염기쌍

DNA 사다리는 한 칸에 0.34 nm씩 올라가고, 열 칸이면 3.4 nm로 한 바퀴를 돕니다.

꼬인 사다리

NHGRI는 DNA를 나선 모양으로 비틀어 꼰 사다리에 비유합니다. 사다리 양쪽의 기둥은 당과 인산이 번갈아 이어진 사슬이고, 가로대 하나하나는 서로를 붙잡고 있는 염기 두 개입니다. 그런데 염기는 아무렇게나 짝을 짓지 않습니다. 아데닌은 언제나 타이민과 짝을 짓고, 구아닌은 언제나 사이토신과 짝을 짓습니다. 그래서 어느 한 가닥이 ATGC라고 읽힌다면, 그 맞은편 가닥은 반드시 TACG라고 읽혀야 합니다. 그러니 한쪽 가닥만 알면 다른 쪽 가닥을 그대로 받아 적을 수 있습니다.

왜 하필 이렇게 짝을 지을까요? 염기는 크게 두 가지 모양으로 나뉩니다. 아데닌과 구아닌은 고리 두 개가 서로 붙어 있는 퓨린(purine)이고, 사이토신과 타이민은 고리가 하나뿐인 피리미딘(pyrimidine)입니다. 가로대에는 언제나 퓨린 하나와 피리미딘 하나가 들어갑니다. 그래서 가로대의 길이가 모두 같고, 나선의 폭도 처음부터 끝까지 똑같이 유지됩니다. 두 짝은 수소 결합(hydrogen bond)으로 붙어 있습니다. 수소 결합은 약한 끌어당김이어서 하나씩은 쉽게 끊어지지만, 여럿이 함께 모이면 단단합니다. A와 T는 수소 결합 2개로 이어져 있고, G와 C는 수소 결합 3개로 이어져 있습니다. 모형에서 부품 이름을 켜고 가로대 하나를 누르면 그 결합들을 볼 수 있습니다.

나선의 숫자

이 모형에 쓴 치수는 OpenStax 생물학 교과서에 나온 값을 그대로 가져온 것입니다. 나선의 지름은 2 nm입니다. 염기쌍 하나는 바로 아래 염기쌍보다 0.34 nm 위에 놓이고, 나선이 한 바퀴 온전히 도는 높이는 3.4 nm입니다. 따라서 한 바퀴에는 3.4 ÷ 0.34 = 10개의 염기쌍이 들어갑니다. 참고로 1 nm(나노미터)는 1 mm의 100만분의 1입니다. 모형에 있는 염기쌍 27개를 이으면 길이가 27 × 0.34 = 9.18 nm가 되는데, 이것은 세 바퀴에 조금 못 미치는 길이입니다.

또 두 가닥은 서로 반대 방향으로 뻗어 있습니다. 화학자들은 당을 이루는 탄소 원자에 번호를 붙입니다. 그 번호로 말하면 가닥의 한쪽 끝은 5′ 탄소에서 끝나고, 다른 쪽 끝은 3′ 탄소에서 끝납니다. 가로대를 사이에 두고 한 가닥의 5′ 끝은 다른 가닥의 3′ 끝과 마주합니다. 이런 배열을 역평행(antiparallel)이라고 합니다. 또 두 뼈대가 서로 정확히 맞은편에 놓여 있지 않기 때문에, 꼬인 나선을 따라 넓은 홈과 좁은 홈이 빙 돌아가며 생깁니다. 단백질은 이 홈을 붙잡을 자리로 삼아 염기를 읽어 냅니다.

짝짓기 규칙 덕분에 DNA가 복사됩니다

세포가 나뉠 준비를 할 때면 이중 나선이 한가운데를 따라 갈라져 외가닥 두 개가 됩니다. 그러면 가닥 하나하나가 새 가닥을 만드는 본(주형, template) 노릇을 합니다. T가 있는 자리마다 A가 붙고, G가 있는 자리마다 C가 붙는 식으로 계속 이어져서, 결국 모든 염기가 다시 짝을 갖게 됩니다. 그 결과 이중 나선이 두 개 생기는데, 둘 다 원래 나선을 정확히 복사한 것입니다. 이때 복사본마다 가닥 하나는 원래 있던 옛 가닥이고 다른 하나는 새로 만든 가닥입니다. 그래서 생물학자들은 이런 복제를 반보존적 복제라고 부릅니다. 모형에서는 옛 가닥을 베이지색, 새 가닥을 파란색으로 칠해 두었으므로, 각 가닥이 어디로 가는지 따라가 볼 수 있습니다.