6. DNA에서 단백질로: 전사, 번역-2

번역 (Translation)

전사 과정을 통해 mRNA가 만들어지면, mRNA를 토대로 아미노산 서열이 만들어집니다. mRNA가 단백질이 되는 과정을 번역이라고 합니다. mRNA는 4가지의 뉴클레오타이드를 가지고 있지만, 아미노산은 총 20종류가 있기 때문에 아미노산이 일대일 대응으로 만들어질 수 없습니다. mRNA의 뉴클레오타이드는 3개씩 한 조로 연속적으로 읽힙니다. 이때 3개의 뉴클레오타이드를 코돈이라고 부르고, 코돈들은 각기 하나의 아미노산을 인지합니다. 코돈의 조합은 총 64개가 가능한데, 같은 아미노산을 지정하지만 서열이 다른 코돈들이 존재하고 아예 사용되지 않는 코드도 존재합니다. 이때 mRNA에 있는 코돈이 아미노산과 직접 결합하지 않습니다. 코돈과 아미노산 사이에 어댑터 역할을 해주는 분자가 있는데 이를 tRNA라고 합니다. RNA가 세포 내에서 단일 가닥으로 존재하여 특정한 3차 구조로 접힐 수 있습니다. 이렇게 구조를 가지게 되면 그 자체만으로도 특정한 기능을 할 수 있는 분자가 되기도 합니다. tRNA가 이러한 경우인데, tRNA는 클로버잎과 같은 모양을 하고 있습니다. 가운데 잎 모양의 고리 부분의 염기서열이 mRNA의 코돈과 상보적인 쌍을 이룰 수 있는 부분으로 mRNA와 상보적으로 결합하는 3개의 연속적인 뉴클레오타이드를 안티코돈이라고 합니다. tRNA의 3’ 말단에 짧은 단일 가닥 부분이 있는데, 이 부분에 아미노산이 아미노아실-tRNA 합성효소에 의해 공유결합으로 연결됩니다. 이 효소는 20종류로 아미노산마다 각기 다른 합성효소가 있습니다. tRNA에 달려있는 아미노산은 펩타이드 결합을 통해 한 개의 단백질 가닥을 이룹니다. 이 일련의 과정은 리보솜에서 일어납니다. 리보솜은 큰 소단위체와 작은 소단위체로 이루어진 복합체입니다. 작은 소단위체는 tRNA를 mRNA의 코돈과 짝을 지우는 기능을 하고, 큰 소단위체는 폴리펩타이드 가닥에 아미노산을 연결시키는 펩타이드결합을 형성시켜 줍니다. 두 소단위체가 mRNA를 따라 단백질을 합성하다가, 단백질 합성이 끝나면 두 소단위체는 mRNA에서 분리됩니다. 리보솜은 RNA 분자를 위해 4개의 결합 부위를 가지고 있습니다. 하나는 mRNA 결합 부위이고, 3개는 tRNA를 위한 자리로 A, P, E 자리가 존재합니다. mRNA 코돈과 염기쌍을 형성하는 아미노아실 tRNA 분자가 리보솜의 A 자리에 결합합니다. 그다음 tRNA와 아미노산 사이의 고에너지결합이 파괴됨으로써 폴리펩타이드 사슬의 카복시 말단은 P 자리에서 tRNA로부터 분리되고, 펩타이드결합을 통해 A 자리의 tRNA에 연결된 아미노산의 자유 아미노기에 결합합니다. 이는 리보솜의 일부인 펩티딜전달효소에 의해 촉매 됩니다. 이 과정에서 단위체의 이동이 일어나 2개의 tRNA가 E 자리와 P자기로 이동된 후 E 자리에 있는 tRNA는 분리됩니다. 이 과정이 반복되면서 아미노산 사슬이 만들어지게 됩니다. 아미노산의 카복시 말단에 새로운 아미노산의 결합되는 것을 통해 아미노산 사슬이 아미노에서 카복시 말단으로 성장하는 것을 알 수 있습니다. 번역의 시작과 종결은 mRNA의 코돈에 의해 일어납니다. 개시 코돈은 AUG로, 이 서열을 개시 tRNA가 인식합니다. 개시 tRNA는 항상 메싸이오닌 아미노산을 가지고 있습니다. 따라서 새로 만들어진 단백질은 아미노말단에 메싸이오닌을 가집니다. 개시 tRNA와 일반적인 메싸이오닌을 가진 tRNA는 구분되고, 시작점에 있는 메싸이오닌은 대체로 특정 단백질 분해효소에 의해 나중에 제거됩니다. 진핵생물에서 개시 tRNA는 개시인자라는 단백질과 함께 리보솜 작은 소단위체에 적재됩니다. 리보솜 소단위체는 스플라이싱에 의해 생성된 캡을 인지하여 mRNA 분자의 5’ 말단에 결합하여 mRNA를 따라 움직이다가 AUG를 만나면 개시 인자들이 떨어져 나오고 큰 소단위체가 결합하여 리보솜을 완성되고 tRNA 첨가되면서 단백질 합성이 시작됩니다. 반면에 원핵생물은 캡이 없기 때문에 AUG의 상단 부위에 특수한 리보솜 결합 서열을 가지고 있고, 이를 통해 번역이 개시될 수 있습니다. 종결 코돈은 UAA, UAG, UGA로 3종류가 있습니다. 종결 코돈은 tRNA에 의해 인지되지 않습니다. 대신 방출인자라는 단백질이 리보솜의 A 자리에 도달하여 종결코돈에 결합하여 펩티딜전달효소 활성을 변경하여 아미노산이 아닌 물 분자가 펩티딜 tRNA에 첨가되도록 촉매합니다. 이렇게 번역이 끝난 아미노산 서열은 세포질로 떨어지게 됩니다.

 

단백질 분해

단백질 중에는 변성되었거나, 산화되었거나 또는 비정상적인 아미노산을 포함하고 있는 경우들이 생깁니다. 세포질에는 단백질을 아미노산으로 효소적 분해할 수 있는 특별한 경로를 가지고 있어 이러한 단백질들을 분해합니다. 단백질을 아미노산으로 분해해 주는 효소를 단백질분해효소라고 합니다. 단백질분해효소는 펩타이드결합을 절단할 수 있습니다. 진핵세포는 분해효소들이 복합체를 이룬 프로테아솜이 존재합니다. 프로테아솜은 가운데가 실린더 모양을 하고 있고, 분해효소들의 활성부위가 실린더 내부 공간을 향하고 있습니다. 실린더의 양 끝은 막혀있는 구조입니다. 파괴될 예정인 단백질에는 유비퀴틴이라고 하는 작은 단백질이 공유결합으로 부착되어 있습니다. 프로테아솜은 유비퀴틴을 인식하여 분해되어야 하는 단백질을 실린더 내부로 유입시켜 단백질을 분해합니다.

 

2개의 포스팅을 통해서 유전자에 포함된 정보로부터 단백질을 합성하는 과정을 알아보았습니다.