일반생물학, 생물학의 기본 - 유전자 발현(2)

1. tRNA

(1) 구조

tRNA는 특정 아미노산을 운반하고, mRNA의 특정 코돈에 결합한다. 20종류의 아미노산 각각에 대해 1개 이상의 특정한 tRNA가 존재한다. tRNA는 클로버 형태의 모양을 갖고 있다. tRNA의 3' 말단 -CCA 서열의 -OH기와 아미노산의 카복실기(-COOH)가 탈수 축합반응을 통해 에스터 결합을 형성한다. tRNA의 아래의 부분에는 mRNA와 상호작용하는 세 개의 염기로 이루어진 안티 코돈 부위가 존재한다. 이 tRNA는 상보적으로 결합한 코돈이 암호화한 아미노산을 갖고 있다.  예를 들어, 아르지닌을 암호화하는 mRNA 코돈은 5'-CCG-3'이고 상보적 tRNA 안티코돈은 3'-GCC-5'이다.

 

(2) tRNA 합성효소

각각의 tRNA에 올바른 아미노산을 충전하는 과정은 아미노아실 tRNA 합성 효소(aminoacyl-tRNA synthase)에 의해 이루어진다. 이 효소는 ATP와의 반응을 촉매하여 아미노산을 활성화한다. 이후 피로인산(pyrophosphate)을 방출하여 고에너지 상태인 AMP-아미노산을 형성한다. 아미노산을 지정하는 올바른 안티 코돈을 가진 tRNA가 아미노아실 tRNA 합성 효소와 결합하게 되고 AMP가 방출되면서 tRNA에 아미노산이 결합하게 된다. 

 

2. 단백질 번역

 

(1) 리보솜의 구조

 

리보솜은 rRNA와 단백질로 이루어져 있다. 진핵세포에서 리보솜의 소단위체는 40s(Svedberg 단위) 대단위체는 60s이고 이 두 단위체가 합쳐진 리보솜은 80s이다. 리보솜의 큰 소단위체는 tRNA가 결합하는 3개의 자리가 있다. 

 

1. A 자리

충전된 tRNA 안티코돈이 mRNA 코돈에 결합하는 장소이다. 아미노산이 결합한 tRNA는 신장 중인 폴리펩티드 사슬에 첨가될 아미노산을 운반한다. 종결코돈에 도달하면 방출인자는 A 자리에 위치하여 tRNA에 결합한 펩타이드를 가수분해하여 리보솜과 분리한다.

 

2. P 자리

tRNA가 폴리펩타이드 사슬에 자신이 운반하고 있는 아미노산을 첨가하는 곳이다. 번역 초기에 개시코돈을 인식한 Met-tRNA가 유입되는 장소이다.

 

3. E 자리

아미노산을 넘겨준 tRNA가 리보솜에서 방출되어 세포질로 돌아가기 전 머무르는 장소이다. 

 

(2) 번역 과정

 

번역은 DNA로부터 유래된 mRNA의 정보를 사용하여 특정 아미노산들을 지정하고 중합하여 폴리펩타이드를 만드는 과정이다. 전사와 마찬가지로 번역은 세 단계로 일어난다.

 

1. 개시

mRNA의 번역은 개시복합체의 형성으로 시작된다. 원핵생물에서 작은 리보솜 소단위체의 rRNA가 mRNA의 리보솜 결합부위인 샤인-달가노(Shine-Dalgarno sequence)에 결합한다. 진핵생물은 작은 소단위체가 먼저 mRNA의 5' 캡에 결합한 후 mRNA를 따라 이동하면서 개시코돈을 만날 때까지 이동한다. 또한 원핵생물의 개시코돈이 지정하는 아미노산과 진핵생물의 개시코돈이 지정하는 아미노산은 조금 다르다. 원핵생물은 개시코돈 아미노산으로 formyl기(-CHO)가 결합한 메싸이오닌(formyl methionine)을 암호화하지만 진핵생물은 메싸이오닌을 암호화한다.

 

2. 신장

mRNA에 있는 두 번째 코돈에 상보적인 안티코돈을 갖는 충전된 tRNA가 리보솜 대단위체의 A 자리에 유입된다. 리보솜 대단위체는 펩타이드기 전달 효소 활성(peptidyl transferase)을 가진다. 리보솜 대단위체는 P 자리의 tRNA와 펩타이드 사이 결합을 절단한다. 이후 리보솜 대단위체는 A 자리에 있는 tRNA에 부착된 아미노산과 펩타이드 결합의 형성을 촉매한다. P 자리에 있던 아미노산은 새로운 단백질의 N 말단이 된다. 리보솜은 mRNA를 5'에서 3' 방향으로 이동하면서 코돈을 읽어나가며 단백질을 N 말단에서 C 말단 방향으로 합성해 나간다.

 

3. 종결

mRNA의 코돈이 UAA, UAG, UGA와 같은 종결코돈이 A 자리에 들어가면 번역은 종결된다. 종결 코돈은 어느 아미노산도 암호화하지 않고 tRNA와 결합하지 않는다. 대신 단백질 방출인자와 결합하게 되는데 P 자리의 폴리펩타이드 사슬과 tRNA 사이 결합을 가수분해하면서 단백질 번역을 종결한다. 이후 리보솜과 mRNA는 분리되고 리보솜의 대단위체와 소단위체 역시 분리된다. 

 

3. 번역 후 가공

대부분 성숙한 단백질은 초기 폴리펩타이드와 다르게 번역된 후 여러 가지 방식으로 변형된다. 

 

1. 단백질 분해

일부 폴리펩타이드는 신호 서열을 갖고 있다. 조면소포체에서 신장하고 있는 폴리펩타이드 사슬에서 신호서열 절단이 단백질 분해의 한가지 예시이다. 혈당을 낮춰주는 펩타이드 호르몬인 인슐린의 경우 4차 구조의 단백질을 형성하고 있는 구조이다. 그러나 단백질 분해효소에 의해 일부분이 절단되면서 활성을 갖게 되고 세포외배출을 통해 표적 기관으로 이동해 혈당을 낮추게 된다.

 

2. 당화

당화는 당단백질을 형성하기 위해 단백질에 당을 첨가하는 과정이다. 주로 조면소포체에서 아스파라진(Asparagine)의 질소 부분의 당화가 이루어지거나 골지체에서 세린(Serine)의 산소 부분에 당화가 이루어진다. 당화는 단백질의 입체구조나 세포 표면의 인식 기능에서 중요한 역할을 한다. 

 

3. 인산화

단백질 인산화효소에 의해 단백질에 인산기가 첨가된다. 전하를 가진 인산기는 단백질의 형태를 변화시켜 효소의 활성부위나 다른 단백질들이 결합할 부위를 노출함으로써 활성과 불활성을 조절한다.