중심원리(Central dogma) - 번역(Translation)

번역(Translation)

 

만일 언어가 다른 상황에서, 한 언어의 단어가 다른 언어에서 어떤 의미인지를 알고 싶다면 사전이나 번역기를 사용하게 될 것입니다. 마찬가지로 mRNA의 정보(뉴클레오타이드로 구성된 언어)는 단배질의 언어(아미노산 서열로 구성)로 변환하는 번역기가 필요합니다. 생명체에서는 이 번역기의 역할을 수행하는 것이 tRNA입니다. 정확한 번역을 위해서는 tRNA는 mRNA의 코돈을 읽어야 하며, mRNA의 각 코돈에 상응하는 아미노산을 리보솜에 전달해야 합니다.

tRNA가 mRNA를 해독하여 적절한 아미노산을 전달하면, 리보솜의 구성요소가 아미노산 사이에서 펩타이드 결합의 형성을 촉매합니다. 

 

어떻게 tRNA가 코돈을 읽고 특정 아미노산을 리보솜에 운반할까요?

 

20종류의 아미노산 각각에 대한 1개 이상의 특정 tRNA가 존재합니다. 각 tRNA 분자는 구조와 염기서열에 의해 다음 세 가지 기능을 수행합니다.

 

1.tRNA는 특정 아미노산과 결합합니다. 

 : 각 tRNA는 특수한 효소에 결합하는데 이 효소는 tRNA에 20종류의 아미노산 중 하나를 결합합니다. 아미노산은 tRNA의 3'말단에 공유결합합니다.  tRNA 가 아미노산과 결합되었을 때, tRNA는 장전(charged)되었다고 합니다.

 

2. tRNA는 mRNA와 결합합니다.

: tRNA 폴리뉴클레오타이드 사슬의 중산에 mRNA의 코돈과 상보적인 3중체 염기서열인 안티코돈(anticodon)이 있는데 이 tRNA는 상보결합한 코돈이 암호화한 아미노산을 가지고 있습니다. 예를 들어, 아르지닌을 암호화하는 mRNA 코돈은 5'-GGG-3' 이고 상보적 tRNA 안티코돈은 3'-GCC-5'입니다. DNA 이중 가닥처럼 코돈과 안티코돈은 비공유성 수소결합을 통하여 서로 결합합니다.

 

3. tRNA는 리보솜과 상호작용합니다.

: 리보솜 표면에는 tRNA 입체구조와 꼭 들어맞는 자리가 있습니다. 리보솜과 tRNA의 상호작용은 비공유결합입니다.

 

그렇다면 61개의 서로 다른 코돈이 20가지의 아미노산으로 암호화되는데, 이것은 세포가 서로 다른 안티코돈을 가진 61종류의 tRNA를 만드는 것일까요? 아닙니다. 세포는 이 tRNA 종류 수의 약 2/3만으로도 살아갈 수 있습니다. 그 이유는 코돈의 3' 말단 염기와 안티코돈의 5' 말단 염기의 결합 특이성이 엄격하지 않기 때문입니다. 이 현상을 동요현상 (wobble)이라고 하는데 이것이 가능한 것은 일부 경우에 특별한 또는 변형된 뉴클레오타이드가 안티코돈의 5' 위치에 나타나기 때문입니다. 이렇게 이례적인 뉴클레오타이드의 경우가 이노신(inosine, I) 인데 이 뉴클레오타이드는 A, C, U와 염기쌍을 형성할 수 있습니다. 예를 들어, 3'-CGI-5’을 가진 tRNA는 알라닌의 코돈인 GCA, GCC, GCU 모두를 인식할 수 있습니다. 동요현상은 안티코돈-코돈 결합 시 일부가 맞아야 나타나지만, 다른 곳이 맞는 경우에는 나타나지 않습니다. 그리고 무엇보다 중요한 점은 이것이 유전 암호를 모호하게 만들지 않는다는 점입니다. 즉, 각 mRNA 코돈은 특정 아미노산을 운반하는 한 종류의 tRNA에만 결합합니다.

 

리보솜은 번역이 수행되는 분자 작업대입니다. 리보솜의 구조는 mRNA와 tRNA를 올바른 장소에 붙잡아 둘 수 있어, 폴리펩타이드 사슬이 효율적으로 조립되도록 합니다. 리보솜은 오직 한 종류의 단백질만을 특이적으로 생산하지 않습니다. 리보솜은 모든 mRNA와 장전된 모든 종류의 tRNA를 사용할 수 있고, 그래서 다양한 종류의 많은 폴리펩타이드 산물을 만드는 데 이용됩니다. 리보솜은 반복해서 사용될 수 있으며, 보통 세포에 수천 개가 있습니다.

 

리보솜이 비록 세포의 다른 세포 소기관과 비교하여 작지만, 그 질량이 수백만 달톤이 되기 때문에 장전된 tRNA에 비해 상당히 큽니다. 각 리보솜은 큰 소단위체와 작은 소단위체인 두 소단위체로 이루어져 있습니다. 이들 두 소단위체와 수십 개의 다른 분자들은 비공유결합으로 상호작용합니다. 실제로 단백질과 RNA 사이의 소수성 상호작용이 방해받으면 리보솜은 해체됩니다. 그렇게 되면 2개의 소단위체는 분리되고 모든 RNA와 단백질들은 서로 분리됩니다. 방해물질이 제거되면 복합체 구조는 완벽하게 자가 조립됩니다.

 

리보솜은 여러 분자로 이루어진 세포의 분자 기구의 높은 특이성을 보여줍니다. 리보솜은 mRNA와 tRNA가 정확하게 상호작용하게 합니다. 즉, 올바른 안티코돈을 가진 장전된 tRNA만이 mRNA에 있는 적절한 코돈에 결합하게 됩니다. 적절한 결합이 일어나면 염기쌍들 사이에 수소결합이 형성됩니다. 리보솜의 작은 소단위체에 있는 rRNA가 세 염기쌍 결합을 유효하게 하는 역할을 합니다. 만약 이들 세 염기쌍 사이에 수소결합이 모두 형성되지 않으면, tRNA는 그 mRNA 코돈에 맞지 않는 것이므로 올바르지 못한 tRNA는 리보솜에 방출됩니다.

 

 

번역은 DNA로부터 유래된 mRNA의 정보를 사용해서 특정한 아미노산을 지정하고 연결하여 폴리펩타이드를 만드는 과정입니다. 전사와 마찬가지로 번역은 개시, 신장, 종결의 세 단계로 일어납니다.

 

1. 개시

mRNA의 번역은 개시복합체의 형성으로 시작되는데 이는 mRNA에 결합되어 있는 장정된 tRNA와 리보솜의 작은 소단위체로 구성됩니다.

 

원핵생물에서는 작은 리보솜 소단위체의 rRNA가 먼저 상보적인 mRNA의 리보솜 결합장소인 Shine-Dalgarno sequence(AGGAGG)에 결합합니다. 이 서열은 실제 개시코돈으로부터 10개 미만의 상부에 있어 큰 소단위체의 P자리에 인접하도록 개시코돈을 정렬시킵니다.

진핵생물은 리보솜 위에 mRNA를 조금 다르게 위치시킵니다. 작은 소단위체가 먼저 mRNA의 5' 캡에 결합한 다음에 mRNA를 따라 개시코돈을 만날 때까지 이동합니다.

 

유전암호에서 개시코돈은 AUG입니다. 메싸이오닌으로 장전된 tRNA의 안티코돈은 상보적 염기쌍 형성에 의해 mRNA 개시코돈에 결합하여 개시복합체를 완성합니다. 따라서 폴리펩타이드 사슬의 첫 번째 아미노산은 항상 메싸이오닌입니다. 그러나 성숙한 모든 단백질이 N 말단에 항상 메싸이오닌을 갖고 있지는 않습니다. 많은 경우에 맨 앞의 메싸이오닌은 번역 후에 효소에 의해 제거됩니다.

 

메싸이오닌으로 장전된 tRNA가 mRNA에 결합한 후 리보솜의 큰 소단위체가 이 복합체에 결합합니다. 메싸이오닌으로 장전된 tRNA는 이제 리보솜의 P자리에 있으며, A 자리는 두 번째 코돈과 정렬되어 있습니다. 이들 요소, 즉 mRNA, 2개의 리보솜 소단위체 그리고 메싸이오닌으로 장전된 tRNA는 개시인자라 부르는 단백질 그룹에 모이게 됩니다.

 

2. 신장

mRNA에 있는 두 번째 코돈에 상보적인 안티코돈을 가진 장전된 tRNA가 큰 리보솜 소단위체의 비어 있는 A자리에 들어갑니다. 큰 소단위체는 두 반응을 촉매합니다. 첫 번째로, 큰 리보솜 소단위체는 P 자리에 있는 tRNA와 여기에 부착된 아미노산 사이의 결합을 절단합니다. 두 번째는, 큰 리보솜 소단위체는 P 자리의 아미노산과 A 자리에 있는 tRNA에 부착된 아미노산 사이에서 펩타이드결합의 형성을 촉매합니다.

큰 리보솜 소단위체는 이 두 작용을 수행하기 때문에 펩타이드기 전달효소활성을 가졌다고 합니다. 이러한 방법으로 P 자리에 있던 아미노산인 메싸이오닌은 새로운 단백질의 N 말단이 됩니다. 아직은 A 자리에 있는 tRNA에 부착된 상태로 남아 있습니다.

첫 번째 tRNA가 메싸이오닌을 방출한 후 E 자리로 이동하고 리보솜으로부터 분리된 다음에 세포질로 되돌아가 또 다른 메싸이오닌을 장전하는데 사용됩니다. 이제 디펩타이드(2개의 아미노산으로 이루어진 사슬)를 갖고 있는 두 번째 tRNA는 리보솜이 mRNA를 따라 5’에서 3' 의 방향으로 한 코돈만큼 이동함에 따라 P 자리로 위치를 이동합니다. 이러한 단계들이 반복되면서 신장과정이 계속되어, 폴리펩타이드 사슬은 길어집니다.

이 모든 단계는 리보솜 단백질인 신장인자의 도움을 받아 일어납니다.

 

3.종결

UAA, UAG, 또는 UGA와 같은 종결코돈이 A 자리에 들어갈 때 신장주기는 끝나고 번역은 종결됩니다. 이들 코돈은 어떤 아미노산과도 암호화되지 않고 어떤 tRNA와도 결합하지 않습니다. 오히려 이들은 단백질 방출인자와 결합하는데 이것은 폴리펩타이드 사슬과 P 자리에 있는 tRNA 사이의 결합이 가수분해되게 합니다. 새로 합성된 폴리펩타이드는 이때부터 리보솜에서 분리됩니다. C 말단은 이 사슬에 연결된 마지막 아미노산이고, N 말단은 AUG 개시코돈인 메싸이오닌입니다.

 

폴리펩타이드의 아미노산 서열은 이 단백질의 입체구조를 지정하는 정보와 세포내 최종 목적지에 관한 정보를 포함하고 있습니다. 이 방출된 사슬이 반드시 기능을 잡는 것은 아닙니다. 즉, 이 사슬은 변형이 되고 수송이 됩니다. 이에 관해서는 다음 포스팅에서 이야기하겠습니다.