한다.

ATGCCATGCGTA...

DNA는 일반적으로 두 가닥이 서로 마주 보는 이중나선 구조를 이룬다. 두 가닥의 염기는 상보적으로 결합한다.

A ↔ T
G ↔ C

이 상보성은 DNA 복제의 기반이다. 한 가닥의 염기서열을 기준으로 반대 가닥의 염기서열을 만들 수 있기 때문에, 세포는 분열 과정에서 유전정보를 복사해 전달할 수 있다.

유전자: DNA 안에서 기능을 지정하는 구간

DNA 전체가 하나의 기능만을 의미하지는 않는다. DNA 안에는 단백질이나 기능성 RNA를 만드는 데 필요한 정보를 담은 여러 구간이 있고, 이를 유전자(gene)라고 한다.

예를 들어 세균의 DNA에도 단백질 생성, 에너지 대사, 세포 분열, 항생제 내성 등에 관련된 유전자가 존재한다.

DNA 전체
 └─ 여러 유전자
     └─ 각각 특정 단백질 또는 RNA 생성에 관여

즉 DNA는 전체 설계도이고, 유전자는 설계도 안에서 특정 기능을 담당하는 정보 단위라고 이해할 수 있다.

RNA: DNA 정보를 활용하기 위한 분자

DNA는 비교적 안정적으로 유전정보를 저장하지만, 세포는 DNA 정보를 그대로 사용하지 않는다. 필요한 유전정보는 RNA로 복사되어 단백질 합성에 사용된다.

DNA와 RNA는 모두 핵산이지만 몇 가지 중요한 차이가 있다.

	DNA	RNA
주된 역할	유전정보 저장	유전정보 전달·발현 조절·단백질 합성 참여
당	디옥시리보스	리보스
염기	A, T, G, C	A, U, G, C
가닥 구조	주로 이중 가닥	주로 단일 가닥
안정성	비교적 안정적	상대적으로 불안정

RNA는 DNA의 T(타이민) 대신 U(우라실)를 사용한다.

DNA: ATGC
RNA: AUGC

DNA 정보는 어떻게 단백질이 되는가?

 

생물학에서는 DNA 정보가 RNA를 거쳐 단백질로 이어지는 흐름을 중심 원리(central dogma)라고 한다.

DNA
  ↓ 전사(transcription)
RNA
  ↓ 번역(translation)
단백질

• 전사: DNA의 유전정보를 RNA로 복사하는 과정
• 번역: RNA의 정보를 바탕으로 아미노산을 연결해 단백질을 만드는 과정

단백질은 세포의 구조를 만들고, 화학 반응을 촉진하며, 물질을 운반하고, 외부 신호에 반응하는 등 다양한 역할을 수행한다.

RNA의 주요 종류

단백질 생성 과정에는 여러 종류의 RNA가 참여한다.

RNA 종류정식 명칭주요 역할

mRNA	messenger RNA	DNA의 유전정보를 리보솜으로 전달
tRNA	transfer RNA	아미노산을 리보솜으로 운반
rRNA	ribosomal RNA	리보솜의 구조와 단백질 합성 기능에 관여

mRNA는 단백질을 만들기 위한 정보를 전달하고, tRNA는 단백질의 재료인 아미노산을 가져온다. rRNA는 단백질을 합성하는 장치인 리보솜의 핵심 구성 요소다.

리보솜: 단백질 합성 장치

리보솜은 mRNA의 염기서열 정보를 읽고, tRNA가 운반한 아미노산을 순서대로 연결해 단백질을 만든다.

DNA
  ↓
mRNA
  ↓
리보솜이 mRNA를 읽음
  ↓
tRNA가 아미노산을 전달
  ↓
단백질 생성

세균의 리보솜은 70S, 사람 세포질의 리보솜은 80S로 구분된다.

• 세균 70S 리보솜: 30S 소단위체 + 50S 대단위체
• 진핵생물 80S 리보솜: 40S 소단위체 + 60S 대단위체

여기서 S는 단순한 크기가 아니라 원심분리에서의 침강 특성을 나타내는 Svedberg 단위다. 따라서 30S와 50S를 더해 80S가 되는 것은 아니다.

세균 리보솜의 작은 소단위체에는 16S rRNA가 포함된다.

 

다음 글에서는 이 16S rRNA 유전자가 왜 장내 세균을 구분하는 핵심 표지로 사용되는지, 그리고 시퀀싱 결과가 어떻게 ASV와 마이크로바이옴 데이터로 바뀌는지 정리한다.