운반 RNA와 아미노아실 합성!! RNA번역(translation)에 관한 모든것(2)

운반 RNA와 아미노아실 합성효소

 

 

 

mRNA내 염기 서열이 단백질내 아미노산 서열로 해독되는 과정은 tRNA와 아미노아실-tRNA 합성효소라 불리는 일련의 효소에 의하여 이루어진다. 이들 효소들은 아미노산을 tRNA에 공유결합 시킨다. 그들의 작용에 대하여는 곧 설명할 것이다. tRNA는 73내지 93누클레오타이드로 구성된 단일가닥의 작은 분자이다. 모든 RNA 분자들과 마찬가지로 그들은 3'-OH 말단을 가지나 5' 말단은 5'-삼인산으로 끝나지 않고 5'-일인산으로 끝난다. 왜냐하면 tRNA분자는 커다란 일차 전사체로부터 끊겨져 나오기 때문이다. 상보적인 염기서열이 염기쌍을 형성하기 때문에 짧은 이주아닥 지역이 형성되므로 tRNA 분자내에는 루프지역과 이중가닥으로 되어진 줄기직역이 있다. tRNA의 2차원적 모양은 평면적 클로버 잎 모양이고, 그의 3차원적 모양은 더욱 복잡하다.

 

tRNA 분자의 세 부위가 해독과정에 관여한다. 그들 중 하나가 안티코돈인데, 안티코돈이란 mRNA의 코돈과 염기쌍을 이룰 수 있는 3개의 염기로 이루어진 염기서열이다. UAG, UAA 또는 UGA와 상보적인 안티코돈을 가지는 tRNA는 없다. 그러므로 이들 3가지 코돈들이 종결신호로서 인식되고 있다. 제2의 자리는 아미노산 부착부위이다. tRNA의 안티코돈과 염기쌍을 이루는 특정 mRNA의 코돈에 상응하는 아미노산은 이 말단에 공유결합한다. 이들 결합단백질들은 폴리펩타이드 합성시 서로 결합한다. 특정 아미노실 tRNA 합성효소가 아미노산을 안티코돈에 맞추는데 이렇게 하기 위해서 그 효소는 여러 가지 다른 tRNA 분자들로부터 한 tRNA를 구별할 수 있어야 한다. 이러한 구별은 tRNA의 여러 부위가 포함되는 인식 부위 때문에 가능한 것이다. tRNA 분자와 합성효소들은 특정 합성효소에 의하여 특정 tRNA에 결합하는 아미노산의 이름에 따라 명명된다. 예를 들면 leucyl-tRNA syn-thetase는 루신을 tRNALeu에 결합시킨다. 아미노산이 tRNA에 결합되었을 때 tRNA는 아실화 또는 부하되었다고 한다. 아실화된 tRNA는 여러 방법으로 명명된다. 예를 들면 만약 아미노산이 글리신이면 아실화된 tRNA는 글리신-tRNA 또는 Gly-tRNA라고 쓴다. 비부하 tRNA는 아미노산이 부착되지 않은 tRNA이고 오부하 tRNA는 옳지 못한 아미노산으로 아실화된 것을 말한다.

 

각 아미노산마다 적어도 한가지의 아미노아실 합성효소가 존재한다. 그리고 한 개 이상의 코돈에 의해 지정되는 아미노산에 대해서는 한가지 이상의 합성효소가 관여한다. 정확한 단백질 합성은 아래 조건을 요구한다.

 

1. 합성효소에 의하여 tRNA에 그에 상응하는 아미노산이 부착되어야 한다.

2. 코돈-안티코돈의 결합이 정확하여야 한다.

 

코돈-안티코돈 결합은 오직 염기쌍의 인지에만 의존하며, tRNA에 부착된 아미노산은 아미노산과 tRNA의 결합에 아무런 영향을 주지 않는다는 것을 보여주는 몇가지 중요한 실험이 아래에 소개할 것이다.

 

 

 

 

tRNA 분자의 실험적 오부하

 

이 실험에서 방사능 시스테인을 tRNACys에 결합시킨 후 이 시스테인을 화학적으로 알라닌으로 변화시켜 알라닌-tRNACys로 만들었다. 이 잘못 부하된 tRNA분자를 헤모글로빈 mRNA를 함유한 생체외 합성시스템에 첨가하여 헤모글로빈을 합성한 결과 정상적인 헤모글로빈 분자내의 시스테인 자리에 알라닌이 있었다. 이 실험을 통하여 tRNA는 운반체 분자이며 아미노산의 인식부위와 안티코돈지역은 서로 다르다는 것을 알 수 있다.

 

 

 

안티코돈의 실험적 변화

 

tRNA 분자내 안티코돈은 아미노산을 정확한 위치에 삽입시키는 역할을 한다. 이와 같은 사실은 tRNA의 안티코돈 중 하나의 염기를 화학적으로 변화시켜 봄으로써 확인되었다. 글리신 tRNA의 UCC 안티코돈을 화학적인 방법으로 아르기닌 유전암호인 AGA와 염기쌍을 이루는 UCU로 변화시킨 다음 방사능 글리신을 결합시켜서 AGA가 연속되는 합성 mRNA를 이용한 단백질 합성계에 이용하면 새로 합성되는 폴리펩타이드내 아르기닌 위치에 글리신을 삽입 시킨다. 천연의 글리신 tRNA는 이 mRNA에 대해서는 작용하지 못한다. 그러나 천연의 알기닌 tRNA는 (AGA)n 인 합성 mRNA에 의하여 합성된 폴리펩타이드내로 표지된 알기닌을 삽입시킨다.

 

 

 

오류 빈도의 실험적 분석

 

몇몇 아미노산은 그 구조가 유사하므로 합성효소가 때때로 오류를 범할 수도 있을 것으로 생각된다. 만약 오류 빈도가 높으면 DNA 합성에서와 같이 교정기작이 존재한다고 생각할 수 있다. 발린과 이소루신은 그 구조가 비슷한 아미노산인데 실제로 이소루신-tRNA 합성효소는 1/225의 빈도로 발린- AMP를 만든다. 이것은 단백질에서 총 이소루신 위치의 1/225을 발린이 차지한다는 것을 의미한다. 500개 아미노산 중에서 25개의 이소루신을 갖는 단백직의 경우 약 9개 중 1개의 단백질이 바꿔질 수 있게 된다. 이와 같이 아미노산이 잘못 끼어 들어가는 예가 적어도 10가지 정도 알려져 있으므로 거의 모든 분자에서 착오가 생길 수 있겠으나 실제로는 이런 일은 일어나지 않는다.

 

발린-이소루신 착오를 교정하는 편집 기작은 가수분해 과정을 거쳐 발린-AMP가 효소로부터 잘려지고 제거되는 것이다. 이 가수분해는 이소루신-tRNA 합성효소 자체가 가수분해시킨다. 흥미로운 점은 발린이 이 효소에 붙는 것이 신호가 되어 tRNAIle의 가수분해 기능이 활성화 된다는 것이다. 이 교정 기작이 실패하여 발린- tRNAIle이 형성되는 확률은 약 1/800에 불과하다. 따라서 이소루신 자리에 발린이 잘못 끼어 들어가는 확률은 (1/255) x (1/800) = 1/180,00 정도가 된다. 만약 모든 아미노산에서 이런 빈도로 착오가 일어난다면 약 0.17%의 단백질만이 결함을 가지게 될 것이다. 비슷한 경우로 메티오닌-tRNA 합성효소가 트레오닌-AMP와 시스테인-AMP를 형성하는 것이 알려져 있다.