단백질 합성과정

단백질 합성의 의미

단백질 생합성(또는 단백질 합성)과정은 세포 내에서 발생하며 새로운 단백질 생산을 통해 세포 단백질 손실(분해 또는 수출로 인한)을 균형 있게 처리하는 중요한 생물학적 과정입니다. 단백질은 효소, 구조 단백질 또는 호르몬으로서의 많은 중요한 기능을 합니다. 단백질 합성은 원핵생물과 진핵생물 모두에서 매우 비슷한 과정이지만 몇 가지 뚜렷한 차이가 있습니다. 

단백질 합성은 크게 두 단계로 나눌 수 있습니다: 전사와 번역. 전사 중 유전자로 알려진 단백질을 코드하는 DNA의 일부가 메신저 RNA(mRNA)라고 불리는 템플릿 분자로 변환됩니다. 이 변환은 RNA 중합효소로 알려진 효소에 의해 세포핵 내에서 이루어집니다. 진핵생물에서 이 mRNA는 초기에 성숙한 mRNA를 생성하기 위해 전사 후 수식을 받는 미숙한 형태(pre-mRNA)로 생성됩니다. 성숙한 mRNA는 세포핵에서 핵세공을 통해 세포의 세포질로 수출돼 번역이 이뤄집니다. 번역 중 mRNA는 리보솜에 의해 판독됩니다. 리보솜은 아미노산의 배열을 결정하기 위해 mRNA의 뉴클레오타이드 배열을 사용합니다. 리보솜은 코드화된 아미노산 간 공유결합 펩타이드 결합 형성을 촉매하여 폴리펩타이드 사슬을 형성합니다. 

번역 후 폴리펩타이드 사슬은 기능성 단백질을 형성하기 위해 접을 필요가 있습니다. 예를 들어 효소로 기능하기 위해서는 폴리펩타이드 사슬은 기능성 활성 부위를 생성하기 위해 올바르게 접을 수 있어야 합니다. 기능적인 3차원 형상을 채택하려면 폴리펩타이드 사슬은 먼저 2차 구조라고 불리는 일련의 작은 기초 구조를 형성해야 합니다. 다음으로 이러한 2차 구조의 폴리펩타이드 사슬은 접혀져 전체적인 3차원 3차 구조를 생성합니다. 올바르게 접히면 단백질은 서로 다른 번역 후 수식에 따라 더욱 성숙해질 수 있으며 단백질의 기능 능력, 세포 내 위치(세포질이나 핵 등), 다른 단백질과 상호작용하는 능력을 바꿀 수 있습니다. 

단백질 생합성은 기본적인 DNA 돌연변이나 단백질의 잘못된 접힘을 통해 종종 질병의 근본적인 원인이 되기 때문에 질병에서 중요한 역할을 합니다. DNA 변이는 후속 mRNA 서열을 변화시키고 mRNA 코딩 아미노산 서열을 변화시킵니다. 돌연변이는 번역의 조기 종료를 일으키는 정지 시퀀스를 생성함으로써 폴리펩타이드 사슬을 짧게 할 수 있습니다. 또는 mRNA 서열의 돌연변이는 폴리펩타이드 사슬의 그 위치에서 코드되는 특정 아미노산을 변화시킵니다. 이 아미노산의 변화는 단백질의 기능 또는 올바르게 접는 능력에 영향을 줄 수 있습니다.  잘못 접힌 단백질은 고밀도 단백질 덩어리를 형성하는 경향이 있는데, 이는 종종 질환, 특히 알츠하이머나 파킨슨병 등의 신경 장애와 관련이 있습니다.

 

 

전사는 mRNA를 생성하기 위한 템플릿으로 DNA를 사용하여 핵 안에서 발생합니다. 진핵생물에서 이 mRNA 분자는 성숙한 mRNA 분자를 생성하기 위해 핵 내에서 전사 후 수식을 받기 때문에 pre-mRNA로 알려져 있습니다. 그러나 원핵생물에서는 전사 후 수정이 필요 없으므로 성숙한 mRNA 분자는 초기 전사에 의해 즉시 생성되며 헬리카제로 알려진 효소가 DNA 분자에 작용합니다. DNA는 2개의 상보적인 폴리뉴클레오티드 사슬로 구성된 대평행 이중 나선 구조를 가지고 있습니다, 염기쌍간의 수소결합에 의해 결합되어 있습니다. 헬리카제는 수소결합을 파괴하고 DNA의 영역(유전자에 대응)을 풀어 2개의 DNA 사슬을 분리하고 일련의 염기를 노출시킵니다. DNA는 두 가닥의 분자임에도 불구하고 한 가닥만이 mRNA 전합성을 위한 템플릿 역할을 합니다. 이 사슬은 템플릿 사슬로 알려져 있습니다. 또 다른 DNA 사슬(템플릿 사슬과 상보적인 것)은 코딩 사슬로 알려져 있습니다. 

DNA와 RNA는 모두 고유한 지향성을 가지고 있으며 분자에는 두 개의 다른 말단이 있다는 것을 의미합니다. 이 지향성의 특성은 오당의 한쪽에 인산기가 있고 다른 쪽에 염기가 있는 비대칭 기초 뉴클레오타이드 서브유닛에 의한 것입니다. 펜토오스당 중의 5개의 탄소는, 1'(여기서 「소수」는 소수)부터 5'까지 번호가 붙여져 있습니다. 따라서 뉴클레오타이드를 연결하는 포스포디에스테르 결합은 한쪽의 뉴클레오타이드의 3' 탄소 위의 수산기와 다른 쪽의 뉴클레오타이드의 5' 탄소 위의 인산기를 결합하여 형성됩니다. 따라서 DNA의 코드화 사슬은 5'에서 3' 방향으로 달리고, 상보적인 템플릿 DNA 사슬은 3'에서 5' 방향과 반대 방향으로 달립니다

 

 

 

 

 

 

RNA 중합효소는 노출된 템플릿 가닥에 결합하여 유전자에서 3'~5' 방향으로 읽어냅니다. 동시에 RNA 중합효소는 템플릿 가닥과의 상보적 염기쌍이 가능한 활성 뉴클레오타이드(핵 안에 유리된) 간의 포스포디에스테르 결합 형성을 촉매함으로써 5'-to-3' 방향의 pre-mRNA 단일 가닥을 합성합니다. 움직이는 RNA 중합효소의 배후에는 두 가닥의 DNA 사슬이 재결합하기 때문에 한 번에 노출되는 DNA는 12쌍뿐입니다. [6] RNA 중합효소는 초당 20뉴클레오티드의 속도로 pre-mRNA 분자를 구축하여 동일한 유전자에서 1시간 만에 수천 개의 pre-mRNA 분자를 생성할 수 있게 합니다. 합성 속도가 빠른데도 불구하고 RNA 중합효소에는 독자적인 교정 메커니즘이 포함되어 있습니다. 교정 메커니즘을 통해 RNA 중합효소는 절제 반응을 통해 성장하기 전 mRNA 분자에서 잘못된 뉴클레오타이드(DNA의 템플릿 스트랜드와는 상보적이지 않음)를 제거할 수 있습니다.  RNA 중합효소가 전사를 종료하는 특정 DNA 서열에 도달하면 RNA 중합효소는 분리되어 mRNA 전합성이 완료됩니다. 

합성된 pre-mRNA 분자는 템플릿 DNA 가닥과 상보적이며 코드 DNA 가닥과 동일한 뉴클레오타이드 배열을 공유합니다. 하지만 DNA와 mRNA 분자의 뉴클레오타이드 조성에는 하나의 결정적인 차이가 있습니다. DNA는 구아닌, 시토신, 아데닌, 티민(G, C, A, T)의 염기로 이루어져 있습니다. RNA는 또한 구아닌, 시토신, 아데닌, 우라실의 4가지 염기로 구성되어 있습니다. RNA 분자에서 DNA 염기 티민은 아데닌과 염기쌍을 이룰 수 있는 우라실로 대체됩니다. 따라서 pre-mRNA 분자에서는 코드 DNA 사슬에서 티민이어야 할 모든 상보적 염기가 우라실로 대체됩니다

 

 

전사후 수정

전사가 완료되면 pre-mRNA 분자는 전사 후 변형되어 성숙한 mRNA 분자를 생성합니다.

전사 후 수정에는 3가지 중요한 단계가 있습니다
pre-mRNA 분자의 5' 끝에 5' 캡을 추가합니다
3' 말단 pre-mRNA 분자에 3' 폴리(A)테일을 추가합니다
RNA 스플라이싱에 의한 인트론 제거입니다
5' 캡은 pre-mRNA 분자의 5' 말단에 첨가되며 메틸화에 의해 변형된 구아닌 뉴클레오타이드로 구성되어 있습니다. 5' 캡의 목적은 번역 전 성숙한 mRNA 분자의 분해를 막는 것이며, 캡은 또한 리보솜과 mRNA의 결합을 도와 번역을 시작하는 mRNA를 세포 내의 다른 RNA와 구별하는 것을 가능하게 합니다.  대조적으로 3' 폴리(A) 꼬리는 mRNA 분자의 3' 가장자리에 추가되며 100~200 아데닌 염기로 구성되어 있습니다.  이러한 명확한 mRNA 변경에 의해 5' 캡과 3' 테일이 모두 존재하는 경우 셀은 완전한 mRNA 메시지가 손상되지 않은 것을 검출할 수 있습니다. 

이 변형된 pre-mRNA 분자는 다음으로 RNA 스플라이싱 과정을 받습니다. 유전자는 일련의 인트론과 엑손으로 구성되어 있고 인트론은 단백질을 코드하지 않는 뉴클레오타이드 배열이며 엑손은 단백질을 직접 코드하는 뉴클레오타이드 배열입니다. 인트론과 엑손은 기초가 되는 DNA 배열과 mRNA 전분자 모두에 존재하기 때문에 단백질을 코드하는 성숙한 mRNA 분자를 생성하기 위해서는 스플라이싱이 발생해야 합니다.  스플라이싱 동안 개재된 인트론은 스플라이소좀(150개 이상의 단백질과 RNA로 구성)으로 알려진 멀티 단백질 복합체에 의해 pre-mRNA 분자에서 제거됩니다.  이 성숙한 mRNA 분자는 그 후 핵의 포락부에 있는 핵세공을 통해 세포질로 수출됩니다.

 

번역

번역 중 리보솜은 mRNA 템플릿 분자에서 폴리펩타이드 사슬을 합성합니다. 진핵생물에서 번역은 세포의 세포질에서 발생하며, 리보솜은 유리 또는 소포체에 부착되어 있습니다. 핵이 없는 원핵생물에서는 전사와 번역의 양쪽 과정이 세포질에서 일어납니다.

리보솜은 복잡한 분자기계로 단백질과 리보솜 RNA의 혼합물로 이루어져 있으며 mRNA 분자를 둘러싼 2개의 서브유닛(큰 서브유닛과 작은 서브유닛)에 배치되어 있습니다. 리보솜은 mRNA 분자를 5'-3' 방향으로 읽고 이를 템플릿으로 사용하여 폴리펩타이드 사슬의 아미노산 순서를 결정합니다. [11] mRNA 분자를 번역하기 위해 리보솜은 트랜스퍼 RNA(tRNA)로 알려진 작은 분자를 사용하여 리보솜에 올바른 아미노산을 전달합니다. 각각의 tRNA는 70~80개의 뉴클레오타이드로 구성되며 분자 내 뉴클레오타이드 간 수소결합 형성으로 특징적인 클로버 리프 구조를 채택했습니다. 약 60가지의 tRNA가 있으며, 각각의 tRNA는 mRNA 분자 내 3개의 뉴클레오타이드(코돈)의 특정 배열에 결합하여 특정 아미노산을 제공합니다.

리보솜은 처음에 스타트코돈(AUG)으로 mRNA에 부착하여 분자 번역을 시작합니다. mRNA 뉴클레오타이드 배열은 세쌍둥이로 판독되며, mRNA 분자 내 3개의 인접한 뉴클레오타이드는 하나의 코돈에 대응합니다. 각각의 tRNA는 3개의 뉴클레오타이드의 노출 배열을 가지며 안티코돈으로 알려져 있으며 mRNA에 존재할 가능성이 있는 특정 코돈을 차례로 보완하고 있습니다. 예를 들어, 처음 만난 코돈은 뉴클레오타이드 AUG로 이루어진 시작 코돈입니다. 항코돈(보체 3 뉴클레오티드 배열 UAC)을 가진 올바른 tRNA는 리보솜을 사용하여 mRNA에 결합합니다. 이 tRNA는 mRNA 코돈에 대응하는 올바른 아미노산을 전달합니다. 스타토코돈 같은 경우에는 이게 바로 아미노산 메티오닌입니다. 다음 코돈은 상보적인 안티코돈으로 올바른 tRNA에 의해 결합되어 다음 아미노산을 리보솜으로 전달합니다. 리보솜은 펩타이드 전달 효소 활성을 사용하여 인접한 두 아미노산 간의 공유 펩타이드 결합 형성을 촉매합니다.

그 후 리보솜은 mRNA 분자를 따라 세 번째 코돈으로 이동합니다. 그 후 리보솜은 첫 번째 tRNA 분자를 방출합니다. 한 번에 한 개의 리보솜으로 한 개의 tRNA 분자를 모을 수 있는 것은 두 개뿐입니다. 세 번째 코돈과 상보적인 올바른 안티코돈을 가진 다음 상보적인 tRNA가 선택되어 성장하는 폴리펩타이드 사슬에 공유 결합된 리보솜에 다음 아미노산을 전달합니다. 이 과정은 리보솜이 mRNA 분자를 따라 계속 이동하면서 폴리펩타이드 사슬에 초당 15개의 아미노산을 추가합니다.

 

단백질 접힘

폴리펩타이드 사슬의 합성이 완료되면, 폴리펩타이드 사슬은 구부러져 단백질이 그 기능을 수행하는 것을 가능하게 하는 특정 구조를 채택합니다. 단백질 구조의 기본적인 형태는 1차 구조로 알려져 있으며, 이는 단순히 폴리펩타이드 사슬, 즉 공유 결합 아미노산의 배열입니다. 단백질의 주요 구조는 유전자에 의해 코드됩니다. 따라서 유전자 배열에 어떤 변화가 있으면 단백질의 주요 구조와 이후 모든 수준의 단백질 구조가 변화하고 결국에는 전체 구조와 기능이 변화할 수 있습니다

단백질의 1차 구조(폴리펩타이드 사슬)는 단백질의 2차 구조를 형성하기 위해 접거나 감을 수 있습니다. 2차 구조의 가장 일반적인 유형은 알파 헬릭스 또는 베타 시트로 알려져 있으며, 이들은 폴리펩타이드 사슬 내에서 형성되는 수소 결합에 의해 생성되는 작은 구조입니다. 그 후, 이 2차 구조는 구부러져 단백질의 3차 구조를 생성합니다. 3차 구조는 단백질 전체의 3D 구조로 서로 다른 2차 구조가 함께 접혀 있습니다. 3차 구조에서는 활성 부위 등의 주요 단백질의 특징이 접혀지고 단백질이 기능하도록 형성되어 있습니다. 마지막으로, 몇몇 단백질은 복잡한 네 번째 구조를 채택할 수 있습니다. 대부분의 단백질은 하나의 폴리펩타이드 사슬로 이루어져 있지만, 몇몇 단백질은 여러 개의 폴리펩타이드 사슬(서브 유닛으로 알려져 있습니다)로 구성되어 있으며, 이 사슬들은 접혀서 상호작용하여 제4구조를 형성합니다. 따라서 전체 단백질은 헤모글로빈과 같은 여러 개의 접힌 폴리펩타이드 사슬 서브유닛으로 구성된 멀티 서브유닛 복합체입니다. 

번역후 이벤트 입니다
단백질 분해나 단백질 접기와 같은 단백질 생합성에 이은 이벤트가 있습니다. 단백질 분해란 단백질이 프로테아제에 의해 분열되고 효소의 작용에 의해 단백질이 아미노산으로 분해되는 것을 말합니다.

번역후 변경입니다
단백질이 성숙한 기능적인 3D 상태로 접혔을 때, 그것이 반드시 단백질 성숙 경로의 끝은 아닙니다. 접힌 단백질은 번역 후 수정에 의해 더 처리될 수 있습니다. 번역 후 수정에는 200가지 이상의 알려진 유형이 있으며, 이러한 변경은 단백질의 활성, 단백질이 다른 단백질과 상호작용하는 능력, 단백질이 세포핵이나 세포질 안에 있는 위치를 바꿀 수 있습니다. 번역 후 수정을 통해 게놈에 의해 코드되는 단백질의 다양성은 2~3자리 크기까지 확대됩니다.