38장 단백질 합성 I 유전암호 아미노산-tRNA 리보솜 구조

단백질 합성

유전암호 특성 유전암호(genetic code): DNA(또는 그것의 전사물인 RNA)의 염기순서와 단백질 아미노산 순서의 상관 관계 3 개의 nucleotide들이 1개의 아미노산을 암호화함 한 아미노산은 실제 세 개의 염기 무리, 코돈(codon)에 의해서 암호화됨 유전암호는 겹치지 않음 유전암호는 구두점을 갖지 않음 염기의 순서는 일정한 출발점에서 순차적으로 읽힘

4. 5’→3’ 방향성 있음 5. 유전암호는 축퇴성(degenerate)이 있음 가능한 64가지 삼중자(triplets)들 중 61가지가 특정한 아미노산들을 지정하고 3가지가 번역의 종결을 지정함 대부분의 아미노산이 하나 이상의 암호가 있다 동일한 아미노산을 지시하는 암호들을 동의암호(synonym)이라 함 유전암호의 축퇴성은 돌연변이의 해로운 효과를 최소로 줄임

유전암호 해독 1. 합성 mRNA 이용 : mRNA가 polyU일 경우 poly(Phe) 합성 mRNA가 poly ACACACACACACACACACACA일 경우, poly(Thr-His) 합성.

2. 결합 assay aminoacyl-tRNAs를 유기 합성한 3개의 nucleotide로 구성된 유전암호 존재 하에 리보솜에 결합시킴. 각개의 유전 암호와 결합하는 aminoacyl-tRNAs-리보솜 복합체를 여과 종이로 걸러 유전 암호를 확인

유전암호는 거의 보편적 성질을 가진다 거의 모든 생물들은 동일한 유전암호를 사용함 섬모충류는 종결신호가 다르다 미토콘드리아는 세포의 다른 부분과 다른 유전암호를 가짐

tRNA의 구조 전달 RNA(tRNA)는 코돈과 코돈이 지정하는 아미노산 사이의 접속자(adaptor)분자의 역할을 함 1. tRNA들은 73~93개의 ribonucleotide(~25 kd)를 함유하는 단일 사슬 2. tRNA분자는 L자 모양으로 되어 있음 3. 한 분자에 7~15개의 많은 특이 염기들을 함유하고 있음 이중 일부는 methyl/dimethyl화 AUGC 포함, inosine 등 포함

4. 이차원적 표면에 그릴 때 모든 tRNA 분자는 클로버 잎 양식으로 배열되며, tRNA 들에 있 는 nucleotide들의 약 반은 염기쌍을 이루어 이중나선을 형성함 받개 줄기(acceptor stem), 3’CCA 말단구역, TψC 고리, 가외의 팔(extra arm) DHU 고리, 역코돈 고리(anticodon loop) 외의 부분은 염기쌍을 이루어 이중나선을 형성함 5. tRNA의 5’끝은 인산화되어 있음 6. 활성화된 아미노산은 받개 줄기의 3’ CCA 구성성분 끝의 A 잔기의 OH기에 결합됨 7. 역코돈은 tRNA 연속 부분의 중앙 부근에 있 는 고리에 있다

염기 짝짓기의 동요현상 (wobble) 때문에 일부의 tRNA 분자들은 하나 이상의 코돈을 인식한다 코돈의 각 염기가 역코돈에 있는 상보적 염기와 염기쌍을 형성한다는 가설 약간의 tRNA분자들은 하나 이상의 코돈을 인식할 수 있음 동요(wobble): 세 번째 자리의 짝짓기에서 자유도가 커짐 코돈-역코돈 상호작용에 관한 일반 원칙 코돈의 처음 두 염기들의 인식은 정확하므로 처음 두 염기들 중 하나가 같지 않은 코돈들은 다른 tRNA로 인식될 것 유전암호의 축퇴성은 부분적으로는 역코돈의 첫 번째 염기와, 코돈의 세 번째 염기의 짝짓기의 부정확성(동요)으로 생김 역코돈의 첫 번째 염기에 따라 몇 종류의 코돈들을 읽을 지 결정됨 (I: 3개 코돈 인식)

단백질의 합성의 착오율 1000개 이상의 아미노산들로 구성된 단백질을 정확히 합성키 위해 필요한 착오율은 10-4 보다 작아야 함 실제로 관찰된 착오 값은 10-4 에 가까움

아미노산의 tRNA 부착에 의한 활성화 특정 tRNA와 아미노산이 연결된 aminoacyl-tRNA 분자는 단백질 합성을 위한 기질이다 단백질 합성이 진행되기 위해서는 먼저 아미노산이 처음에 아데닐화로 활성화되고 이 반응은 특이한 aminoacyl-tRNA synthetase들로 촉매됨

활성화 반응 아미노산 카르복실기가 AMP의 인산기와 결합되어 aminoacyl-AMP 형성 아미노산+ATP ⇔ aminoacyl-AMP +PPi 2. Aminoacyl기를 특정 tRNA로 옮겨 aminoacyl-tRNA를 형성 aminoacyl-AMP + tRNA ⇔ aminoacyl-tRNA + AMP 전체반응 : 아미노산+ATP+tRNA+H2O→ aminoacyl-tRNA+AMP+2Pi ΔG=-29KJ/mol 이 반응은 피로인산의 가수분해로 추진되므로 각 aminoacyl-tRNA를 합성하는데 2분자에 해당하는 Pi가 소비됨 aminoacyl-tRNA 합성효소로 촉매되며, aminoacyl-AMP 중간 물질은 합성효소로부터 해리하지 않음

aminoacyl-tRNA synthetase의 정확도 예로 Thr-tRNA synthetase의 아미노산 결합자리의 아연 이온과 곁사슬과 수소 결합하는 Asp에 의해 인지되는데 반하여 비슷한 구조의 Val은 메틸기로 인해 수소 결합하지 못함. 그러나 Ser은 10-2~-3의 확률로 인식함. 추가적으로 aminoacyl-tRNA synthetase들에 의한 교정은 단백질 합성의 정확성 증가시킴.

Thr-tRNA synthetase 에는 활성자리에서 20Å 떨어진 편집자리가 있음 편집자리는 Ser-tRNAthr를 받아들여 Ser과 tRNAthr 결합을 가수분해함 Thr은 추가의 메틸기를 갖고 있어 가수분해를 피함 대부분의 aminoacyl-tRNA synthetase들은 활성화 자리 외에 편집자리를 갖고 있음 결론적으로 두 개의 활성화 및 편집자리가 번역의 정확도를 증가시킨다.

aminoacyl-tRNA synthetase의 tRNA 인식 연역적으로, tRNA는 저마다 상이한 역코돈을 갖고 있어, 합성효소들은 이를 근거로 이들의 tRNA 짝을 인식함

리보솜의 구조 리보솜은 큰 소단위체 (50S)와 작은 소단위체 (30S)로 해리 소단위체는 구성 단백질과 RNA들로 더 해리될 수 있음 - 작은 소단위체: S1~S21까지의 21종류의 단백질, 16S rRNA를 포함함 - 큰 소단위체: L1~L34까지의 34 종류 단백질, 23S, 5S 두 종류의 rRNA 포함

16S rRNA 구조 rRNA들(5S,16S,23S rRNA)은 단백질 합성에서 중요한 역할을 한다 리보솜의 접두사 리보(ribo)가 뜻하는 것처럼 리보솜의 3분의2가량의 질량을 RNA가 차지함 리보솜의 기능에서 중요한 자리들은 대부분 RNA로 이루어져 있다

전령 RNA는 5’ → 3’ 방향으로 번역 번역시, mRNA 염기의 5’ 방향 에서 3’ 방향으로 번역된다 . 이것은 전사되는 방향과 같아서 전사 후 번역이 거의 즉시 이뤄질 수 있게 함. 원핵생물의 유전자 발현의 중요한 특징은 번역과 전사가 공간적으로 또 시간적으로 밀접하게 짝지어져 있다는 것임 한 mRNA에 결합된 리보솜의 무리들을 polyribosome 또는 polysome 이라 함