DNA에서 단백질까지

생명은 정보를 사용한다

앞 장에서 우리는 생명체가 에너지를 얻고, 그 에너지를 이용해 여러 일을 한다는 사실을 살펴보았다. 그런데 여기서 중요한 질문이 하나 생긴다. 세포는 무엇을 기준으로 일을 할까? 어떤 효소를 만들지, 언제 세포막의 단백질을 늘릴지, 피부 세포와 신경 세포가 왜 서로 다른 모습과 역할을 갖게 되는지는 어디에 적혀 있을까?

그 답의 중심에 DNA가 있다. DNA는 세포 속에 들어 있는 유전 정보의 저장소다. 여기서 유전 정보란 생명체가 자기 몸을 만들고 유지하며 다음 세대로 특징을 전하는 데 필요한 지시를 말한다. 마치 요리책에 음식 만드는 방법이 적혀 있듯, DNA에는 세포가 어떤 단백질을 언제 어떻게 만들 수 있는지에 대한 정보가 담겨 있다.

단백질은 생명 활동의 일꾼이다. 어떤 단백질은 효소가 되어 화학 반응을 빠르게 하고, 어떤 단백질은 세포의 모양을 지탱하며, 어떤 단백질은 신호를 받아들이거나 몸속 물질을 운반한다. 그래서 DNA를 이해한다는 것은 단순히 유전을 이해하는 데서 끝나지 않는다. DNA를 이해하면 세포가 어떻게 작동하는지, 부모와 자식이 왜 닮는지, 질병이 왜 생기기도 하는지, 생명공학이 무엇을 바꾸려 하는지까지 이어서 볼 수 있다.

이 장의 핵심 흐름은 짧게 말하면 다음과 같다. DNA에 저장된 정보가 RNA로 옮겨지고, RNA의 정보가 단백질을 만드는 데 사용된다. 이 흐름은 생명 과학에서 매우 중요한 언어다.

DNA는 왜 유전 정보를 담기에 알맞을까

DNA의 정식 이름은 디옥시리보핵산이다. 이름은 조금 어렵지만, 구조의 핵심은 생각보다 단순하다. DNA는 길고 가느다란 사다리가 비틀어진 모양을 하고 있다. 이것을 이중나선 구조라고 한다. 이중이라는 말은 두 가닥으로 되어 있다는 뜻이고, 나선은 빙글빙글 꼬인 형태를 뜻한다.

DNA를 이루는 기본 단위는 뉴클레오타이드다. 하나의 뉴클레오타이드는 당, 인산, 염기로 이루어진다. 여기서 유전 정보의 글자 역할을 하는 것은 염기다. DNA에는 네 종류의 염기가 있다.

• 아데닌, 줄여서 A

• 티민, 줄여서 T

• 구아닌, 줄여서 G

• 사이토신, 줄여서 C

DNA의 정보는 이 네 글자의 순서로 저장된다. 예를 들어 A, T, G, C가 어떤 순서로 배열되어 있느냐에 따라 세포가 읽는 정보가 달라진다. 우리가 한글 자모를 조합해 수많은 문장을 만들 수 있듯, 세포는 네 종류의 염기를 길게 배열해 다양한 생명 정보를 저장한다.

DNA가 특별한 이유는 두 가닥이 아무렇게나 붙어 있지 않다는 데 있다. A는 T와 짝을 이루고, G는 C와 짝을 이룬다. 이것을 염기쌍 규칙이라고 한다. 이 규칙 덕분에 DNA는 정보를 안정적으로 저장할 수 있다. 한쪽 가닥의 염기 순서를 알면 반대쪽 가닥의 순서를 짐작할 수 있기 때문이다. 예를 들어 한쪽 가닥이 A-G-T-C라면, 반대쪽 가닥은 T-C-A-G가 된다.

이 성질은 DNA 복제에도 매우 중요하다. 세포가 나뉘기 전에는 DNA도 복사되어야 한다. 그때 두 가닥이 벌어지고, 각각의 가닥을 바탕으로 새로운 짝이 붙는다. 마치 지퍼를 열고 양쪽에 맞는 새 이빨을 끼우는 것처럼, DNA는 염기쌍 규칙을 이용해 자기 정보를 비교적 정확하게 복사한다.

정보를 오래 보관해야 하는 책이라면 쉽게 찢어지지 않아야 하고, 내용을 복사할 때 실수가 적어야 한다. DNA의 이중나선 구조와 염기쌍 규칙은 바로 그런 조건을 잘 갖추고 있다. DNA는 세포 안에서 유전 정보를 담는 튼튼한 저장 장치인 셈이다.

유전자는 단백질을 만드는 정보 단위다

DNA 전체를 거대한 책이라고 생각해 보자. 이 책에는 아주 긴 글자가 이어져 있다. 그런데 세포가 매번 책 전체를 한꺼번에 읽는 것은 아니다. 필요한 부분을 골라 읽는다. 이때 특정 기능을 하는 산물, 특히 단백질을 만드는 데 필요한 정보 구간을 유전자라고 부른다.

예를 들어 어떤 유전자는 소화 효소를 만드는 정보를 담고 있을 수 있다. 또 다른 유전자는 눈의 색을 결정하는 데 관여하는 단백질의 정보를 담고 있을 수 있다. 또 어떤 유전자는 세포가 외부 신호를 감지하는 단백질을 만드는 데 필요하다. 유전자는 DNA라는 긴 문서 속의 한 문단이나 한 조리법에 비유할 수 있다.

다만 한 가지를 기억하면 좋다. 모든 유전자가 단백질 하나와 딱 일대일로만 연결되는 것은 아니다. 실제 세포에서는 유전자 조절, RNA의 다양한 역할, 여러 단백질의 협동 같은 복잡한 일이 일어난다. 하지만 생명 과학을 처음 배울 때는 유전자를 '특정 단백질을 만드는 데 필요한 정보 단위'로 이해하면 큰 흐름을 잡기 좋다.

단백질은 아미노산이라는 작은 단위들이 길게 이어져 만들어진다. 아미노산의 순서가 달라지면 단백질의 모양과 기능도 달라질 수 있다. 단백질은 단순한 실처럼 길게 늘어져 있는 것이 아니라, 접히고 꼬이고 뭉쳐서 특정한 입체 구조를 만든다. 그리고 이 입체 구조가 기능을 결정한다.

열쇠가 자물쇠에 맞아야 문을 열 수 있듯, 효소나 수용체 같은 단백질도 자신의 모양에 맞는 물질과 잘 결합해야 제 일을 할 수 있다. 따라서 DNA에 적힌 염기 순서는 결국 단백질의 아미노산 순서와 연결되고, 그 순서는 단백질의 모양과 기능에 영향을 준다.

설계도는 원본 대신 복사본으로 나간다: 전사

세포가 단백질을 만들려면 DNA에 적힌 정보를 사용해야 한다. 그런데 DNA는 매우 중요한 원본 자료다. 진핵세포의 경우 DNA는 주로 핵 안에 보관되어 있다. 반면 단백질을 실제로 만드는 장소인 리보솜은 세포질에 있다. 중요한 설계도를 매번 작업장으로 직접 들고 나가면 손상될 위험이 크다.

그래서 세포는 원본 DNA를 직접 내보내기보다 필요한 부분만 복사해서 사용한다. 이 복사본이 RNA다. DNA의 정보가 RNA로 옮겨지는 과정을 전사라고 한다. 전사는 '옮겨 적기'라는 뜻으로 이해하면 쉽다.

DNA와 RNA는 비슷하지만 몇 가지 차이가 있다. DNA는 보통 두 가닥이지만, RNA는 대개 한 가닥으로 작동한다. DNA에는 염기 T가 있지만, RNA에는 T 대신 U, 즉 유라실이 들어간다. 그래서 DNA의 A는 RNA의 U와 짝을 이루고, DNA의 T는 RNA의 A와 짝을 이룬다.

전사 과정을 비유로 살펴보자. 핵 안에 두꺼운 요리책이 있다. 세포는 오늘 필요한 요리 하나만 만들면 된다. 그렇다고 요리책 전체를 주방으로 가져가지 않는다. 필요한 조리법이 적힌 부분만 종이에 베껴서 주방으로 보낸다. 이때 두꺼운 요리책이 DNA라면, 베껴 쓴 종이가 RNA다. 특히 단백질을 만드는 정보를 전달하는 RNA를 메신저 RNA, 줄여서 mRNA라고 한다.

전사는 대략 이런 흐름으로 일어난다. 먼저 세포는 DNA 중에서 필요한 유전자의 시작 부분을 찾는다. 그다음 DNA의 두 가닥 중 한쪽을 바탕으로 RNA를 만든다. RNA가 만들어지면 그 복사본은 단백질 제작 장소로 이동한다. 진핵세포에서는 mRNA가 핵 밖으로 나와 세포질의 리보솜으로 향한다.

전사의 핵심은 정보의 형태가 DNA에서 RNA로 바뀐다는 점이다. 아직 단백질이 만들어진 것은 아니다. 설계도를 복사해 작업장으로 보낼 준비가 끝난 단계라고 보면 된다.

복사본을 읽어 제품을 만든다: 번역

이제 mRNA가 리보솜에 도착했다. 리보솜은 단백질을 만드는 작은 공장과 같다. 여기서 mRNA에 적힌 염기 순서는 아미노산 순서로 바뀐다. RNA의 언어를 단백질의 언어로 바꾸는 과정이므로 번역이라고 한다.

번역에서 중요한 단위는 코돈이다. 코돈은 mRNA의 염기 세 개가 한 묶음이 된 것이다. 예를 들어 AUG, GCU, UUU처럼 세 글자씩 읽는다. 이 세 글자 조합 하나가 특정 아미노산 하나를 지정하거나, 단백질 만들기를 시작하거나 멈추라는 신호가 된다.

왜 세 글자씩 읽을까? 염기 종류는 네 가지다. 한 글자만으로는 네 가지 정보밖에 나타낼 수 없다. 두 글자씩 읽으면 4×4, 즉 16가지 조합이 가능하다. 그런데 단백질을 만드는 데 쓰이는 아미노산은 보통 20종류다. 세 글자씩 읽으면 4×4×4, 즉 64가지 조합이 가능해져 충분히 많은 정보를 표현할 수 있다.

리보솜은 mRNA를 코돈 단위로 읽는다. 그리고 각 코돈에 맞는 아미노산이 차례대로 연결된다. 이때 운반 RNA, 즉 tRNA가 중요한 역할을 한다. tRNA는 특정 아미노산을 붙잡고 리보솜으로 온다. 동시에 mRNA의 코돈과 맞는 부분을 가지고 있어, 알맞은 자리에 알맞은 아미노산을 놓을 수 있게 돕는다.

이 장면을 공장으로 상상해 보자. mRNA는 작업 지시서다. 리보솜은 조립 기계다. tRNA는 부품을 운반하는 작업자다. 아미노산은 제품을 이루는 부품이다. 조립 기계가 지시서를 세 글자씩 읽을 때마다, 작업자가 알맞은 부품을 가져와 연결한다. 그렇게 아미노산 사슬이 점점 길어진다.

아미노산들이 모두 연결되면 단백질의 기본 사슬이 완성된다. 하지만 여기서 끝이 아니다. 완성된 사슬은 세포 안에서 접히고 변형되며 특정한 입체 구조를 갖는다. 제대로 접힌 단백질은 효소, 구조 단백질, 운반 단백질, 신호 단백질처럼 다양한 일을 시작한다.

결국 DNA에서 단백질까지의 흐름은 이렇게 정리할 수 있다. DNA는 정보를 저장한다. RNA는 필요한 정보를 옮긴다. 리보솜은 RNA를 읽어 단백질을 만든다. 세포는 이 단백질들을 이용해 살아간다.

같은 DNA를 가져도 세포가 달라지는 이유

우리 몸의 피부 세포와 근육 세포, 신경 세포는 모양도 다르고 하는 일도 다르다. 그런데 한 사람의 몸을 이루는 대부분의 세포는 기본적으로 같은 DNA를 가지고 있다. 그렇다면 왜 세포마다 다르게 행동할까?

비밀은 '어떤 유전자를 읽느냐'에 있다. 같은 요리책을 가지고 있어도 아침에는 죽을 만들고, 점심에는 국수를 만들고, 저녁에는 찌개를 만들 수 있다. 책은 같지만 펼쳐 읽는 조리법이 다르기 때문이다. 세포도 마찬가지다. 피부 세포는 피부 세포에게 필요한 단백질을 많이 만들고, 신경 세포는 신경 세포에게 필요한 단백질을 많이 만든다.

이처럼 유전 정보는 단순히 가지고 있는 것만으로 끝나지 않는다. 언제, 어디서, 얼마나 읽히는지가 중요하다. 이것을 유전자 발현이라고 한다. 유전자 발현은 DNA에 적힌 정보가 실제 기능으로 나타나는 과정이다. 전사와 번역은 유전자 발현의 중심 단계다.

유전자 발현을 조절하는 능력 덕분에 하나의 수정란에서 출발한 세포들이 다양한 세포로 나뉘어 몸을 만들 수 있다. 같은 악보를 가지고도 어떤 악기를 크게 연주하고 어떤 악기를 조용히 연주하느냐에 따라 전혀 다른 음악이 되는 것과 비슷하다.

돌연변이는 글자의 변화다

DNA는 비교적 정확하게 복사되지만, 언제나 완벽한 것은 아니다. DNA가 복제될 때 실수가 생기거나, 자외선이나 특정 화학 물질 같은 외부 요인의 영향으로 염기 순서가 바뀔 수 있다. 이런 유전 정보의 변화를 돌연변이라고 한다.

돌연변이라고 하면 무조건 무섭고 나쁜 것으로 생각하기 쉽다. 하지만 실제로는 결과가 다양하다. 어떤 돌연변이는 거의 아무 영향도 주지 않는다. 어떤 돌연변이는 단백질의 모양과 기능을 바꾸어 질병의 원인이 될 수 있다. 또 어떤 돌연변이는 환경에 따라 생존에 도움이 되기도 하며, 오랜 시간에 걸친 진화의 재료가 된다.

돌연변이는 DNA의 글자 변화라고 생각하면 이해하기 쉽다. 문장에서 글자 하나가 바뀌면 뜻이 그대로일 수도 있고, 약간 달라질 수도 있고, 완전히 엉뚱해질 수도 있다. 예를 들어 '밤을 먹었다'에서 한 글자가 바뀌어 '밥을 먹었다'가 되면 뜻은 달라지지만 문장은 여전히 자연스럽다. 반대로 중요한 글자가 빠지거나 추가되면 문장 전체가 어색해질 수 있다.

DNA에서도 비슷한 일이 일어난다. 염기 하나가 다른 염기로 바뀔 수 있고, 염기가 빠질 수도 있으며, 새로운 염기가 끼어들 수도 있다.

• 염기 하나가 다른 염기로 바뀌는 경우

• 염기 하나 또는 여러 개가 빠지는 경우

• 염기 하나 또는 여러 개가 새로 들어가는 경우

특히 염기가 빠지거나 끼어드는 변화는 mRNA를 세 글자씩 읽는 틀을 바꿀 수 있다. 코돈은 세 글자 단위로 읽히기 때문에, 글자 하나가 중간에 사라지면 그 뒤의 묶음이 모두 달라질 수 있다. 책갈피가 한 칸 밀려 문장을 엉뚱하게 끊어 읽는 것과 비슷하다. 이런 변화는 단백질 전체에 큰 영향을 줄 수 있다.

그러나 모든 변화가 재앙은 아니다. 어떤 염기 변화는 다른 코돈이 되었는데도 같은 아미노산을 지정할 수 있다. 또 단백질에서 그다지 중요하지 않은 부분이 조금 달라질 수도 있다. 생명체는 완벽한 기계가 아니라, 변화 속에서도 작동하고 적응하는 존재다.

돌연변이, 질병, 그리고 진화의 연결

돌연변이가 단백질의 중요한 부분을 바꾸면 세포의 기능이 흔들릴 수 있다. 효소의 모양이 바뀌어 물질을 제대로 분해하지 못할 수도 있고, 세포 성장 조절에 관여하는 단백질이 고장 나 세포가 지나치게 늘어날 수도 있다. 어떤 유전 질환은 특정 유전자의 변화 때문에 필요한 단백질이 제대로 만들어지지 않거나, 만들어져도 기능을 하지 못할 때 나타난다.

하지만 돌연변이는 생명에게 변화의 가능성도 준다. 만약 모든 DNA가 영원히 똑같이만 복사된다면 생명체는 환경이 바뀌어도 새로운 특징을 얻기 어렵다. 돌연변이는 우연히 생기지만, 그중 일부는 특정 환경에서 생존과 번식에 유리하게 작용할 수 있다. 그런 변화가 세대를 거쳐 쌓이면 집단의 모습이 달라진다. 이것이 진화를 이해하는 중요한 출발점이다.

예를 들어 어떤 미생물 집단 안에 우연히 항생제에 견디는 돌연변이를 가진 개체가 있었다고 생각해 보자. 항생제가 없는 환경에서는 그 차이가 크게 드러나지 않을 수 있다. 하지만 항생제가 있는 환경에서는 그 개체가 살아남아 더 많이 증식할 가능성이 커진다. 이렇게 작은 유전 정보의 차이가 환경과 만나면 큰 결과로 이어질 수 있다.

따라서 돌연변이는 두 얼굴을 가진 변화다. 한쪽 얼굴은 질병과 기능 이상이다. 다른 한쪽 얼굴은 다양성과 적응이다. 생명 과학은 이 두 면을 함께 바라본다.

DNA 정보 흐름은 생명공학의 기본 언어다

오늘날 생명공학은 DNA의 정보 흐름을 바탕으로 발전하고 있다. 어떤 유전자가 어떤 단백질을 만드는지 이해하면, 과학자는 질병의 원인을 추적하거나 필요한 단백질을 생산하는 방법을 찾을 수 있다. 인슐린처럼 몸에 필요한 단백질을 미생물에게 만들게 하는 기술도 DNA와 단백질의 관계를 이용한 예다.

유전자 검사도 같은 흐름 위에 있다. DNA의 특정 부분을 살펴보면 어떤 유전적 특징이나 질병 가능성과 관련된 정보를 얻을 수 있다. 물론 유전자는 운명을 완전히 결정하는 절대적인 예언서가 아니다. 많은 특징은 여러 유전자와 환경이 함께 영향을 준다. 하지만 DNA는 생명체의 몸이 어떤 방식으로 작동할 가능성이 있는지를 알려 주는 중요한 단서다.

또한 유전자 편집 기술은 DNA의 글자를 바꾸어 세포의 기능을 조절하려는 시도다. 이것은 질병 치료, 농업, 환경 문제 해결에 큰 가능성을 열어 주지만 동시에 신중한 판단을 요구한다. DNA는 한 생명체의 특징뿐 아니라 다음 세대와 생태계에도 영향을 줄 수 있기 때문이다. 그래서 생명공학을 제대로 이해하려면 먼저 DNA에서 RNA, 단백질로 이어지는 기본 흐름을 확실히 알아야 한다.

한 줄의 정보가 생명의 모습이 되기까지

DNA는 조용히 보관된 분자처럼 보이지만, 그 안에는 생명체가 자신을 만들고 유지하는 데 필요한 정보가 담겨 있다. 이 정보는 네 종류의 염기 배열로 저장된다. 염기쌍 규칙 덕분에 DNA는 안정적으로 복사될 수 있고, 필요한 정보는 RNA로 전사되어 리보솜으로 전달된다. 리보솜은 mRNA를 코돈 단위로 읽어 아미노산을 연결하고, 그 결과 단백질이 만들어진다.

이 흐름을 이해하면 생명 과학의 많은 문이 열린다. 부모와 자식이 왜 닮는지, 세포가 왜 서로 다른 일을 하는지, 돌연변이가 어떻게 질병과 진화에 연결되는지, 생명공학이 무엇을 바꾸려 하는지 이해할 수 있다.

생명은 단순히 물질이 모인 덩어리가 아니다. 생명은 정보를 저장하고, 복사하고, 읽고, 실행한다. DNA에서 단백질까지 이어지는 이 길은 세포 안에서 매 순간 반복되는 생명의 문장이다. 다음 장에서는 이 정보를 가진 세포가 어떻게 늘어나고, 하나의 생명이 어떻게 시작되는지 살펴볼 것이다.