핵산은 적시 적소에 단백질을 만드는 정보를 갖고 있다
대중들의 관심이 집중된 고분자는 DNA이다. 이 물질의 기능상 특징 때문에 DNA는 세포를 관장하는 분자이다. 약 60년 전에 James D. Watson과 Francis H. Crick에 의해 제안된 DNA의 3차원 구조는 나선형의 2가닥이 서로 밧줄 모양처럼 꼬여서 형성된 이중나선이다. DNA의 이중나선 구조는 한 세대에서 다음 세대로 전해지는 유전적 특성, 즉 유전 현상을 설명하는 데 결정적이다.
DNA 가닥은 뉴클레오타이드라 불리는 단위체로 구성되었다. 뉴클레오타이드는 유기화합물로 고리 구조의 염기성 물질이므로 혹은 염기라고도 부른다. 4 종류의 뉴클레오타이드, 즉 A, T, C, G가 서로 결합하여 DNA 가닥을 형성할 때, 염기는 가닥 중심축으로부터 안쪽에 위치한다. 가닥 2개가 서로 마주 보며 안쪽에 위치한 염기끼리 결합하면서 꼬여 이중나선을 형성한다. DNA 이중나선에서 한 가닥에 위치한 염기가 A이면 다른 가닥에 위치한 염기는 T이고, G이면 C이다. 두 가닥의 염기 사이의 상보적 결합은 매우 강하여, 두 가닥이 서로 떨어져도 이들은 적당한 온도와 염 조건에서 다시 붙는다. 이런 현상은 핵산 혼성화이며 어떤 가닥과 상보적인 가닥을 찾는 데 유용하게 쓰인다.
DNA의 유전 정보는 가닥에 일렬로 연결된 뉴클레오타이드 즉 염기 서열에 있다. 유전자는 DNA의 특정한 조각에 해당하며 특정한 단백질을 만드는 정보를 갖고 있다. 일반적으로 유전자는 단백질의 아미노산을 지정하는 코딩 부위와 이 유전자의 발현을 조절할 수 있는 어떤 특이한 단백질이 결합하는 조절 부위로 구성된다.
생명체에 존재하는 유전자의 수는 세균에는 수천 개, 효모와 그 밖의 단세포 진핵생물에는 5,000개, 사람을 비롯한 메타존에는 13,000-23,000 개이다. 애기장대를 비롯한 대부분의 식물에는 후생 생물보다 더 많은 유전자가 있다. 세균의 유전자에서 만들어지는 대부분의 단백질은 모든 생명체에 공통으로 존재한다. 이런 단백질은 포도당 대사 및 핵산 합성처럼 모든 생명체에서 공통으로 일어나는 반응을 촉진한다. 세균을 대상으로 많은 연구가 진행되어 이 생명체에 대한 기본적인 생명 현상이 많이 밝혀졌다. 마찬가지로, 단세포 진핵생물인 효모의 유전자에서 생성되는 많은 단백질도 모드 진핵생물에서 공통으로 존재하므로, 효모의 세포 분열 현상은 암세포를 연구하는 데 적용된다.
세포는 일련의 2단계를 거쳐 DNA에 저장된 정보로부터 단백질을 만든다. 첫 단계는 전사이고, 두 번째 단계는 번역이다. 전사는 유전자의 코딩 부위를 단일 가닥 형태의 RNA로 만드는 과정이다. 이때 생성되는 RNA의 서열은 DNA의 이중 가닥 중 한 가닥의 서열과 동일하다. RNA 중합효소는 DNA를 주형 가닥으로 하여 뉴클레오타이드를 연결하여 RNA를 합성한다. 진핵세포에서 RNA는 핵에서 생성되는데, 생성된 초기 상태의 RNA는 일련의 과정을 거처 크기가 작아진 mRNA로 가공되어 세포질로 나온다. 이곳에서 RNA와 단백질로 구성된 거대한 복합체인 리보솜이 mRNA와 결합하여 두 번째 과정인 번역을 진행한다. 번역 과정에서 리보솜은 모든 생명체에 공통으로 적용되는 유전 암호에 따라 mRNA 서열에 있는 순서대로 아미노산을 연결한다.
RNA는 핵에 있는 정보를 세포질로 전달하는 기능 이외에도 분자 기계를 만드는 부품으로 작용한다. 예를 들어 리보솜은 RNA 4개와 50개 이상의 단백질이 결합하여 형성도니 분자 기계로 mRNA의 서열을 정확하게 읽고 해독하여 단백질을 합성한다. 세포 내에서 대부분의 화학 반응은 단백질에 의해 촉진되지만 아미노산을 연결하는 펩타이드 결합과 같은 화학 반응은 RNA에 의해 촉진된다.
인간 유전체의 서열이 모두 밝혀지기 훨씬 전부터 인간 유전체의 5% 만이 단백질을 합성하고 나머지 DNA는 쓰레기 DNA로 취급되었다. 하지만, 최근 들어서 많은 쓰레기 DNA가 세포에서 단백질로 합성되지는 않지만 중요한 기능을 하는 수천 개의 RNA로 복사됨이 밝혀졌다. 20~25개의 뉴클레오타이드로 구성된 micro RNA는 메타존 세포에 많이 존재하며 특정 mRNA와 결합하여 mRNA 활성을 억제한다. 실험 결과에 의하면 micro RNA는 모든 유전자의 활성을 간접적으로 조절한다. 크기가 큰 어떤 논코딩 RNA는 DNA 혹은 염색체의 단백질과 결합하여 염색체 구조 및 RNA 합성, 가공, 안정성에 영향을 준다. 하지만, 이런 논코딩 RNA의 기능에 대하여 밝혀진 것은 거의 없다.
모든 생명체는 유전자가 어느 시기에, 어떤 장소에서 발현되어야 하는지를 조절한다. 우리 신체의 모든 세포는 동일한 지놈을 가지고 있지만, 세포 종류에 따라 유전자가 활성화되어 합성되는 단백질은 다르다. 예를 들어, 간세포는 콩팥 세포에는 없는 단백질을 생성하고 콩팥 세포는 간세포에 없는 단백질을 생성한다. 더구나, 많은 세포는 외부 신호 혹은 외부 환경 변화에 반응하여 특정한 유전자를 활성화하거나 비활성화하여 변화에 필요한 단백질을 생성한다. 이러한 유전자 활성 조절은 DNA와 결합하는 특성을 지닌 단백질에 의하여 일어나며 이런 단백질을 전사 인자라 한다. 전사 인자는 DNA의 특정 서열과 결합하여 특정한 유전자의 전사를 활성화하거나 억제한다. 전사 인자는 일반적으로 2개 이상의 단백질이 뭉친 다중 단백질 복합체로 작용하는데, 각 단백질은 DNA 결합 특이성을 갖고서 조절할 유전자를 선택한다.
인지질은 모든 세포막의 구성 단위체이다
세포는 수용액으로 차 있는 하나의 구획으로서 원형질막에 의해 외부 환경과 분리되어 분자가 세포 안팎으로 자유롭게 이동하지 못한다. 또한 진핵세포에는 각종 구성 요소인 세포 내 소기관을 형성하는 아주 많은 내부 막이 존재한다.
모든 생명체의 세포막은 2개의 인지질 분자층으로 이루어져 있으며, 이러한 인지질 분자는 친수성 부분과 소수성 부분을 가지고 있다. 막을 구성하는 2개의 인지질층에서 모든 친수성 부분은 막의 안과 바깥의 표면 쪽에 위치하고 소수성 부분은 막 내부에 묻혀 있다. 인지질에 비하여 적은 양을 차지하는 콜레스테롤과 같은 지질은 인지질 사이에 끼어있다. 물, 이온 및 크기가 작은 친수성 분자는 인지질 막 층을 통과하지 못하므로 세포막은 이들 물질을 특이적으로 통과시킬 수 있는 단백질을 갖는다. 일부의 막 단백질은 세포가 이웃한 세포와 혹은 세포 주변을 싸고 있는 중합체와 결합할 수 있게 한다.
세포 분열에 의하여 모세포로부터 새로운 세포가 생성된다. DNA가 새로 만들어질 때 모 DNA의 이중가닥 각각을 주형 가닥으로 사용하여 새로운 DNA가 생성된다. 그 결과 새로 생성된 DNA와 모 DNA의 염기 서열은 동일하다. 이와 유사한 관점에서 새로 생성되는 세포의 막은 모세포의 막에 지질과 단백질이 삽입되고 분열에 의하여 생성된다. 따라서 막 합성도 DNA 합성처럼 기존에 존재하는 구조를 본뜬다.