39장 단백질 합성 II 1. 개시 2. 연장 3. 종결 4. 이동 5. 합성 조절

단백질 합성 과정

단백질 합성 개시 리보솜은 30S와 50S 소단위체 사이를 연결하는 세 개의 tRNA 결합자리들을 가지고 있다. 리보솜 위의 세 개의 tRNA-결합자리들은 mRNA 상의 코돈에 의하여 해독될 아미노산들이 연속적으로 펩티드 결합을 형성할 수 있도록 배열되어 있다. tRNA 분자들의 각각은 30S 소단위체와 50S 소단위체에 접촉되어 있다. 30S 끝에서는 세 개의 tRNA 분자들 중 두 개가 역코돈-코돈의 염기쌍을 통하여 mRNA 조각에 결합하고 있다. A (aminoacyl) 자리, P (peptidyl) 자리, E (exit) 자리 각 tRNA 분자의 다른 끝은 50S 소단위체와 상호작용한다. A자리와 P자리를 차지하고 있는 tRNA 분자들의 받개 줄기들은 펩티드 결합이 형성되는 자리에서 모인다.

시작신호 알려진 모든 박테리아의 mRNA 분자들은 암호를 받아서 생기는 각 폴리펩티드 사슬의 시작과 끝을 지정하는 신호들을 가지고 있다. mRNA에서 개시코돈은 AUG (Met), 또는 훨씬 낮은 빈도로 GUG (Val)이거나, 매우 드물게 UUG (Leu)이다. 개시 코돈 혼자서 단백질 합성 시작의 임무를 수행하는 것은 아니라, 개시 코돈에서 5′쪽으로 약 10개 nt 떨어진 자리에 중심이 있는 Shine-Dalgarno 서열이라 부르는 purine이 풍부한 연속부분에 의해 리보솜의 작은 소단위체인 16S rRNA 와 상호작용하여 번역을 시작한다. 둘의 상호작용은 단백질 합성이 어디서 출발할 것인지를 결정. mRNA 염기들과 16S rRNA의 3′ 끝과의 짝짓기 mRNA 에 있는 개시코돈과 개시 tRNA 분자의 역코돈과의 짝짓기

박테리아에서 단백질 합성은 formylmethionyl tRNA로 개시 박테리아의 단백질 합성은 N-formylmethionine (fMet)으로 시작. 단백질 합성의 개시를 위하여 특수한 tRNA가 fMet을 리보솜으로 운반. 개시 tRNA(initiator tRNA, tRNAf)는 내부에 위치하는 Met-tRNA (tRNAm)과는 다르다. 새로 만들어진 사슬이 10개의 아미노산으로 길어졌을 때 N-fMet이 제거. Met은 같은 aminoacyl-tRNA synthetase 로 이 두 가지 tRNA들에 결합된다. Transformylase가 tRNAf에 부착된 Met의 아미노기를 N-formyl-tetrahydrofolate를 이용하여 포르밀화 한다.

개시 세 가지 개시인자(initiation factors) 단백질들 IF1, IF2, IF3에 의해 mRNA와 fMet-tRNAf가 리보솜으로 운반된다. 먼저, 30S 리보솜 소단위체가 IF1과 IF3에 결합하여 복합체를 형성 30S 소단위체와 50S 소단위체의 너무 빠른 결합을 막음 2. GTPase인 IF2는 GTP와 결합하고, 이와 동시에 일어나는 입 체 형태의 변화는 IF2가 fMet-tRNAf와 결합할 수 있게 해준 다. IF2-GTP-개시 tRNA 복합체는 mRNA와 30S 소단위체에 결합하여 30S 개시 복합체 형성. 3. 50S 소단위체가 결합할 때 IF2에 결합했던 GTP가 가수분해 되어 개시인자들이 방출되고, 이 결과로 70S 개시 복합체가 형성된다. 70S 개시 복합체가 형성되면, fMet-tRNAf 분자는 리보솜의 P 자리를 차지하고, fMet-tRNAf의 역코돈이 mRNA 에 있는 개시코돈과 짝을 지을 수 있게끔 fMet-tRNAf가 자리 를 잡는다.

연장(Elongation) 1. 다른 아미노산 도입 2. 펩티드 결합 형성(transpeptidation) 펩티드 결합 형성: 1. 다른 아미노산 도입 2. 펩티드 결합 형성(transpeptidation) 3. 자리 옮김(translocation) 구성요소: 70S 개시 복합체, a.a-tRNA, 연장인자 (EF-Tu, EF-Ts, EF-G), GTP

1. 다른 아미노산 도입 tRNA는 활성에 GTP를 요구하는 연장인자 Tu (elongation factor Tu, EF-Tu)와 결합하여 리보솜의 A 자리로 넘겨진다. aminoacyl-tRNA에 결합한 EF-Tu 의 기능 EF-Tu는 aminoacyl-tRNA의 약한 에스테르 연결이 가수분해되는 것을 막는다. EF-Tu에 있는 GTP는 EF-Tu-aminoacyl-tRNA 복합체와 리보솜 사이에 적당한 복합체가 형성되었을 때 가수분해되어 GDP로 된다. EF-Tu는 두 번째 연장인자인 EF-Ts에 의하여 GTP형으로 되돌아간다. EF-Tu가 fMet-tRNAf와 상호작용하지 않기 때문에, 개시 tRNA는 A 자리에 넘겨지지 않는다. Met-tRNAm은 다른 모든 aminoacyl-tRNA들과 마찬가지로 EF-Tu에 결합한다. 내부의 AUG 코돈들이 개시 tRNA로 읽히지 않는 이유이다.

2. 펩티드 결합 합성 aminoacyl-tRNA에 의하여 P 자리와 A 자리가 채워지면 펩티드결합 형성이 시작된다. 펩티드 결합의 형성은 peptidyl transferase (펩티딜기 전이효소)의 중심이라고 부르는 23S rRNA의 한 부위에 의해 촉매되어 열역학적으로 자발적으로 일어난다.

23S rRNA에 의한 펩티드 결합 형성 A 자리 aminoacyl-tRNA의 아미노기에 의한 P 자리 peptidyl-tRNA의 카르보닐기에 대한 친핵성 공격이 23S rRNA 내부의 2451에 위치하는 purine A가 양성자와 결합함으로써 촉진된다

3. 자리 옮김(translocation) 펩티드 결합의 형성에 뒤이어서 GTP로 추진되는 tRNA들과 mRNA의 자리 옮김이 일어난다. 펩티드 결합이 형성되면, 이제 펩티드 사슬은 역코돈이 30S 소단위체의 A 자리에 있는 tRNA에 결합된다. 50S 소단위체와의 상호작용의 변화로 이 tRNA의 CCA 말단 그리고 이와 결합한 펩티드는 큰 소단위체의 P 자리에 놓이게 된다. 번역과정이 계속 진행되려면, 첨가될 다음 아미노산의 코돈이 A 자리에 있도록 mRNA가 옮겨가야 한다. 자리옮김(translocation)은 연장인자 G (elongation factor G, EF-G) 혹은 자리옮김효소(translocase)의 도움을 받는다. EF-G는 30S 소단위체 위의 A 자리로 이동하고 리보솜을 따라서 tRNA와 mRNA를 한 코돈을 이동시키기 위하여 GTP 가수분해 에너지를 이용한다. 펩티드 사슬은 이 회로가 작동하는 내내 50S 소단위체의 P 자리에 머물러 있다. 폴리펩티드는 아미노 말단에서 카르복실 말단 방향으로 합성된다.

종결(Termination) 종결 코돈인 UAA, UGA 또는 UAG는 일반적인 tRNA가 아니라 방출인자(RFs)에 의해 인지된다. RF1은 UAA나 UAG를 인식 RF2는 UAA나 UGA를 인식 RF3는 RF1 또는 RF2가 리보솜과 상호작용하는 것을 매개 RF1과 RF2는 리보솜에 결합하면 펼쳐지면서 mRNA의 종결 코돈과 50S 소단위체의 peptidyl transferase 중심구역 사이의 틈을 연결한다. 방출인자는 peptidyl transferase 의 도움을 받아 물 분자가 에스테르 결합을 공격하도록 촉진하여 폴리펩티드 사슬을 떼어낸다.

진핵생물의 단백질 합성 진핵생물과 원핵생물의 단백질합성에서의 유사성과 차이점 리보솜 진핵생물의 리보솜들은 더 크다. 진핵생물 : 60S + 40S  80S 원핵생물 : 50S + 30S  70S 개시 tRNA 진핵생물에서는 개시 아미노산이 N-fMet이 아니라 Met이다. 원핵생물에서와 마찬가지로, 특수한 tRNA가 개시에 참여한다. [Met-tRNAi (i 는 개시라는 뜻) 또는 Met-tRNAf (f는 시험관에서 포르밀화될 수 있다는 뜻)]

개시 진핵생물은 Shine-Dalgarno 서열이 없고 mRNA의 5′ 끝에서 제일 가까운 AUG가 보통 출발자리로 선택. Met-tRNAi가 결합된 40S 리보솜은 진핵생물의 mRNA 5′ 끝에 있는 cap에 부착하고, 3′ 방향으로 한 걸음씩 움직이면서 AUG 코돈을 찾음. 진핵생물의 mRNA는 한 개의 출발자리만 가지므로, 한 개의 단백질에 대한 주형이지만 원핵 생물의 mRNA는 여러 개의 Shine-Dalgarno 서열, 즉 여러 개의 출발자리를 가질 수 있으므로, 몇 개의 단백질 합성을 위한 주형이 될 수 있다.

mRNA의 구조 진핵생물의 mRNA는 원형이다. mRNA 갓 구조에 결합하는 elF-4E 단백질은 poly(A) 꼬리에도 두 개의 PABP1 단백질을 통해 결합한다. 원형 구조는 단백질 합성 종결 이후에 리보솜들의 재결합을 용이하게 한다.

임상적 통찰 개시인자 IF2의 돌연변이는 흥미로운 병적상태를 일으킨다. 진핵생물 개시인자 IF2에서의 돌연변이는 뇌의 신경세포가 사라지고 뇌척수액으로 채워지는 단백질 소멸 질환(Vanishing White Matter 질환)이라고 부르는 희귀한 질환에 걸리게 한다. 환자는 질병의 발병 후 몇 년에서 십여 년 후에 열 혹은 지속적인 혼수상태가 일어나서 사망하게 된다. VWM 같은 질환을 영상적으로 볼 수는 있지만 건강과 질환의 복잡성을 이해하기 위해서는 생화학적으로 더 많은 연구가 필요하다.

임상적 통찰 일부 항생물질들은 단백질 합성을 억제한다. streptomycin fMet-tRNAf가 리보솜과 결합하는 것을 방해함으로써 단백질 합성이 제대로 시작되지 못하게 함. aminoglycoside antibiotics 30S 소단위체의 16S rRNA와 tRNA 사이의 상호작용을 방해. chloramphenicol peptidyl transferase 의 작용을 억제함으로써 작용. erythromycin 50S 소단위체에 결합하여 자리 옮김을 저해. puromycin 새로 생긴 폴리펩티드 사슬들을 완전히 합성되기 전에 방출시킴으로써 단백질 합성을 억제. cycloheximide 진핵생물 리보솜의 자리 옮김을 억제.

항생제 구조 antibacterial Synthetic antibiotics

Puromycin의 단백질 합성 저해

임상적 통찰 디프테리아 독소는 자리옮김을 억제함으로써 진핵생물의 단백질 합성을 방해한다. 몇몇 원핵생물들은 진핵생물의 단백질 합성 억제제를 생성하여 디프테리아와 같은 질환을 일으킨다. 디프테리아로 인한 사망은 주로 상부 호흡기관에서 자라는 Corynebacterium diphtheriae가 생성하는 단백질성 독소가 원인이다. 독소는 단백질의 합성을 억제한다. 독소는 목표 세포로 들어간 후 즉각적으로 21 kd의 A 조각과 40 kd의 B 조각으로 쪼개진다. A조각의 표적은 진핵생물의 단백질의 합성에서 자리옮김을 촉매하는 연장인자인 eEF2이다. EF2의 단 한 개의 diphthamide의 곁사슬이 A조각에 의해 ADP-리보실화되면, 성장하는 폴리펩티드 사슬의 자리옮김을 일으키는 EF2의 기능 방해된다.

임상적 통찰 리신(ricin)은 28S rRNA를 치명적으로 변경한다. 500 μg 섭취로도 사망 리신은 촉매작용을 하는 A 사슬과 표적세포 표면의 galactose에 결합하는 B 사슬이 한 개의 이황화결합으로 연결되어 있는 이종이합체이다. B 사슬은 독소가 세포에 결합하도록 하는데, 이 결합은 내포작용으로 이합체의 세포내 유입을 유도하고, 결과적으로 A 사슬을 세포질로 들어가게 한다. A 사슬은 N-글리코시드 가수분해효소로, 28S rRNA의 특정 adenosine nucleotide에서 adenine 염기를 떼어낸다. adenine 염기의 제거는 연장인자들과의 결합을 방해해서 리보솜을 완전히 비활성화시킨다. Blue: A 사슬; yellow: B 사슬

단백질 이동 및 운반 새로 합성된 모든 단백질이 세포질에서 기능을 하는 것은 아니다. 단백질의 최종 목적지는 대체적으로 단백질을 합성하고 있는 리보솜의 위치에 달려 있다. 세포질의 리보솜들은 세포 안쪽에 존재하는 단백질을 합성한다. 이 단백질들은 세포질 안에 존재하거나 엽록체, 미토콘드리아, 핵 등과 같이 두 겹의 막 구조를 가지는 세포 내 소기관들로 인도된다. 소포체에 붙어 있는 리보솜들은 보통 세포 밖으로 나가거나 세포막의 단백질들을 합성한다. 분비성 단백질(세포 밖으로 방출되는 단백질들) Lysosome의 단백질들 원형질막에 걸쳐 있는 단백질들

단백질 이동

분비와 막 단백질 합성 단백질 합성은 세포질에서 자유롭게 존재하는 리보솜에서 시작된다 세포를 떠나거나 원형질막에 박혀 있을 단백질들의 합성은 자유로운 리보솜에서 시작된다. 합성이 시작되고 바로 뒤에 리보솜이 소포체(ER)의 세포질 쪽으로 인도될 때까지 합성이 정지된다. 리보솜이 막에 결합되면 단백질의 합성이 다시 시작된다. 이때 새로 생성된 펩티드 사슬이 리보솜 밖으로 나오면 계속 번역이 되면서 펩티드 사슬은 소포체의 내강으로 막을 통해 운반된다.

신호 서열들은 소포체 막을 가로질러 자리옮김을 할 단백질을 표지한다. 리보솜을 소포체로 향하게 하고 새로 합성된 단백질의 이동을 위해 필요한 기구의 4가지 성분 1. 신호 서열(signal sequence) 갓 생성된 폴리펩티드 사슬의 아미노 말단에 존재하는 9-12개의 연속적인 소수성 아미노산들. 신호 서열의 존재는 갓 생성된 펩티드가 소포체의 막을 통과하여야 하는 펩티드라는 것을 표지해 준다. 어떤 신호 서열들은 완성된 단백질에 여전히 존재하는 반면, 다른 것들은 소포체 막의 내강 쪽에서 signal peptidase에 의해 잘린다.

2. 신호 인식 입자(signal-recognition particle, SRP) 신호 인식 입자는 리보솜에서 신호 연속부분이 빠져 나오자마자 신호 연속부분을 인식하여 신호 연속부분과 리보솜에 결합한다. SRP는 리보솜과 갓 생성된 폴리펩티드 사슬을 소포체 막으로 안내한다. SRP가 신호 서열에 결합한 후에, 리보솜과 SRP 사이의 상호작용으로 연장인자의 결합자리가 막히며, 이 때문에 단백질 합성이 정지된다. 3. SRP 수용체(SRP receptor, SR) SRP-리보솜 복합체는 소포체로 확산되고, 그곳에서 SRP는 두 개의 소단위체로 이루어진 내재성 막 단백질인 SRP 수용체(SR)와 결합한다. 4. 자리 옮김 장치(translocon) 자리 옮김 장치는 단백질 유도 통로이다. 이 통로는 자리 옮김 장치와 리보솜이 서로 결합했을 때 열린다. 단백질 합성은 자리 옮김 장치 통로를 통해 소포체의 내강으로 들어가는 폴리펩티드 사슬이 자라면서 다시 시작된다.

단백질 합성의 조절 철에 의한 단백질 합성조절 철의 적절한 양 유지에 필요 단백질들 트란스페린(transferrin): 혈청에서 철을 운반하는 운반 단백질 트란스페린 수용체(transferrin receptor): 철을 실은 트란스페린과 결합하고 그것을 세포 안으로 운반하는 막 단백질 페리틴(ferritin): 주로 간과 신장에 있는 매우 효율적인 철 저장 단백질 ferritin transferrin receptor

조절 철이 부족할 때 트란스페린 수용체의 양은 증가하고 페리틴은 거의 또는 전혀 합성되지 않는다. 이 단백질들에 대한 mRNA 합성 정도는 상응하게 변하지 않고 번역 수준에서 조절이 일어난다. 페리틴 mRNA는 그 5′쪽으로 번역되지 않는 구역에 iron-response element(IRE)라는 줄기-고리 구조를 포함하고 있고 트란스페린-수용체 mRNA에는 IRE와 같은 몇 개의 구역이 3’ 끝에 존재한다. IRE-binding protein(BP)가 일종의 철 농도의 센서로 작용 1) 철 수준이 낮을 때, 페리틴 mRNA의 5’ 상류의 줄기-고리는 IRE-결합 단백질(IRE-BP)이라고 부르는 단백질과 결합하여 번역의 개시를 막는다. IRE-BP는 트란스페린-수용체 mRNA의 3’ 하류의 IRE 구역들에 결합한다. 그렇지만 IRE 구역이 3’ 하류에 존재하므로 이 결합에도 불구하고, 트란스페린-수용체 mRNA는 여전히 번역될 수 있다.

2) 철 수준이 증가하면, IRE-BP가 철과 결합하여 IRE-BP는 페리틴 mRNA로부터 떨어져 나오고, mRNA는 번역되어서 페리틴을 생성하며, 이 페리틴은 과잉의 철을 격리한다.   트란스페린-수용체 mRNA가 철과 결합한 IRE-BP로부터 이탈되기 때문에, 트란스페린-수용체 mRNA가 신속히 분해되고, 트란스페린-수용체 단백질의 생산이 줄어든다.

miRNA에 의한 mRNA의 안정성과 이용 조절 생성과정 RNA 분해효소의 하나인 Dicer는 줄기-고리 구조가 풍부한 큰 선구체로부터 약 21개의 염기쌍으로 이루어진 dsRNA를 방출시킨다. 더 가공을 하면 이 21쌍의 이중가닥 dsRNA의 한 가닥이 분해되고 최대 21개까지의 누클레오티드로 구성된 미세 RNA (micro RNAs) 형성 다른 가닥은 argonaute라고 하는 단백질과 결합하여 miRNP라 부르는 리보핵산 단백질 복합체를 형성한다. miRNP의 작은 RNA 성분이 정확한 왓슨-크릭 염기 짝짓기에 의하여 mRNA에 결합하면 mRNA는 파괴된다. 상보성이 정확하지 않다면 mRNA는 번역되지 않는다. 사람의 경우 700개 정도의 miRNA 존재하여 발생, 분화 및 발암 과정 조절 RNA 간섭 (RNAi): 이중 가닥 RNA (dsRNA)의 존재에 의하여 유도되는 mRNA를 분해하는 과정