세포와 유전 — DNA에서 단백질까지

1.세포 — 생명의 기본 단위

모든 생물은 하나 이상의 세포로 이루어져 있습니다. 세균처럼 세포 하나가 한 생물인 경우도 있고, 사람처럼 아주 많은 세포가 모여 조직, 기관, 기관계를 이루는 경우도 있습니다. 세포는 대부분 맨눈으로 보이지 않을 만큼 작아서 현미경으로 관찰합니다.

세포 안에는 각자 역할을 맡은 구조물(세포 소기관)이 있습니다. 식물 세포는 동물 세포에 없는 세포벽, 엽록체, 커다란 액포를 가지고 있습니다. 식물이 단단하게 서 있고 햇빛으로 양분을 만드는 것은 이 구조 덕분입니다.

2.DNA, 유전자, 염색체

DNA는 유전 정보를 담은 긴 분자로, 두 가닥이 꼬인 이중 나선 구조입니다. 각 가닥에는 A(아데닌), T(타이민), G(구아닌), C(사이토신)의 네 가지 염기가 줄지어 있고, 마주 보는 염기는 A와 T, G와 C끼리만 짝을 짓습니다. 이 염기의 순서가 곧 정보입니다.

유전자는 DNA 가운데 특정 단백질(또는 기능을 가진 RNA)을 만드는 정보가 들어 있는 구간입니다. 염색체는 긴 DNA가 단백질에 감겨 뭉쳐진 구조로, 세포가 분열할 때 막대 모양으로 뚜렷하게 보입니다. 비유하면 DNA는 글자가 적힌 긴 실, 유전자는 그 안의 한 문단, 염색체는 실을 감아 정리한 실타래입니다.

사람의 체세포에는 염색체가 46개, 즉 23쌍 있습니다. 한 쌍의 한쪽은 어머니에게서, 다른 쪽은 아버지에게서 받습니다. 이 가운데 22쌍은 남녀 공통인 상염색체이고, 1쌍은 성염색체(여자 XX, 남자 XY)입니다.

3.DNA 정보가 단백질이 되기까지

DNA는 핵 안에 보관되어 있고, 단백질은 핵 밖의 리보솜에서 만들어집니다. 그래서 먼저 필요한 유전자 부분을 RNA로 베껴 핵 밖으로 내보냅니다. 이 단계를 전사라고 합니다. 리보솜은 RNA의 염기를 세 개씩 끊어 읽으며(이 세 염기 묶음을 코돈이라 합니다) 그에 맞는 아미노산을 차례로 이어 붙여 단백질을 만듭니다. 이 단계를 번역이라고 합니다.

단백질은 근육과 머리카락을 이루는 재료이기도 하고, 소화 효소나 호르몬, 항체처럼 몸의 화학 반응과 신호를 조절하는 일꾼이기도 합니다. 유전자가 형질에 영향을 주는 것은 대부분 이 단백질을 통해서입니다.

실제 과정은 훨씬 복잡합니다. 어떤 유전자를 언제 얼마나 쓸지 조절하는 장치가 있고, 환경과 생활 습관도 유전자가 쓰이는 정도에 영향을 줍니다. 「유전자가 운명을 결정한다」는 표현은 대부분의 형질에 대해 지나친 단순화입니다.

4.우성과 열성 — 멘델의 유전 원리

멘델은 완두 교배 실험으로 형질이 한 쌍의 유전 인자(오늘날의 대립유전자)에 의해 전해진다는 것을 밝혔습니다. 두 인자 중 하나만 있어도 형질이 나타나는 것을 우성, 두 개가 모두 있어야 나타나는 것을 열성이라고 합니다. 보통 우성은 대문자(A), 열성은 소문자(a)로 씁니다.

우성은 「더 좋다」거나 「더 흔하다」는 뜻이 아닙니다. 단지 두 인자가 함께 있을 때 겉으로 드러나는 쪽이라는 뜻입니다. 또 사람의 키, 피부색, 눈 색깔처럼 대부분의 형질은 여러 유전자와 환경이 함께 영향을 주므로 단순한 우열 법칙으로 설명되지 않습니다. 교과서 예로 자주 쓰이던 혀 말기도 실제로는 한 쌍의 유전자로 깔끔하게 설명되지 않는다는 지적이 있습니다.

5.대립유전자가 셋인 경우 — ABO 혈액형

멘델의 완두 예에서는 대립유전자가 R과 r 두 가지뿐이었지만, 한 유전자에 대립유전자가 셋 이상 있는 경우도 있습니다. 사람의 ABO 혈액형이 대표적입니다. 대립유전자는 A, B, O 세 가지이고, 한 사람은 그중 두 개를 부모에게서 하나씩 받습니다.

A와 B는 O에 대해 우성이고, A와 B가 함께 있으면 어느 한쪽이 가려지지 않고 둘 다 나타나 AB형이 됩니다. 그래서 유전자형 AA와 AO는 A형, BB와 BO는 B형, AB는 AB형, OO만 O형입니다. 이 경우 혈액형(표현형)만 보고는 유전자형을 하나로 정할 수 없다는 점이 중요합니다. A형인 사람은 AA일 수도, AO일 수도 있습니다.

ABO 혈액형은 한 유전자로 비교적 깔끔하게 설명되는 드문 예입니다. 앞에서 본 것처럼 대부분의 형질은 이렇게 단순하지 않습니다. 또 혈액형으로 성격을 판단하는 이야기는 과학적 근거가 확인되지 않은 속설입니다.

6.세포 분열 — 체세포 분열과 감수 분열

몸이 자라고 상처가 아무는 것은 체세포 분열 덕분입니다. 염색체를 복제한 뒤 둘로 나누어, 하나의 세포에서 유전 정보가 같은 세포 2개가 생깁니다. 사람의 경우 분열 전후 모두 염색체가 46개입니다.

생식세포(정자와 난자)를 만들 때는 감수 분열이 일어납니다. 연속해서 두 번 나뉘어 세포 4개가 생기고, 염색체 수는 절반인 23개가 됩니다. 정자(23개)와 난자(23개)가 수정하면 다시 46개가 되어 세대가 바뀌어도 염색체 수가 유지됩니다. 감수 분열 과정에서 부모에게 받은 염색체가 섞여 배분되기 때문에 형제자매도 서로 다른 조합의 유전자를 갖습니다.