대장균 DNA 복제 과정에서 오카자키 절편 합성이 완료된 후, 연속적인 지연가닥(lagging strand) 완성을 위해 순서대로 작동하는 효소의 조합으로 옳은 것은?
1RNase H가 RNA 프라이머를 제거하고 빈 공간을 채운 뒤, DNA 연결효소가 닉을 봉합한다.
2RNase H가 RNA 프라이머를 제거하고 빈 공간을 채운 뒤, DNA 중합효소 III이 닉을 봉합한다.
3DNA 중합효소 III이 RNA 프라이머를 제거하고 빈 공간을 채운 뒤, DNA 연결효소가 닉을 봉합한다.
4DNA 중합효소 I이 RNA 프라이머를 제거하고 빈 공간을 채운 뒤, DNA 연결효소가 닉(nick)을 봉합한다.✓ 정답
5DNA 중합효소 I이 RNA 프라이머를 제거하고 빈 공간을 채운 뒤, DNA 중합효소 III이 닉을 봉합한다.
해설
대장균에서 오카자키 절편 완성 과정은 다음과 같다. DNA 중합효소 I의 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성이 앞선 오카자키 절편의 RNA 프라이머를 제거하면서 동시에 5'→3' 중합효소 활성으로 빈 공간을 DNA로 채운다(닉 번역 방식). 이후 남은 닉(nick)은 ATP를 이용하는 DNA 연결효소(ligase)가 인접한 두 DNA 절편의 3'-OH와 5'-인산기 사이를 공유결합으로 연결하여 봉합한다. RNase H는 RNA:DNA 혼성체의 RNA를 분해하지만 대장균 오카자키 절편 처리의 주역은 DNA 중합효소 I이다. DNA 중합효소 III은 신장 역할을 하며 닉 봉합 기능이 없다.
핵심 해설
이 문제는 대장균(E. coli)의 DNA 복제(DNA Replication) 과정에서 지연가닥(Lagging strand) 합성의 마무리 단계를 묻고 있어요. 지연가닥은 불연속적으로 합성된 오카자키 절편(Okazaki fragment)들을 연결하여 하나의 긴 DNA 가닥으로 완성해야 하는데, 이때 어떤 효소들이 어떤 순서로 작용하는지가 핵심이에요.
핵심 개념 분석 (Key Concept)
진핵세포와 달리, 대장균의 오카자키 절편 성숙 과정은 주로 핵심!DNA 중합효소 I(DNA Polymerase I)에 의해 이루어져요. 이 효소는 다재다능해서, 세 가지 활성을 가지고 있어요.
1. 5'→3' 중합효소 활성(Polymerase activity): 주형 가닥을 읽어 새로운 DNA를 합성해요.
2. 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성(Exonuclease activity): 앞을 막고 있는 RNA 프라이머나 DNA를 제거해요.
3. 3'→5' 엑소뉴클레아제 활성(Proofreading activity): 잘못 삽입된 염기를 제거하는 교정 기능을 해요.
정답 근거 (Answer Rationale)
대장균에서 오카자키 절편이 연결되는 과정은 '닉 번역(Nick translation)'이라는 독특한 방식으로 진행됩니다.
1. 제거 및 채우기: DNA 중합효소 I이 앞선 오카자키 절편에 붙어 있는 RNA 프라이머(RNA primer)를 자신의 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성으로 제거함과 동시에, 5'→3' 중합효소 활성으로 그 자리를 DNA로 채워 넣어요.
2. 봉합: 이렇게 RNA가 DNA로 대체되고 나면, 새로 합성된 DNA와 기존 오카자키 절편 사이에는 당-인산 골격이 연결되지 않은 닉(Nick)만 남게 돼요. 이때 DNA 연결효소(DNA Ligase)가 ATP를 사용하여 한쪽의 3'-OH기와 다른 쪽의 5'-인산(phosphate)기 사이에 공유 결합을 형성해 틈을 완전히 봉합해요.
오답 분석 (Distractor Analysis)혼동 주의! ①번 보기: 진핵세포에서는 RNase H가 RNA 프라이머를 제거하는 주된 효소이지만, 대장균에서는 DNA 중합효소 I이 주된 역할을 해요. 또한, '빈 공간을 채우는 것'은 DNA 중합효소의 역할이지 RNase H의 역할이 아니에요.
혼동 주의! ②번 보기: DNA 중합효소 III은 DNA 가닥을 빠르게 신장(elongation)시키는 주 복제 효소이지만, 닉을 봉합하는 활성은 전혀 없어요. 닉 봉합은 오직 DNA 연결효소의 역할이에요.
혼동 주의! ③번 보기: DNA 중합효소 III은 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성이 없어서 RNA 프라이머를 제거할 수 없어요. 이 일은 DNA 중합효소 I의 고유한 역할이에요.
⑤번 보기: 앞서 설명했듯이, DNA 중합효소 III은 닉을 봉합할 수 없어요. 닉 봉합은 연결효소가 담당해요.
연관 개념 정리 (Related Concepts)
대장균의 DNA 중합효소들은 각기 다른 역할을 맡고 있어요. 이를 표로 깔끔하게 정리해 보면 이해가 훨씬 쉬워져요.
개념 정리
효소
주요 기능
5'→3' 중합
3'→5' 교정
5'→3' 엑소
DNA pol I
RNA 프라이머 제거 & DNA 채워넣기(DNA 복구)
O
O
O
DNA pol II
DNA 손상 복구(DNA repair)
O
O
X
DNA pol III
주요 복제 효소(선도/지연가닥 신장)
O
O
X
핵심! DNA pol III만 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성이 없어서 RNA 프라이머를 제거할 수 없어요.
한눈에 비교!
구분
대장균(원핵세포)
사람(진핵세포)
RNA 프라이머 제거
DNA 중합효소 I (닉 번역)
RNase H가 제거 후 DNA pol δ/ε가 채움
닉 봉합
DNA 연결효소 (ATP 사용)
DNA 연결효소 I (ATP 사용)
이 차이점은 국시에서 원핵세포와 진핵세포의 복제 기전 차이를 묻는 문제로 자주 출제되니 꼭 기억해 두세요.
약리기전 포인트
여기서 배운 DNA 복제 효소들의 기전은 항생제나 항암제의 작용 기전을 이해하는 밑바탕이 돼요. 예를 들어, 퀴놀론계 항생제(Quinolones)는 DNA 자이레이스(Gyrase)를 억제하여 복제를 막지만, 어떤 항암제는 DNA 연결효소를 표적으로 삼기도 해요. 효소 하나하나의 역할을 정확히 아는 것이 곧 약리학 실력이에요.
암기 팁
대장균 DNA pol I의 세 가지 활성을 기억하는 방법: "1은 혼자 다 한다!" (합성, 교정, 제거 모두 가능). "3은 빨리 달리기만 한다!" (합성과 교정만 하고, 5'→3' 제거는 못 함). 이렇게 역할을 구분해 외우면 헷갈리지 않아요.
국시 빈출 포인트
DNA 복제 과정은 분자생물학의 기본 중의 기본이에요. 특히 각 효소의 작용 방향(5'→3')과 고유 활성(중합 vs 교정 vs 제거)을 정확히 구별하는 문제가 매번 출제되니, 이번 기회에 완벽하게 정리하고 넘어가세요.
기출 변형 주의!
단순 효소 이름을 맞추는 문제에서 더 나아가, "DNA 복제 저해제(항생제)의 표적 효소는 무엇인가?" 또는 "돌연변이가 발생했을 때 어떤 효소의 어떤 활성에 문제가 생겼는지 추론하는 문제"로 변형되어 출제될 수 있어요.
약국/임상 실무 가이드
1임상 시나리오 (Clinical Scenario)기초 분자생물학 개념은 신약 개발과 바로 연결돼요. 예를 들어, 신규 항생제를 검토하는 제약회사 연구원이나 임상 약사가 "이 약물은 세균의 DNA 복제를 막는다는데, 정확히 어떤 효소를 표적으로 하지?"라고 질문한다고 상상해 보세요. DNA pol I, pol III, 연결효소, 자이레이스 등의 역할을 정확히 꿰고 있어야만 신약의 작용 기전을 명확히 설명할 수 있고, 부작용이나 내성 기전까지 예측할 수 있어요.
2환자 안전 및 주의사항 (Precautions)실제 약국에서는 이 지식을 바탕으로 항생제의 선택적 독성을 이해하게 돼요. "왜 이 항생제는 세균만 죽이고 사람 세포에는 해가 적을까?"라는 환자의 질문에, 세균과 사람의 DNA 복제 효소(예: DNA 연결효소) 구조 차이를 설명하며 전문적인 복약 상담을 제공할 수 있어요. 이것이 바로 근거 중심 약학의 힘이에요.
선배 약사의 한마디
"생화학 시간에 배우는 이 효소 하나하나가 훗날 약리학, 약물치료학, 그리고 신약개발의 근간이 돼요. '단순 암기'로 넘기지 말고, '이 효소가 없다면 어떤 약물을 쓸 수 있을까? 어떤 부작용이 생길까?'를 항상 연결 지어 생각하는 습관을 들이면, 국가고시뿐 아니라 평생 약사로서의 경쟁력이 되어줄 거예요!"
오카자키 절편(Okazaki fragment) — DNA 복제 시 지연가닥에서 불연속적으로 합성되는 짧은 DNA 조각. 이후 연결효소에 의해 하나로 연결됩니다.
DNA 중합효소 I(DNA Polymerase I) — 대장균에서 RNA 프라이머 제거 및 DNA 채워 넣기, DNA 복구에 관여하는 효소. 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성을 가집니다.
DNA 연결효소(DNA Ligase) — DNA 가닥의 당-인산 골격 사이에 형성된 닉(nick)을 공유 결합으로 연결하여 봉합하는 효소입니다.
닉 번역(Nick Translation) — DNA 중합효소 I이 5'→3' 엑소뉴클레아제 활성으로 앞쪽 가닥을 제거함과 동시에 중합효소 활성으로 새로운 가닥을 합성하는 과정입니다.
RNA 프라이머(RNA Primer) — DNA 중합효소가 DNA 합성을 시작할 수 있도록 3'-OH 말단을 제공하는 짧은 RNA 조각. DNA 복제 개시에 필수적입니다.