왜 DNA는 5'에서 3'으로 합성될까?

왜 DNA는 5'에서 3'으로 합성될까?

bible5109 

2013.11.09. 18:41

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 DNA나 RNA모두 5탄당을 backbone으로 사용합니다.

single nucleotide의 구조를 보시죠.

http://glossary.periodni.com 에서 펌

아데닌 인데요 . 5'에 phosphate가 붙어 있는 것이 보이죠.

DNA합성시에는 phosphate 3개가 연달아 붙어 있는 triphosphate가 재료로 사용됩니다. dNTP라고 하죠.

DNA합성에는 에너지가 필요하므로 triphosphate 중 인산 2개가 떨어지면서 나오는 에너지를 이용합니다.

이 에너지가 없으면 polymerase가 작동을 못합니다.

그리고 5'phosphate는 꼭 먼저 만들어져 있는 DNA 가닥의 3'에 있는 OH에 붙게 됩니다.

이러한 결합을 phosphodiester bond라고 하지요 .

  http://click4biology.info/c4b/ 에서 펌

 http://virology.ws/ 에서 펌

세포 속의 DNA polymerase RNA polymerase 는 synthesis기능과 exonuclease기능이 있습니다.

모든 polymerase의 synthesis 기능은 5'에서 3'으로 이루어지게 되어있습니다.

반면 proofreading에 사용되는 exoneclease 기능은 polymerase종류에 따라 5' ->3', 3'->5' 의 2가지가 있습니다.

배경 설명은 이정도로 하고 이유를 설명할게요 .

크게 2가지 이유가 있습니다.

1. 먼저 proofreading측면에서 말씀드릴게요 .

DNA합성을 잘 하고 있다가 mismatch 가  일어나면

일단 합성이 중단됩니다.

그리고 이때 잘못 들어온 nucleotide가 3'end 쪽에 달려있겠죠.

그러면 DNApolymerase는 3'->5' exonuclease기능으로 마지막의 mismatch된 nucleotide를 잘라냅니다.

그리고 다시 맞는 염기를 붙이면서 synthesis기능을  합니다.  (위의 세 그림 중 아래그림.)

반대로 3'->5'로 합성이 이루어진다고 생각해보죠.

5' end에 mismatch된 애가 있다면 5'->3' exonuclease가 mismatch된 nucleotide를 잘라내겠죠.

그런데 이미 phosphodiester bond가 이루어진 후에 이 bond를 자르는 거라서 5'end쪽의 인산기는 한개뿐입니다.

그러면 다시 맞는 nucleotide를 가지고 온다고 해도 에너지가 없기 때문에 synthesis가 중단됩니다.

5'->3'으로 가야하는 충분한 이유가 되겠지요?

2. 이번엔 화학적 측면에서 생각해볼게요 .

DNA polymerase가 절대 실수를 안해서 mismatch는 안만든다고 가정해봅시다.

3'->5'로 polymeerase가 열심히 DNA를 만들고 있다고 생각해보세요 .

그런데 이때 dNTP가 안들어오고  dNMP가 들어왔다고 하면 어떻게 될까요 .

(NMP는 인산기가 하나만 붙은 nucleotide를 뜻합니다. )

역시 에너지가 없으니 더이상의 연장은 불가능하겠죠.

또 어떤이유에선가 DNA를 잘 만들고 있다가 5'end의 triphosphate가 깨지면서 monophosphate로 바뀐다면

이 역시 더이상의 연장은 불가능합니다.

실제로 NTP는 높은 에너지를 축적하고 있기때문에 세포내에서 다른 물질과 반응을 통해 에너지를 방출하기가 쉽습니다. 즉 NTP에서 NMP로 바뀌면서 좀더 안정한 에너지 상태로 가려고 하는것이지요.

이처럼 3'->5'로 갈때는 불리한 점이 많습니다. DNA 복제중 중단이 되버린다면 매우 난감한 상황이 벌어지겠죠.

아마도 cell은 더이상 분열 하지 못하게 되고 그대로 사멸하게 될 겁니다.  셀의 생존에 중요한 유전자가가 복제가 안된채로 분열된다면 새로 합성된 DNA를 가지고 있는 세포는 당연히 죽을 겁니다.

하지만 5'->3'로 갈때는 dNMP가 들어와도 상관 없죠. 뱉어 내고 dNTP가 들어오길 기다리면 되니까요.

5'->3'로 갈수 밖에 없는 이유는 nucleotide의 구조때문이라는 것을 잘 기억해두세요 .

더불어 DNA가 연장 될땐 항상 Triphosphate의 에너지가 필요하다는것도 기억해두시면

쉽게 5'->3'로 갈수 밖에 없는지 쉽게 유추해낼 수 있습니다.