RNA

뉴클레오타이드 염기 C, G, A, U의 RNA 리보오스 인산 골격에의 연결

RNA(Ribonucleic acid) 또는 리보핵산은 유전자의 코딩, 디코딩, 조절 및 발현에서 다양한 생물학적 역할에 필수적인 고분자 분자이다. RNA와 디옥시리보핵산(DNA)은 핵산이다. 지질, 단백질 및 탄수화물과 함께 핵산은 알려진 모든 형태의 생명체에 필수적인 4가지 주요 거대분자 중 하나를 구성한다.

DNA와 마찬가지로 RNA는 뉴클레오타이드 사슬로 조립되지만 DNA와 달리 RNA는 한 쌍의 이중 가닥이 아니라 자체적으로 접힌 단일 가닥으로 자연에서 발견된다. 세포 유기체는 유전 정보를 전달하기 위해 메신저 RNA(mRNA)를 사용한다(G, U, A, C로 표시되는 구아닌, 우라실, 아데닌, 사이토신의 질소 염기를 사용).

또한 특정 단백질의 합성을 지시하기도 한다. 많은 바이러스는 RNA 게놈을 사용하여 유전 정보를 암호화한다.

개요

RNA는 핵산의 일종으로, 유전자 본체인 디옥시리보 핵산(DNA)이 가지고 있는 유전정보에 따라 필요한 단백질(protein)을 합성할 때 직접적으로 작용하는 고분자 화합물이다. 리보스, 염기, 인산 등 세 가지 성분으로 되어 있으며, DNA의 염기인 티민(T) 대신 우라실(U)을 가진다.

RNA는 DNA로부터 만들어지는데, DNA는 핵 속에서 transcription factor 작용으로 RNA를 생성한다. RNA는 DNA의 정보를 직접적으로 받는 mRNA, mRNA로부터 폴리펩타이드(단백질)를 합성하는 데 작용하는 tRNA, 단백질 합성에 작용하는 리보오스의 작용에 관여하는 rRNA로 구분된다.

한편, DNA와 RNA는 염기 종류와 사슬 구조에서 차이가 난다. DNA의 염기는 A, G, C, T이고, RNA는 A, G, C, U다. 또 DNA는 이중나선, RNA는 단일사슬이다.

DNA와의 비교

DNA와의 차이점은 세 종류 염기(아데닌, 구아닌, 사이토신)에 타이민을 쓰면 DNA, 유라실을 쓰면 RNA이다. 그리고 뼈대를 구성하는 당이 디옥시리보스(Deoxyribose)면 DNA, 리보스(Ribose)면 RNA이다.

DNA는 타이민을 사용하고 RNA는 유라실을 쓰는 이유는 다음과 같다. 염기 구조를 보면 타이민은 유라실과 거의 같지만 5번 탄소에 메틸기(-CH3)가 하나 붙어있으며, 사이토신에서 아민기를 제거한 탈아미노과정의 생성물이 바로 유라실이다. DNA가 유라실을 염기로 쓸 때의 문제점이 바로 여기서 오는데, 일단 타이민 대신 유라실이 있는 DNA를 상상해보자. 어느 날 사이토신이 우연히 탈아미노과정을 거쳐 유라실로 바뀌어 버리면, 이 돌연변이 유라실과 원래 유라실을 구별할 방법이 없어지고 이는 무작위적인 돌연변이로 이어진다. 한 염기가 다른 염기로 쉽게 바뀐다는 것은 심각한 문제이다. 따라서 유전 정보의 장기 보존이 중요한 DNA에서는 메틸기가 하나 더 붙은 타이민을 사용함으로써 우연히 사이토신이 탈아미노과정을 겪더라도 구별할 수 있도록 되어 있다. 그리고 DNA에 유라실이 생길 경우 uracil DNA glycosylase라는 효소가 이를 제거해 버린다.

지금도 바이러스 중에는 DNA가 아니라 RNA로 유전정보를 전달하고 있는 종들도 존재한다. 그런 바이러스 중 하나가 레트로바이러스(Retrovirus)이며, 센트럴 도그마를 깨는 데 결정적인 역할을 했다. 이러한 바이러스 중 대표적인 것은 AIDS를 일으키는 HIV이다.

RNA는 DNA에 비해 불안정하다. RNA는 보통 단일가닥이라서, 오류가 났을 때 비교/수정에 참고할 반대쪽 가닥이 없으며(DNA는 이중가닥이므로 상대적으로 안정하다.), 또한 리보스는 디옥시리보스보다 반응성이 크다. 그래서 무작위로 반응하여 변이를 일으키는 빈도도 높다.

비유하자면, DNA가 안정적이지만 복제속도가 느린 승용차, RNA는 불안정하지만 빠르게 복제되는 오토바이라고 할 수 있겠다.

DNA에 유전자를 보존하는 생물도 단백질을 생산할 때는 일단 DNA를 RNA로 바꾸는 과정을 거친 후 생산한다.

구조

RNA의 화학적 구조

RNA는 오탄당인 리보스를 기반으로 사슬구조를 이룬다.

오른쪽 그림에서와 같이 리보스에 있는 다섯개의 탄소에 번호를 붙였을 때 1번 탄소가 핵염기와 연결되며(이 그림의 경우 구아닌) 3번과 5번은 인산에 연결된다. 1번 탄소에 연결되는 핵염기는 구아닌 이외에도 아데닌, 우라실, 시토신이 있다.

인산은 당과 당 사이를 연결하여 사슬을 이룬다.

핵염기는 보통 다음과 같은 약자로 쓰인다.

• A - 아데닌
• G - 구아닌
• U - 우라실
• C - 시토신 (사이토신)

핵염기는 수소결합에 의해 서로 짝을 이루어 결합할 수 있다. 아데닌은 우라실(DNA의 경우 티민)과 구아닌은 시토신과 상보적인 짝을 이룬다.

RNA는 DNA와 달리 1개의 폴리뉴클레오타이드로 이루어진 단일 가닥이며, 자체적으로 상보적 염기쌍을 형성해 접힘으로써 고유의 입체 구조를 가질 수 있다.

RNA에 존재하는 리보스의 2번 탄소에 결합된 하이드록시기는 당-인산 골격의 인산이에스터 결합을 분해하는데 관여한다. 따라서 RNA는 DNA보다 빠르게 가수 분해되어 덜 안정하다.

종류

RNA는 분자구조와 생물학적 기능에 따라 9가지로 나뉜다.

• rRNA(리보솜 RNA ribosomal RNA): 리보솜을 구성하는 RNA이다.
• mRNA(전령 RNA messenger RNA): DNA의 유전 정보를 옮겨적은 일종의 청사진 역할을 한다. 이를 기본으로 하여 리보솜에서 단백질을 합성하게 된다.
• tRNA(운반 RNA transfer RNA): mRNA의 코돈에 대응하는 안티코돈을 가지고 있다. 꼬리쪽에는 tRNA의 안티코돈과 대응하는 아미노산을 연결해 주는 효소가 있다. 따라서, tRNA의 안티코돈에 대응하는 아미노산을 달고 있다.
• miRNA(마이크로 RNA micro RNA): 생물의 유전자 발현을 제어하는 역할을 하는 작은 RNA로, mRNA와 상보적으로 결합해 세포 내 유전자 발현과정에서 중추적인 조절인자로 작용한다.
• snRNA(소형 핵 RNA small nuclear RNA): 핵 안에서 RNA를 스플라이싱 하는 기능이 있다.
• snoRNA(소형 인 RNA small nucleolar RNA): 핵 안에서 RNA의 변형을 일으킨다.
• aRNA(안티센스 RNA antisense RNA): RNA에서 리보솜으로의 번역을 조절하는 역할을 담당한다.
• siRNA(소형 방해 RNA small interfering RNA): RNA 방해를 유발한다. 특정 단백질의 생산을 억제함으로써 유전자 발현을 방해한다.
• piRNA

이외에도 형태에 따라 단일 가닥은 ssRNA, 이중 가닥은 dsRNA라는 약자로 표기하기도 한다.

역할

바이러스와 같은 일부 미생물에서 RNA는 유전자로서 기능한다.

그러나, 대부분의 진핵생물과 다세포생물은 DNA가 유전자의 역할을 하고 RNA는 세포에서 단백질 형성 과정에서 DNA와 리보솜 사이의 통신을 맡는 역할을 한다.

단백질 형성과정

리보솜에서 이루어지는 단백질 형성과정

세포에서 이루어지는 단백질의 형성에는 RNA, DNA, 리보솜, 효소 등이 관여한다. 단백질의 형성과정은 다음과 같다.

1. DNA에서 mRNA가 전사된다. 동시에 세포 내에서는 아미노산 활성화 효소에 의해 tRNA에 아미노산(amino acid)이 부착된다.
2. mRNA의 뉴클레오타이드는 3개씩 짝을 이뤄 하나의 아미노산을 지정한다. 예를 들어 UUU(우라실-우라실-우라실)는 페닐알라닌을 지정한다.
3. 전사된 mRNA가 리보솜의 소단위체(small subunit)에 부착된다.
4. 1번에서 아미노산이 부착된 tRNA가 mRNA의 지정된 염기서열의 뉴클레오타이드에 부착된다.(오른쪽 그림의 첫 단계)
5. 리보솜의 큰 단위체(large subunit)가 소단위체(small subunit)와 결합한다.
6. mRNA의 다음 염기서열과 짝을 이루는 tRNA가 리보솜에 들어오고 여기에 부착된 아미노산은 앞의 tRNA에 부착된 아미노산과 결합한다.(오른쪽 그림의 두 번째 단계)
7. mRNA의 염기서열이 끝날 때까지 위 과정이 반복되면 긴 아미노산 사슬이 형성된다. 이것이 단백질이다. 단백질은 효소에 의해 접혀 적절한 모양을 갖추게 된다.(오른쪽 그림의 끝 단계)
8. 세포 내에는 수많은 리보솜이 있어 하나의 mRNA를 이용하여 동시에 작업할 수 있다.

전사와 mRNA 생성

DNA에서 전사된 RNA

DNA의 유전자의 염기서열에 상보적인 뉴클레오타이드를 순서대로 연결하여 RNA 사슬을 형성하는 중합반응을 전사라 한다.

전사의 과정에는 RNA 중합 효소가 관여한다. RNA 중합효소는 DNA 염기서열 중 전사를 시작할 곳을 찾아 DNA의 이중나선을 열고 두 가닥 중 한쪽을 사용하여 상보적인 염기서열대로 mRNA를 전사한다. 전사의 종료를 알리는 지점까지 도달하면 전사를 마치고 DNA 이중나선을 닫는다.

전사의 시작 지점을 알리는 DNA의 위치는 프로모터(promoter)라 하는데 전사 시작을 알리는 특정 염기서열과 첫 번째로 전사될 염기 및 전사를 조절하는 염기서열로 구성되어 있다.

코돈

코돈은 mRNA에서 하나의 아미노산을 지정하는 세개의 뉴클리오드 염기 순열이다. 생물의 단백질을 이루는 아미노산은 모두 20종으로 이를 지정하는 mRNA의 코돈은 아래의 표와 같다.

아미노산	코돈	아미노산	코돈
페닐알라닌	UUU, UUC	류신	UUA, UUG, CUU, CUC, CUA, CUG
이소류신	AUU, AUC, AUA	메티오닌	AUG
발린	GUU, GUC, GUA, GUG	세린	UCU, UCC, UCA, UCG, AGU, AGC
프롤린	CCU, CCC, CCA, CCG	트레오닌	ACU, ACC, ACA, ACG
알라닌	GCU, GCC, GCA, GCG	티로신	UAU, UAC
히스티딘	CAU, CAC	글루타민	CAA, CAG
아스파라긴	AAU, AAC	리신	AAA, AAG
아스파르트산	GAU, GAC	글루탐산	GAA, GAG
시스테인	UGU, UGC	트립토판	UGG
아르기닌	CGU, CGC, CGA, CGG, AGA, AGG	글리신	GGU, GGC, GGA, GGG

mRNA 순열중 UAA, UAG, UGA는 아미노산 연결 종료를 지시한다.

페닐알라닌과 아스파르트산의 tRNA

tRNA

tRNA는 75 - 95개의 뉴클레오타이드로 이루어진 작은 RNA 분자이다. 비교적 짧은 RNA 사슬이 접혀있는 모습을 갖고 있다.

tRNA의 주요 역할은 리보솜에 들어온 mRNA에 따라 아미노산을 연결하는 것이다. 아미노산이 20종 이므로 세포 속에 있는 tRNA의 종류도 20종이다.

tRNA의 말단은 아미노산과 연결되어 있고 접혀있는 특정 부분은 안티코돈이 된다. 예를 들어 왼쪽 그림의 페닐알라닌 tRNA의 안티코돈은 AAG로 리보솜에서 mRNA의 UUC코돈과 연결된다. (RNA 핵염기의 상보성은 A(아데닌)-U(우라실), G(구아닌)-C(사이토신)이다.)

참고자료

• "RNA", 《위키백과》
• "RNA", 《시사상식사전》
• "RNA", 《나무위키》
• "RNA", 《분자·세포생물학백과》

같이 보기

• RNA 바이러스
• DNA
• 고분자
• 전사체

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