단백질이 생성되는 마지막 단계!! RNA번역(translation)에 관한 모든것(1)

RNA 번역에 대해 알아보자!!!

 

 

 

세포 내에서의 단백질 생합성은 세포 내 DNA에 의하여 지시를 받는다. 이를 이해하기 위해서는 두 가지 측면, 즉 정보 또는 암호 문제와 화학적 문제를 먼저 이해하여야 한다. 정보 문제란 DNA 분자 내 염기서열이 폴리펩타이드 사슬 내의 아미노산 서열로 해독되는 문제이다. 화학적 문제란 단백질 합성과정 문제이다. 즉 합성 개시, 정확한 순서로 아미노산을 서로 연결시키는 것, 사슬의 종결, 합성된 사슬의 방출, 사슬의 접힘 그리고 새로 합성된 사슬의 합성 후 빈번한 변형 등의 문제이다. 위에서 설명한 전 과정을 번역(translation)이라 한다. 이번 포스팅에서는 번역 과정의 개요, 코딩과 디코딩 계의 주요한 특징에 대해 알아보겠다.

 

유전 정보가 mRNA내로 정보화 되면 단백질 합성을 수행하는 고분자 복합체를 형성하기 위하여 다른 형태의 RNAs와 몇몇 효소 분자들이 결합한다. 결국은 단백질 합성과정은 핵산 합성보다 더 복잡하다는 것을 인식하게 될 것이다. 아미노산은 mRNA의 누클레오 타이드 염기와 직접적인 친화력을 가지고 있지 않기 때문에 더욱 복잡한 것이다. 그러므로 단백질을 합성시키기 위하여 mRNA를 제 위치에 유지시키고 아미노산을 일렬로 배열시킨 다음 서로서로를 공유 결합시키기 위하여 특정 분자들이 필요한 것이다.

 

 

 

번역의 개요

 

단백질 합성은 리보솜 상에서 일어난다. 원핵생물의 리보솜은 3가지 종류의 RNA와 약 55가지의 단백질로 구성되어 있다. 이들 단백질 중에는 아미노산 사이의 펩타이드결합 형성을 촉매 하는 효소도 있고, mRNA를 결합시키는 장소, 그리고 아미노산이 종결된 폴리펩타이드 사슬로 통합되어 들어갈 수 있도록 아미노산을 배열시키는 장소로서의 역할을 하는 단백질들도 있다. 아미노산들은 그들 자신이 리보솜과 상호작용할 수도 없고 rRNA 분자 내 염기를 인식할 수도 없다. 그러므로 전사의 모든 것에서 설명한 운반체 분자인 운반 RNA(tRNA)가 존재한다. 이들 tRNA들은 아미노산 결합 장소와 mRNA의 코돈을 인식하는 안티코돈을 가지고 있다. 조립을 위한 아미노산의 선별은 mRNA의 코돈과 안티코돈 사이의 수소결합에 의하여 결정된다. 리보솜 상에서 일어나는 일련의 과정을 아래 그림에 잘 나타나 있다. 그 과정은 원핵생물이나 진핵생물 모두에 적용된다. 진핵생물의 경우, 전사는 핵 내에서 진행되고 단백질은 세포질에서 합성되기 때문에, 단백질이 합성되는 동안에 mRNA는 DNA에 부착되어 있지 않다.

 

단백질 합성시 아미노산은 mRNA의 코돈 순서에 상응하도록 배열되어야 하기 때문에 여러 가지 종류의 tRNA 분자가 있어야 할 것이다. 각 아미노산에 해당되는 특정 tRNA가 존재한다. 더욱이 각 아미노산과 그에 상응하는 tRNA와의 결합만을 촉매 하는 특정 효소가 있다.

 

전장에서 DNA나 RNA같은 고분자들은 일정한 방향으로 합성된다는 사실을 알았다. 아미노기로부터 시작되는 폴리펩타이드 합성도 마찬가지다. 더욱이 mRNA의 번역은 5'에서 3'쪽으로 한 방향으로만 진행된다. mRNA와 단백질의 생합성은 DNA의 암호 가닥에 대하여 극성을 보인다는 사실은 지극히 잘 알려진 사실이다.

 

 

 

 

유전 암호

 

유전 암호란 각 아미노산에 부합하고 해독 신호로서 작용하는 염기서열의 조합이다. 단백질 내에 존재하는 아미노산은 20가지이기 때문에 단백질 합성의 개시와 종결 신호를 포함해서 20가지 이상이 있어야 한다. 만일 모든 코돈이 똑같은 염기수를 가진다면, 각 코돈은 적어도 3개의 염기를 함유하여야 한다. 만일 모든 코돈이 똑같은 염기수를 가진다면, 각 코돈은 적어도 3개의 염기를 함유하여야 한다. 이 결론에 대한 이론은 다음과 같다. 20가지 아미노산과 4가지 종류의 염기만 존재하기 때문에 하나의 염기는 하나의 코돈이 될 수 없다. 또한 한쌍의 염기로 코돈이 이루어진다면 4^2 = 16 밖에 안되므로 한 쌍의 염기가 하나의 코돈이 될 수 없다. 그러나 3개의 염기로 이루어진 염기 조합은 4^3 = 64 종류이므로 필요한 수보다 훨씬 많기 때문에 하나의 코돈은 3개의 염기로 이루어질 수 있다. 사실상 유전 암호는 염기 3개가 한벌로 이루어진 삼중항 코드이다. 64가지 가능한 코돈들은 각각 모종의 정보를 간직하고 있다. 더욱이 해독되는 mRNA 분자상에서 코돈들은 중복되지 않고 연속적으로 읽힌다.

 

유전 암호의 일반적 특성, 예를 들면 각 코돈은 3개의 염기를 함유하며 코돈은 중복되지 않는다는 등의 특성은 여러 가지 유전적 실험을 통하여 추정되었다. 각 코돈의 서열은 이미 염기서열이 알려진 합성 mRNA를 사용한 생체외 단백질 합성 실험을 통하여 결정되었다. 예를 들면 polyuridtlic acid를 mRNA로 사용하면 polyphenylalanine 펩타이드가 만들어지는데, 이는 UUU가 phenylalanine 코돈임을 말해주는 것이다. 3' 말단이 구아닌으로 끝나는 poly(U)를 사용하면 카르복실 말단이 류신으로 끝나는 polyphenylalanine이 합성된다. 이는 UUG가 류신 코돈임을 나타내는 것이다. 이와 같은 실험을 통하여 모든 코돈을 밝혀냈는데, 그의 결과는 구글에 사진으로 잘 정리되어 있다.

 

유전 암호에는 다음과 같은 특성이 있다.

 

1. 대부분의 아미노산들은 하나 이상의 코돈을 가진다. 사실상, 메티오닌과 트립토판만이 단일 코돈만을 가진다. 더욱이 하나의 아미노산에 해다 오디는 여러 가지 코돈들은 3번째 염기만 다르다. 예를 들면, GGU, GGC, GGA 그리고 GGG는 모두 글리신 코돈이다. 그러므로 유전 암호는 중복성이다.

 

2. UAA, UAG, UGA 등은 폴리펩타이드 합성의 종결 코돈이다.

 

3. 하나의 코돈이 폴리펩타이드 합성의 시작을 신호한다. AUG가 개시 코돈으로서 메티오닌 코돈이다. 어떻게 하나의 특정 AUG 서열만이 개시코돈으로 사용되고 그 외 다른 AUG 서열들은 오직 메티오닌을 위한 중간 코돈으로만 사용되는지 의심이 생긴다. 원핵생물에서는 특별한 염기서열이 이 기능을 수행한다. 진핵생물의 경우는 다르다 어떤 생물의 경우는 GUG가 어떤 단백질의 개시코돈으로 사용된다.

 

코돈과 아미노산의 관계는 바이러스, 원핵생물 및 진핵생물 등 모든 생물에 똑같이 적용된다. 그러므로 유전 암호는 보편적이다. 그러나 몇몇 예외는 있다. 어떤 미토콘드리아와 어떤 효모 및 섬모충의 핵 내에서 유전 암호의 변이가 발견되었다. 더욱이 그 특별한 예외는 종 특이적인 것 같다. 이러한 차이의 진화적 의미가 무엇인지는 불분명하다.