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PowerPoint® Lectures forCampbell Essential Biology with Physiology, Third Edition

– Eric Simon, Jane Reece, and Jean Dickey

Chapter 10

DNA의 구조와 기능

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우리와 함께하는 생물학:살인범 추적하기

• 독감 바이러스는 세상에서 가장 치명적인 병원체 중의하나임 [그림 10.0]

• 미국에서 매년 20,000명 이상이 독감 감염으로 사망함.

• 1918년과 1919년 사이 꼭 18개월 동안 전 세계적으로 약4,000만 명이 사망함

• 독감백신이 공중보건을 지키는 최선의 방법임

• 독감 바이러스는 돌연변이가 신속하게 일어나므로, 매년새로운 백신이 만들어져야만 함

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그림 10.0 독감 바이러스사람을 죽일 수도 있지만 독감은 단백질과 핵산으로 이루어진 상대적으로아주 단순한 바이러스에 의해 일어난다.

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DNA: 구조와 복제

• DNA가

– 세포에 있는 화학물질이라는 것이 1800년대 말엽에 알려졌으며

– 유전정보를 저장하고 능력을 가지며

– 복제되고 그런 다음 세대로 전달될 수 있다

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10.1 DNA와 RNA의 구조

• DNA와 RNA는 핵산임

– 이들은 뉴클레오티드(nucleotide)라 부르는 화학적단위(단량체)로 이루어져 있다[그림 10.1]

– 이들 뉴클레오티드는 당-인산 골격(sugar-phosphate backbone)에 의해 서로 연결되어 있다

허시와 체이스의 실험(Animation: Hershey-Chase Experiment)

DNA와 RNA의 구조 (Animation: DNA and RNA Structure)

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당-인산 골격

인산기

질소성염기

DNA 뉴클레오티드

뉴클레오티드 티민(T)

당

폴리뉴클레오티드

DNA이중나선

당(디옥시리보오스)

인산기

질소성 염기(A나 G나 C나 T일 수 있다)

그림 10.1 DNA 폴리뉴클레오티드의 화학구조

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• DNA를 구성하는 네 종류의 뉴클레오티드는 질소성 염기만서로 다른데, 이들 염기는

– 티민(thymine, T)

– 시토신(cytosine, C)

– 아데닌(adenine, A)

– 구아닌(guanine, G) 이다

• RNA는 티민 대신 우라실(uracil, U)을 갖는다

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10.2 왓슨과 크릭이 발견한 이중나선

• 왓슨과 크릭은 DNA가 이중나선(double helix)으로 되어있음을 밝혀 냄

• 왓슨과 크릭은 DNA의 기본구조를 밝히기 위해 X선-결정사진 자료를 사용하였음

– 이 X선-결정사진은 로잘린 프랭클린이 찍은 자료였다

• 이 DNA 모델은 단단한 나무 가로발판이 매달려 있는줄사다리가 나선으로 꼬여 있는 것과 같은 구조인데,

– 양쪽에 있는 밧줄은 당-인산골격을 나타내며

– 각 나무 가로발판은 수소결합으로 연결된 염기쌍을 나타낸다

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• DNA 염기는 상보적인 방식으로 쌍을 이루는데, [그림 10.2]

– A는 T와 쌍을 이루며

– G는 C와 쌍을 이룬다

DNA 이중나선(Animation: DNA Double Helix)

DNA에서 수소결합(Blast Animation: Hydrogen Bonds in DNA)

DNA 이중나선의 구조(Blast Animation: Structure of DNA Double Helix)

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(c) 컴퓨터모델(b) 원자모델(a) 리본모델

수소결합

그림 10.2 DNA를 표현하는 세 가지 방법

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10.3 DNA 복제

• 세포가 생식할 때 완전한 DNA 복사본이 한 세대에서 다음세대로 전달되어야 함

• DNA에 대한 왓슨과 크릭의 모델은 즉시 각 DNA 는 주형메커니즘에 의해 복제하리라는 것을 암시하고 있었음[그림10.3]

DNA 복제의 복습(Animation: DNA Replication Review)

DNA 복제의 개관(Animation: DNA Replication Overview)

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어버이(헌)DNA 분자

딸(새)가닥

딸 DNA 분자(이중나선)

그림 10.3 DNA 복제

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• DNA는 자외선에 의해 손상될 수 있음

• DNA 중합효소(DNA polymerase)는

– 효소이며

– 새로운 DNA 가닥의 뉴클레오티드 사이에 공유결합을 만들고

– 손상된 DNA의 수선에도 관여한다

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• 진핵생물에서 DNA 복제는

– 복제기점이라고 불리는 이중나선의 특정 위치에서 시작되며

– 양방향으로 진행된다

복제기점(Animation: Origins of Replication)

선도가닥(Animation: Leading Strand)

지연가닥(Animation: Lagging Strand)

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DNA에서 RNA를 거쳐 단백질로 흐르는 유전정보

• DNA가 세포와 생물에 유전지령으로써 기능을 함

• 이들 지령이 어떻게 수행되는가?

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10.4 생물의 유전자형이 표현형을 어떻게 결정하나

• 생물의 유전자형은 그 생물의 유전자 구성, 즉 DNA에 있는뉴클레오티드 염기의 서열을 말함

• 표현형은 그 생물의 물리적인 형질을 말하는데, 그것은다양한 단백질의 작용에 의해 생김

• DNA는 두 단계를 통해 단백질을 만들어 내는데, [그림 10.4]

– DNA의 유전정보를 RNA 분자로 옮기는 전사(transcription)와

– RNA에 있는 정보를 단백질로 옮기는 해독(translation)이다

• 한 유전자의 기능은 하나의 폴리펩티드의 생산을 명령하는것임

• 단백질이 두 개 이상의 폴리펩티드 사슬로 이루어질 수도있음

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해독

단백질

RNA

전사

DNA

세포질

핵

그림 10.4 진핵세포에서 유전정보의 흐름

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10.5 뉴클레오티드에서 아미노산으로: 개관

• DNA에 있는 유전정보가

– RNA로 전사되고

– 그런 다음 폴리펩티드로 해독된다

• 무엇이 핵산의 언어인가?

– DNA에서 그것은 한 줄로 된 뉴클레오티드 염기의 서열임[그림10.5]

– 보통 유전자는 수천 개의 뉴클레오티드로 되어 있음

– DNA 한 분자는 수천 개의 유전자를 가지고 있음

• DNA의 한 부분이 전사되면, 그 결과로 얻어지는 것은 RNA 분자임

• 그런 다음 RNA는 폴리펩티드의 아미노산 서열로 해독됨

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해독

아미노산

RNA

전사

DNA 가닥

폴리펩티드

코돈

유전자 1

유전자 3

유전자 2DNA 분자

그림 10.5 코돈의 전사와 해독

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• RNA 메시지가 폴리펩티드로 해독되는 규칙은 어떤 것인가?

• 코돈(codon)이라는 것은 3개의 염기로 이루어진3염기조를 말하는 것인데, 이것은 한 아미노산의 암호에해당함

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10.6 유전암호

• 유전암호(genetic code)는

– 뉴클레오티드 서열과 아미노산 서열 사이를 연결하는 한 세트로된 규칙을 말하며, [그림 10.6]

– 모든 생물에서 같이 사용된다

• 64개의 3염기조 중에서

– 61개가 아미노산을 지정하는 아미노산의 맘호에 해당하고

– 다른 3개는 폴리펩티드의 끝을 나타내는 종결코돈이다

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RNA 코돈의 두 번째 염기

RN

A 코

돈의

첫번

째염

기

페닐알라닌(Phe)

류신(Leu)

Cysteine(Cys)

류신(Leu)

이소류신(Ile)

발린(Val)

메티오닌 또는 개시

세린(Ser)

프롤린(Pro)

트레오닌(Thr)

티로신(Tyr)

히스티딘(His)

글루타민(Gln)

아스파라긴(Asn)

알라닌(Ala)

종결 종결

종결

글루탐산(Glu)

아스파르트산(Asp)

리신(Lys)

아르기닌(Arg)

트립토판 (Trp)

아르기닌(Arg)

세린(Ser)

글리신(Gly)

RN

A 코

돈의

세번

째염

기

그림 10.6 RNA 코돈으로 표시된 유전암호 사전

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10.7 전사: DNA에서 RNA로

• 전사는

– DNA 주형으로부터 RNA를 만드는 것을 말하며[그림10.7a]

– DNA 복제와 닮은 과정을 사용하는데

– U가 T를 대신하고 있다

• RNA 뉴클레오티드는 RNA 중합효소(RNA polymerase)에의해 연결됨

• 한 유전자의 전사과정[그림 10.7b]

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새로만들어진

RNA

RNA 뉴클레오티드

RNA 중합효소

DNA의주형가닥

전사의 방향

(a) 전사의 상세한 모습 (b) 한 유전자의 전사

RNA 중합효소

완성된 RNA

신장 중인 RNA

종결

신장

개시 종결신호 DNA

왼쪽의 (a)에서보았던 부분

RNA

프로모터DNA

RNA 중합효소

유전자의 DNA

그림 10.7 전사

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전사의 개시

• “전사 시작”을 알리는 신호에 해당하는 뉴클레오티드서열을 프로모터(promoter)라 부름

• 전사의 첫 번째 단계는 개시 단계인데, 여기에서

– RNA 중합효소가 프로모터에 부착하여

– RNA 합성의 시작된다

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RNA 신장

• 전사의 두 번째 단계인 신장 단계에서

– RNA가 점점 길어지며

– RNA 가닥의 그 부위는 DNA 주형으로부터 떨어져 나온다

RNA의 역할(Blast Animation: Roles of RNA)

전사(Blast Animation: Transcription)

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전사의 종결

• 전사의 세 번째 단계인 종결 단계에서

– RNA 중합효소가 주형에 있는 종결신호(terminator)라고 부르는특정 DNA 염기서열에 도달하게 되면

– RNA 중합효소는 RNA로부터 떨어져 나오고

– DNA 가닥은 다시 재결합한다

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10.8 진핵세포 RNA의 가공

• 전사 후에

– 진핵세포의 경우에는 RNA 가공이 일어나지만

– 그러나 원핵세포에서는 가공이 일어나지 않는다

• RNA 가공과정에서는 [그림 10.8]

– 모자(cap)와 꼬리(tail)가 첨가되며

– 인트론(intron)들이 제거되고

– 엑손(exon)이 서로 연결되어 mRNA가 만들어진다

전사(Animation: Transcription)

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전사모자와 꼬리의 첨가

암호서열

mRNA

DNA

세포질

핵

엑손이 서로 연결

제거된 인트론 꼬리

모자모자와꼬리를 가진RNA전사체모자

그림 10.8 진핵세포에서 전령 RNA(mRNA)의 생산

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전령 RNA(mRNA)

• 해독에 필요한 성분은

– mRNA와

– ATP와

– 효소와

– 리보솜과

– 운반 RNA(tRNA)이다

10.9 해독: 선수들

• 해독은 핵산 언어를 단백질 언어로 전환하는 것에 해당함

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운반 RNA(tRNA)

• 운반 RNA(tRNA)는 [그림 10.9]

– 분자통역자로 행동하며

– 아미노산을 운반하고

– 안티코돈(anticodon)을 사용하여 mRNA의 코돈과 아미노산을서로 맞물리게 만들어준다

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tRNA 폴리뉴클레오티드(리본모델)

RNA 폴리뉴클레오티드사슬

안티코돈

수소결합

아미노산부착부위

tRNA

(단순하게표시)

그림 10.9 tRNA의 구조

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리보솜

• 리보솜은 세포소기관인데, [그림 10.10a]

– mRNA와 tRNA의 기능을 조정하는데

– 두 개의 단백질 소단위로 이루어져 있으며

– 리보솜 RNA(rRNA)를 포함하고 있다

• 완전히 조립된 리보솜은 해독에 사용할 mRNA와 tRNA를붙잡음[그림 10.10b]

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폴리펩티드에첨가될 다음아미노산

신장 중인폴리펩티드

tRNA

mRNA

tRNA 결합 부위

코돈

Ribosome

(b) 해독에서“선수들”.(a) 리보솜의 단순한 그림

큰소단위

작은소단위

P 자리

mRNA 결합부위

A 자리

그림 10.10 리보솜

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10.10 해독: 과정

• 해독과정은 전사와 마찬가지로 3단계로 나눌 수 있는데,

– 개시와

– 신장과

– 종결이다

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개시

• 개시는

– mRNA와 [그림 10.11]

– 첫 번째 아미노산인 Met가 결합되어 있는 tRNA와

– 리보솜의 두 소단위들을 함께 모이게 된다

• mRNA 분자는 리보솜에 결합하도록 돕는 모자와 꼬리를가지고 있음

• 개시는 두 단계로 일어나는데, [그림 10.12]

– 먼저 mRNA 분자는 작은 리보솜 소단위와 결합하고, 그런 다음개시 tRNA가 개시코돈(start codon)에 결합한다

– 그 다음 큰 리보솜소 단위는 작은 소단위와 결합하여 기능을 갖춘리보솜이 만들어지게 된다

해독(Blast Animation: Translation)

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유전정보의시작

꼬리

끝

모자

그림 10.11 mRNA 분자

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개시 tRNA

mRNA

개시코돈

Met

P 자리

리보솜의작은 소단위

A 자리

리보솜의큰 소단위

그림 10.12 해독의 개시

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신장

• 신장은 세 단계로 일어나는데, [그림 10.13]

– 1단계 코돈인지(codon recognition):

– 들어오는 tRNA분자의 안티코돈은 리보솜의 A자리에 있는mRNA 코돈과 염기쌍을 이룬다

– 2단계 펩티드결합 형성(peptide bondformation):

– P자리에 있는 tRNA에 붙어 있던 폴리펩티드는 분리되어A자리에 있는 tRNA에 붙어 있는 아미노산에 부착되는데

– 이때 리보솜은 두 아미노산 사이에 펩티드결합의 형성을촉매한다

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새로운펩티드결합

종결코돈

mRNA 이동

mRNA

P 자리

전이

펩티드결합 형성

폴리펩티드

신장

코돈인지

A자리

코돈

안티코돈

아미노산

그림 10.13 폴리펩티드의 신장

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– 3단계 전이(translocation):

– P자리의 tRNA는 리보솜을 떠나가고

– 폴리펩티드를 지닌 tRNA는 A자리에서 P자리로 이동하여옮겨 간다

해독(Animation: Translation)

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종결

• 신장은

– 리보솜이 종결코돈(stop codon)에 이르게 되고

– 완성된 폴리펩티드가 떨어져 나오고

– 리보솜은 소단위로 해체될 때까지 계속된다

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10.11 복습: DNA → RNA → 단백질

• 진핵세포에서 유전정보는, 핵 안에서는 DNA로부터 RNA로, 그리고 세포질에서 RNA로부터 단백질로 흐름

• 일단 폴리펩티드가 만들어지면, 그것은

– 꼬이고 접혀져서

– 3차원의 형태, 즉 3차구조를 만든다

• 여러 개의 폴리펩티드가 함께 모여 4차구조를 갖는단백질을 만들기도 함

• 전사와 해독은 유전자가

– 세포의 구조와

– 활동을 조절하는 방법이다

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10.12 돌연변이

• 돌연변이(mutation)는 DNA 뉴클레오티드 서열에서 어떤변화가 생긴 것을 말함

• 돌연변이는 한 단백질에 아미노산을 바꿀 수도 있음

• 돌연변이는

– 염색체의 큰 부위가

– 또는 낫적혈구병에서처럼 단 하나의 뉴클레오티드 쌍만 관련될 수있다

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돌연변이의 유형

• 한 유전자 내에 일어나는 돌연변이는 [그림 10.14]

– 하나의 염기가 다른 염기로 대체되는 염기치환이나

– 뉴클레오티드를 잃게 된 뉴클레오티드의 결실이나

– 뉴클레오티드가 첨가되는 뉴클레오티드 삽입의 결과로 일어난다

• 삽입 또는 결실된 돌연변이는

– 유전메시지의 해독틀이 변할 수 있어서

– 심각한 결과를 초래할 수 있다

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정상 유전자의 mRNA와 단백질

결실된

(a) 염기치환

삽입된(b) 뉴클레오티드 결실

(c) 뉴클레오티드 삽입

그림 10.14 두 종류의 돌연변이와 그 영향

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돌연변이원

• 돌연변이는

– DNA 복제과정에서 실수나

– 돌연변이원(mutagen)이라는 물리적 그리고 화학적 요인에 의해일어난다

• 돌연변이는 자주 해로운 영향을 미치지만, 이것은생물계에서 자연선택에 의한 진화에 필요한 유전자다양성의 출처가 됨

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바이러스와 그 밖의 다른 비세포성 감염체

• 바이러스는 살아 있는 생물체의 특성 전부는 아니지만 몇몇특성을 보여주는데, 바이러스는

– 핵산 형태의 유전물질을 가지고 있으며

– 세포로 되어 있지 않으며 스스로 생식할 수는 없다

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10.13 박테리오파지

• 박테리오파지(bacteriophage) 또는 간단히파지(phage)라고도 부르는 이것은, 세균을 공격하는바이러스를 말함[그림 10.15]

• 파지는 두 가지 생활사를 가짐

(1) 용균성 생활사(lytic cycle)에서는

– 복제된 많은 파지가 세균세포 안에서 만들어진 다음

– 세균은 용해(부수어져 열리게)된다

(2) 용원성 생활사(lysogenic cycle)에서는

– 파지 DNA가 세균의 염색체에 삽입되며

– 매 세포분열마다 파지가 복제되면서 세균은 정상적으로생식한다

T2 파지의 증식생활사(Animation: Phage T2 Reproductive Cycle)

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세균세포

머리

꼬리

꼬리섬유

바이러스의DNA

박테리오파지(길이 200 nm)

Colorized TEM

그림 10.15 세균세포에 감염하는 박테리오파지(바이러스)

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10.14 식물바이러스

• 식물세포에 감염하는 바이러스는

– 식물의 성장을 저해하며

– 생산량을 감소시키고

– 식물 전체로 퍼져나간다

• 식물 바이러스병은

– 치료방법이 없고

– 바이러스 감염에 내성을 갖는 식물 품종을 개발하는 것이 최선의예방법이다

T4 파지의 용균성 생활사(Animation: Phage T4 Lytic Cycle)

람다 파지의 용원성 및 용균성 생활사(Animation: Phage Lambda Lysogenic and Lytic Cycles )

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10.15 동물바이러스

• 동물세포에 감염되는 바이러스는

– 질병의 보통의 원인이며 [그림 10.16]

– RNA나 DNA 게놈을 가질 수 있다

• 일부 동물바이러스는 보호외피막으로서 약간의숙주세포막을 차용함

• 외피막바이러스의 증식생활사는 7단계로 나눌 수 있음

단순화한 바이러스 증식생활사(Animation: Simplified Viral Reproductive Cycle)

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단백질 외투

RNA

단백질 돌기

외피막

그림 10.16 독감 바이러스

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과학연구의 과정: 독감백신이 과연 노인을 보호하는가?

• 관찰: 노인의 백신 접종이 1980년에 15%이던 것이1996년에는 65%로 증가되었다

• 의문: 독감백신이 백신접종을 받은 노인들의 사망률을감소시키는가?

• 가설: 면역이 된 노인에서는 백신접종 후에 맞이한 겨울에병원입원과 사망이 더 적을 것이다

• 실험: 1990년대 10번의 독감계절 동안에 65세 이상의 사람수만 명을 추적하였다.

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• 결과: 백신을 접종한 사람은 [그림 10.17]

– 다음 독감계절에 병원에 입원할 가능성은 27% 이하였고

– 사망할 가능성은 48% 이하였다

HIV의 구조( Blast Animation: HIV Structure)

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사망입원

백신

접종

그룹

에서

심각

한병

과사

망의

백분

율감

소

겨울기간(독감 계절)

여름기간(비독감 계절)

16

0

27

4850

20

40

30

10

0

그림 10.17 노인에서 독감백신의 효과

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10.16 에이즈 바이러스인 HIV

• HIV는 DNA 분자를 재생산하는 RNA 바이러스, 즉레트로바이러스(retrovirus)임 [그림 10.18]

• 레트로바이러스는 RNA를 주형으로 하여 DNA를 합성하는역전사효소(reverse transcriptase)를 사용함

• HIV는 보호 외피막으로서 숙주의 세포막을 차용함

• 감염된 세포에서 HIV 핵산의 행동을 6단계로 나눔

HIV 증식생활사(Animation: HIV Reproductive Cycle)

에이즈 치료전략(Blast Animation: AIDS Treatment Strategies)

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외피막

역전사효소

표면단백질

단백질 외투

RNA

(2개의동일한가닥)

그림 10.18 에이즈 바이러스인 HIV

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• 에이즈(AIDS, [acquired immunodeficiency syndrome, 후천성면역결핍증])는

– 에치아이비(HIV, 사람면역결핍 바이러스) 감염이 그 원인이며

– 모두 바이러스의 증식을 방해하는 약제로 치료한다 [그림 10.19]

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T 뉴클레오티드 한 부분

티민(T)

AZT

그림 10.19 AZT와 T 뉴클레오티드

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10.17 비로이드와 프리온

• 바이러스는 작고 단순하지만 그러나 이들보다 더 작은 두종류의 병원체인 비로이드와 프리온이 있는데,

– 비로이드는 단백질을 암호화하지 않는 작은 원형 RNA 분자이고

– 프리온(prion)은 정상 단백질 분자를 잘못 접힌 프리온 버전으로전환시키는 잘못 접힌 단백질 분자를 말한다

• 프리온은 퇴행성 뇌질환을 일으키는데, 여기에는

– 광우병과

– 양과 염소의 스크래피와

– 사슴과 엘크에서 만성쇠약병과

– 사람의 크로이츠펠트야콥병이 있다

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