DNA 크기와 연약성

대부분의 진핵 DNA는 정해진 세포핵 안에 위치하고, 박테리아와 고세균의 DNA는 세포질에 위치한다.

바이러스와 살아 있는 생물에 있는 DNA 분자는 광범위한 크기와 염기 구성을 갖고 있다. 생물계는 진핵생물(eukaryote), 박테리아, 고세균의 세 가지 범위로 나뉜다. 진핵세포는 세포핵(cell nucleus)이라 불리는, 세포의 DNA가 들어 있는 막으로 구분된 영역을 가진다. 세포핵 안의 DNA는 여러 개의 염색체로 나뉘어 있다. 각 염색체 안의 긴 DNA 분자는 히스톤(histone)이라고 불리는 기본 단백질로 만들어진 단백질 복합체를 감고 있다. 구분된 세포핵이 없는 박테리아와 고세균은 세포질 안에 하나의 DNA 분자를 가지고 있다. 핵이 없는 세포는 원핵생물(prokaryote)이라고 불린다. 박테리아와 고세균은 둘 다 핵이 없기 떄문에 원핵생물로 분류되지만, 박테리아와 고세균의 대사 시스템은 그들의 시스템이 진핵생물의 대사 시스템과 다른 만큼 서로의 것과도 다르다.

DNA 분자는 크기와 염기 구성이 다양하다.

많은 바이러스, 박테리아, 진핵생물의 DNA 분자의 크기는 염기쌍(base pair)의 갯수로 알려져 있다. 각각 다른 종류의 바이러스에서 추출한 DNA 분자들은 크기가 매우 다양하지만, 박테리아에서 추출한 DNA 분자는 훨씬 적은 크기의 다양성을 보인다. 진핵생물의 핵 안의 각 종류의 염색체는 고유의 크기를 가지는 DNA를 포함한다. 일반적으로 더 복잡한 유기체는 단순한 유기체보다 더 많은 DNA가 필요하다.

DNA 분자는 연약하다.

DNA 분자는 길고 얇기 떄문에 유체역학 전단 힘에 의한 절단에 매우 취약하다. 파이펫 사용, 용액 붓기와 혼합하기 등의 평범한 실험실에서 하는 조작은 DNA를 파괴하는 전단 힘을 제공하기에 충분하다. 약 300,000bp 보다 짧은 부서지지 않는 DNA 분자는 보통 바이러스로부터 분리될 수 있다. 엄청난 주의를 하지 않는 한, 더 큰 DNA 분자는 분리 중에 거의 항상 손상되기 때문에 분리된 DNA의 평균 길이는 주로 40,000bp 정도이다. 예를 들어 박테리아 DNA는 분리할 때 50에서 100개의 조각으로 절단된다.

-. DNA의 큰 홈(major groove), 작은 홈(minor groove)의 인식 패턴

효소들은 큰 홈과 작은 홈의 모서리에 있는 특정한 패턴을 인식할 수 있다.

DNA의 길이와 연약성은 연구자들이 DNA를 시험관 내에서 연구하는 것을 어렵게 한다. 그러나 이 어려움은 기술적인 문제일 뿐이어서 DNA가 어떻게 작용하는지에 대한 우리의 기본 개념에 영향을 주지는 않는다. 더욱 근본적인 문제는 염기쌍이 나선구조 내부에 존재한다는 사실로 인해 발생한다. 그것 때문에 처음에는 효소들이 어떻게 특정한 염기 서열을 인식하고 그곳에 작용하는지 보기가 어려웠다. 이 문제에 대한 한 가지 가능한 해결책은 DNA 나선구조를 형성하는 두 가닥을 풀어주는 것이다. 이중가닥 DNA가 풀린 상태에서도 많은 효소는 나선구조의 염기 서열은 인식할 수 있는 것으로 보인다 공간 채움 구조는 큰 홈과 작은 홈의 모서리에 효소가 접근할 수 있음을 보여준다. 이 홈은 당 고리가 염기쌍의 한쪽과 더 가까이 있기 때문에 생긴 것이다. 홈의 모서리에는 수소 결합 시에 수소를 주개(donor)와 받개(acceptor), 무극성 메틸기, 수소 원자가 있다. 네 염기쌍은 큰 홈의 모서리에서는 각각 다른 독특한 패턴을 나타내지만 C-G, G-C, T-A, A-T 염기쌍은 작은 홈의 모서리에서는 같은 패턴을 나타낸다. 이 패턴들은 효소가 서열을 나선 밖에서 읽을 수 있게 해 준다.

-. DAN 휨

몇몇 염기 서열은 DNA를 휘게 한다.

염기 서열의 막대한 다양성이 DNA에서 관찰된 바 있다. 비록 대부분은 DNA 구조에 영향을 주는 특별한 특성이 없지만, 몇몇은 가지고 있다. 예를 들어 A-지역(A-tracts)이라고 불리는 계속된 4~6개의 인접한 아데닌기가 있는 지역은 DNA를 휘게 만든다. R이 퓨린이고 Y가 피리미딘인 5'-RGCY-3'와 같은 다른 서열 또한 DNA를 휘게 한다. 그러므로 B-DNA의 부분적인 구조는 일반적인 선형 나선구조와 조금은 다를 수 있다.

-. DNA 변성과 복원

DNA는 변성될 수 있다.

Watson-Crick 모델이 처음에 제안되었을 때 많은 연구자는 DNA 가닥이 아주 길어 이중나선을 풀어서 가닥을 분리한다는 것은 불가능하다고 생각하였다. 이러한 염려를 해결하려는 시도로 생물리학을 연구하는 화학자들은 시험관 내에서 DNA 가닥을 분리할 수 있다는 것을 보여주려고 시도하였다. 그들은 DNA를 물리적 혹은 화학적 물질로 처리하여 공유 결합은 파괴시키지 않고 염기쌍을 형성하고 있는 약한 비공유 결합을 파괴하여 2개의 가닥을 분리시키는 방향으로 접근했다. 1950년대 말, Paul Doty(폴 도티)와 동료들에 의한 노력은 DNA 용액에 열을 가하면 점성(액체의 흐름에 대한 저항)이 현저하게 떨어진다는 것을 밝혀냈다. 이 관찰은 이중나선구조가 열에 의하여 붕괴된다는 것을 의미한다고 해석될 수 있다. 선형 이중나선이 분리된 단일가닥으로 바뀌어서, DNA 구조가 붕괴된 것으로 보인다. 몇 개의 다른 종류의 실험이, DNA 용액이 가열되었을때 2개의 가닥이 풀려서 분리된 가닥을 형성한다는 것을 확립하는 데 도움을 주었다. 예를 들어 가열 전의 DNA의 질량/길이 비율이 가열 후의 것보다 두 배가 되었고, 단일가닥 DNA에 작용하는 디옥시로핵산가수분해효소가 가열 전에는 그렇지 않다가 가열 후에 작동한다는 것을 보여주었다. 이중나선구조로부터 임의로 꼬인 단일 가닥으로의 변화를 변성이라고 한다.