DNA가 음성초나선일 때 안정화되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 원핵의 이중나선 환형의 DNA에서 위상 이성질화 효소2의 작용으로 인해 DNA가 음성초나선으로 형성되었을 때 안정화되는 원리는 무엇인가요?
안녕하세요. 정준민 전문가입니다.
dna 의 음성 초나선은 염기쌍이 더 쉽게 풀리도록 해 복제, 전사에 유리하답니다.
또한 단백질 결합과 초나선응력이 상호작용해 에너지가 분산되면서 구조적으로 안정화가 된답니다.
위상 이성질화 효소2는 ATP 가수분해를 통해 에너지를 얻어 DNA 이중나선의 한쪽 가닥을 절단하고 다른 가닥을 그 절단 부위 사이로 통과시켜 다시 연결하는 방식으로 작용합니다. 이 과정은 음성 초나선을 유도하며, DNA의 꼬임 수를 줄이는 효과를 냅니다.
그리고 DNA 자이라아제는 ATP를 사용하여 DNA에 에너지를 주입하고, 이 에너지는 DNA가 더 안정적인 초나선 구조로 변형되도록 유도함으로써 장력을 해소하고 DNA를 응축시켜 안정화시키는 것입니다.
음성 초나선은 DNA 이중나선이 정상보다 적게 꼬인 상태에서 발생하는 비틀림 스트레스를 해소하기 위해 형성되며, 이 구조는 전체적으로 더 낮은 에너지를 가져 안정적입니다. 적게 꼬인 상태는 국소적으로 이중나선을 풀기 쉽게 만들어 DNA 복제나 전사 같은 생명 현상에 필요한 가닥 분리를 용이하게 하고, 전체 분자를 더 촘촘한 형태로 응축시켜 물리적인 손상으로부터 보호하는 효과도 있습니다.
네, DNA는 기본적으로 이중나선 구조를 가지고 있으며, 나선 자체가 꼬여 있는 정도를 Linking number (Lk), Twist (Tw), Writhe (Wr)로 정의할 수 있는데요, 이때 환형 DNA에서는 양 끝이 자유롭지 않으므로 전체 연결 수 Lk가 일정하게 유지됩니다. 이때 관계식으로는 Lk = Tw + Wr로 정의할 수 있으며, 여기서 Tw는 DNA 염기쌍이 꼬인 횟수, Wr은 DNA가 공간에서 실제로 꼬인 정도(초나선)를 나타냅니다.
원핵 DNA는 보통 초나선 상태를 음성으로 유지하는데요, 음성 초나선이란 DNA 이중나선이 기본 나선보다 왼쪽으로 풀리면서 꼬인 것을 말합니다. 이 상태는 DNA 가닥을 약간 덜 꼬이게 만들어 이중나선의 국부적인 풀림이 용이하게 합니다. 음성 초나선은 DNA의 이중가닥을 풀 필요가 있는 과정인 복제와 전사 과정에서 에너지적으로 유리한데요, 우선 DNA가 음성 초나선 상태일 때 부분적인 가닥 분리가 용이하므로 헬리케이스 같은 효소가 DNA를 풀 때 에너지가 덜 필요합니다.
또한, 초나선이 음성일 경우 과도한 꼬임을 완화하여 DNA 구조 전체의 안정성을 높이게 되며 토폴로이소머라아제(Topoisomerase II)는 DNA 절단과 재결합을 통해 이 음성 초나선을 생성하거나 유지함으로써 DNA 구조를 기능적 안정 상태로 조절합니다. 즉 즉, 음성 초나선은 단순히 꼬인 구조라서 안정한 것이 아니라, DNA 복제나 전사 효율과 꼬임 에너지의 최적화를 통해 세포 내에서 안정화되는 것입니다. 감사합니다.