유전학은 생물의 유전자, 유전과 변이를 연구하는 학문으로 생물학의 한 분야라 할 수 있습니다. 유전자의 분자 구조와 기능, 분포, 형질 발현이나 변이 등을 연구합니다. 유전자가 집합한 염색체, 플라스미드의 DNA, 또는 파지, 바이러스의 DNA, RNA를 유전체(genome)라고 총칭하는데, 세균의 경우 유전체는 염색체, 플라스미드, 또는 파지 DNA로 구성하고 있습니다. 모든 유전적 특징은 RNA 바이러스 경우를 제외하고는 DNA에 암호화되어 있습니다.
[세균의 유전학 / 세균 유전학]
1. 세균 염색체
세균의 염색체는 개체의 특징을 결정짓는 유전정보를 함유하고 있습니다. 세균염색체는 하나의 연속적인 DNA가닥으로서, 대부분 세포막에 부착되어 폐쇄된 원형구조를 하고 있으며 예외적으로 두 종류의 모양을 갖거나 선 모양인 세균도 있습니다. 염색체의 크기는 균종에 따라 10배 차이가 나기도 합니다. (580kb~6264kb)
1) 복제
염색체의 복제는 딸세포가 모세포로부터 동일한 복사본을 이어받는 정밀한 과정입니다. 염색체에서 두 개의 DNA가닥이 부분적으로 변성되는 특정부위인, 복제원점 (oriC)에서 염색체 복제 프로세스가 시작됩니다. 이 부위에 여러 가지 단백질이 와서 붙으면, 나선구조가 풀어져 복제가 시작됩니다. 각 단일가닥은 각각 양쪽 방향으로 일어나는 새로운 DNA합성시에, 주형 역할을 하며 양쪽 가닥에 복제가닥이 생깁니다. 복제가 일어나고 있는 두 지점을 복제 분기점이라 합니다. (=replication fork) 복제가 발생할 때, 복제 분기점은 반대방향으로 움직이면서 DNA가닥이 풀어지고 두 개의 새로운 상보적인 가닥이 만들어지는데, 이 과정은 종료 부위에서 만날 때까지 진행됩니다. 이렇게 하여 4개의 DNA가닥이 만들어지는데, 각 딸세포는 모세포로부터 한 가닥을 받고, 새로 합성된 한 가닥을 받게 됩니다. 이러한 과정을 반보존적 복제라 부릅니다. 세포분열과 염색체복제가 동시에 일어나기 때문에 각 딸세포는 모세포로부터 완전한 DNA를 받게 됩니다.
DNA복제에 있어 중심적인 역할을 하는 효소는 DNA의존형 DNA중합효소(DNA-dependent DNA polymerase)입니다. DNA 중합효소는 이미 존재하는 DNA의 하이드록실기(OH), 혹은 짧은 DNA가닥(=primer) DNA,또는 RNA의 하이드록실기에 인산-디에스테르결합을 통해 새로운 뉴클레오티드를 하나씩 추가하여 새로운 긴 DNA사슬을 만들어냅니다. 합성시 오류가 일어나면 수정 기전이 발동하여, 핵산분해효소(nuclease)를 사용하여 부정확한 뉴클레오티드를 삭제한 후 알맞은 뉴클레오티드를 끼워 넣습니다.세균은 자신의 유전체와 다른 외부 뉴클레오티드를 삭제하는 기전을 가지고 있습니다. 제한효소(restriction endonuclease)가 주로 이러한 목적으로 사용되며, 이중 가닥의 DNA에 있는 특정한 염기서열을 가진 부위를 절단합니다. DNA의 특정한 염기배열의 부분만을 가수분해하는 성질을 가진 제한효소는 세균의 자기 방어 수단이라고 볼 수 있습니다. 제한효소로 잘린 DNA절편은 크기가 다양하며, 이를 실험실에서 젤 전기영동(gel-electrophoresis)으로 비교관찰할 수 있습니다. 따라서 이러한 특징 덕택에 제한효소는 DNA를 절단하고 세균과 바이러스를 분석하기 위한 여러 가지 임상분석기술에 활용됩니다.
2) 유전자
유전자는 퓨린과 피리미딘 뉴클레오티드로 된 사슬입니다. 뉴클레오티드는 염기 하나와, 오탄당 하나, 그리고 하나 이상의 인산으로 구성되어 있습니다. 염기에는 퓨린 계열인 아데닌/구아닌, 그리고 피리미딘 계열인 시토신/티민/우라실이 있습니다. 오탄당은 디옥시리보오스/리보오스 중에 하나입니다. 유전정보는 3개의 뉴클레오티드로 이루어진 코돈(codon유전자부호)에 함유되어 있습니다. 각 코돈은 특정 아미노산을 암호화합니다. (예:AUG,GCU,UGA,UAA 등)
뉴클레오티드nucleotide=염기+5탄당+인산
| 글리코시드본드 | 인산디에스테르결합 | |||
| 염기 | 5탄당 | 인산 | ||
| 퓨린 (purine) |
아데닌(A) | 디옥시리보오스 (deoxyribose) |
 5탄당의 5번탄소에 인산디에스텔결합으로 붙어있음. 연속하여 3개까지 붙을 수 있음. (예:1인산,2인산,3인산) |
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| 구아닌(G) | ||||
| 피리미딘 (pyrimidine) |
시토신(C) | 리보오스 (ribose) |
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| 티민(T) | ||||
| 우라실(U) | ||||
이렇게 하여 유전자는 단백질을 구성하는 아미노산의 서열을 가이드합니다. 정상세균의 염색체는 각각 하나의 유전자를 가지고 있기 때문에 세균은 홑배수체(haploid)입니다. 이와 상반하여 고등생물은 각 유전자를 쌍으로 가지고 있으므로 두 배수체(diploid)입니다.