[정보] 단백질 생합성(Protein biosynthesis).info
개요
단백질 생합성 (또는 단백질 합성)은 세포 내부에서 발생하는 핵심 생물학적 과정으로, 새로운 단백질 생산을 통해 세포 단백질 손실(분해(degradation) 또는 수출(export)을 통해)의 균형을 유지합니다. 단백질은 효소, 구조 단백질 또는 호르몬과 같은 여러 가지 중요한 기능을 수행합니다. 단백질 합성은 원핵생물과 진핵생물 모두에서 매우 유사한 과정이지만 몇 가지 뚜렷한 차이점이 있습니다.
단백질 합성은 전사와 번역의 두 단계로 크게 나눌 수 있습니다. 전사 과정에서 유전자라고 알려진 단백질을 암호화하는 DNA 부분이 메신저 RNA (mRNA)라는 주형 분자로 변환됩니다. 이 전환은 세포핵에서 RNA 중합효소라고 알려진 효소에 의해 수행됩니다. 진핵생물에서 이 mRNA는 초기에 미성숙 형태(pre-mRNA)로 생성되며, 전사 후 변형을 거쳐 성숙한 mRNA를 생성합니다. 성숙한 mRNA는 핵공을 통해 세포핵에서 세포의 세포질로 이동되어 번역 이 발생합니다. 번역하는 동안 mRNA는 아미노산의 서열을 결정하기 위해 mRNA의 뉴클레오티드 서열을 사용하는 리보솜에 의해 읽힙니다. 리보솜은 암호화된 아미노산 사이의 공유 펩티드 결합 형성을 촉매 하여 폴리펩티드 사슬을 형성합니다.
번역 후에는 폴리펩티드 사슬이 접혀 기능성 단백질을 형성해야 합니다. 예를 들어, 효소로 기능하려면 폴리펩티드 사슬이 올바르게 접혀 기능적 활성 부위를 생성해야 합니다. 기능적인 3차원 모양을 채택하려면 폴리펩티드 사슬이 먼저 2차 구조라고 불리는 일련의 더 작은 기본 구조를 형성해야 합니다. 이러한 2차 구조의 폴리펩타이드 사슬은 접혀 전체 3D 3차 구조를 생성합니다. 일단 올바르게 접히면 단백질은 다양한 번역 후 변형을 통해 추가로 성숙될 수 있으며, 이는 단백질의 기능 능력, 세포 내 위치(예: 세포질 또는 핵) 및 다른 단백질과 상호 작용하는 능력을 변경할 수 있습니다.
단백질 생합성은 근본적인 DNA 돌연변이 나 단백질의 잘못된 접힘을 통한 이 과정의 변화와 오류가 종종 질병의 근본적인 원인이 되므로 질병에서 중요한 역할을 합니다. DNA 돌연변이는 후속 mRNA 서열을 변경하고, 이는 mRNA 암호화 아미노산 서열을 변경합니다. 돌연변이는 번역의 조기 종료를 유발하는 정지 서열을 생성함으로써 폴리펩티드 사슬을 더 짧게 만들 수 있습니다. 대안적으로, mRNA 서열의 돌연변이는 폴리펩티드 사슬의 해당 위치에 코딩된 특정 아미노산을 변경합니다. 이러한 아미노산 변화는 단백질의 기능이나 올바르게 접히는 능력에 영향을 줄 수 있습니다. 잘못 접힌 단백질은 조밀한 단백질 덩어리를 형성하는 경향이 있으며, 이는 종종 질병, 특히 알츠하이머병 및 파킨슨병을 포함한 신경 장애와 관련이 있습니다.
전사(Transcription)
전사는 mRNA를 생성하기 위한 주형으로 DNA를 사용하여 핵에서 발생합니다. 진핵생물에서 이 mRNA 분자는 성숙한 mRNA 분자를 생성하기 위해 핵에서 전사 후 변형을 겪기 때문에 pre-mRNA로 알려져 있습니다. 그러나 원핵생물에서는 전사 후 변형이 필요하지 않으므로 성숙한 mRNA 분자가 전사에 의해 즉시 생성됩니다.
처음에는 헬리카 제로 알려진 효소가 DNA 분자에 작용합니다. DNA는 두 개의 상보적인 폴리뉴클레오티드 가닥으로 구성된 역 평행 이중나선 구조를 가지고 있으며, 염기쌍 사이의 수소 결합에 의해 서로 결합되어 있습니다. 헬리카제는 수소 결합을 파괴하여 유전자에 해당하는 DNA 영역을 풀어 두 개의 DNA 가닥을 분리하고 일련의 염기를 노출시킵니다. DNA가 이중 가닥 분자임에도 불구하고 가닥 중 하나만이 pre-mRNA 합성을 위한 주형 역할을 합니다. 이 가닥은 주형 가닥으로 알려져 있습니다. 다른 DNA 가닥( 주형 가닥에 상보적임 )은 코딩 가닥으로 알려져 있습니다.
DNA와 RNA는 모두 본질적인 방향성을 가지고 있습니다 . 이는 분자의 두 개의 서로 다른 끝이 있음을 의미합니다. 이러한 방향성 특성은 오탄당의 한쪽에는 인산기가 있고 다른 한쪽에는 염기가 있는 비대칭 기본 뉴클레오티드 하위 단위에 기인합니다. 오탄당의 5개 탄소는 1'('는 소수를 의미함)부터 5'까지 번호가 매겨져 있습니다. 따라서, 뉴클레오티드를 연결하는 포스포디에스테르 결합은 한 뉴클레오티드의 3' 탄소에 있는 하이드록실 그룹을 다른 뉴클레오티드의 5' 탄소에 있는 인산염 그룹에 결합함으로써 형성됩니다. 따라서 DNA의 코딩 가닥은 5'에서 3' 방향으로 흐르고 상보적인 주형 DNA 가닥은 3'에서 5'의 반대 방향으로 움직입니다.
효소 RNA 중합효소는 노출된 주형 가닥에 결합하고 3'에서 5' 방향으로 유전자를 읽습니다. 동시에, RNA 폴리머라제는 주형 가닥과 상보적인 염기쌍을 이룰 수 있는 활성화된 뉴클레오티드(핵에 유리함) 사이의 포스 포디에스테르 결합 형성을 촉매함으로써 5'-to-3' 방향으로 단일 가닥 의 pre-mRNA를 합성합니다. . 움직이는 RNA 폴리머라제 뒤에는 DNA의 두 가닥이 다시 결합되므로 한 번에 12개의 염기쌍의 DNA만 노출됩니다. RNA 중합효소는 초당 20개 뉴클레오티드의 속도로 pre-mRNA 분자를 생성하여 한 시간 안에 동일한 유전자에서 수천 개의 pre-mRNA 분자를 생산할 수 있습니다. 빠른 합성 속도에도 불구하고 RNA 중합효소는 자체 교정 메커니즘을 가지고 있습니다. 교정 메커니즘을 통해 RNA 중합효소는 절제 반응을 통해 성장하는 pre-mRNA 분자에서 잘못된 뉴클레오티드(DNA의 주형 가닥에 상보적이지 않음)를 제거할 수 있습니다. RNA 중합효소가 전사를 종료하는 특정 DNA 서열에 도달하면 RNA 중합효소가 분리되고 사전 mRNA 합성이 완료됩니다.
합성된 pre-mRNA 분자는 주형 DNA 가닥에 상보적이며 코딩 DNA 가닥과 동일한 뉴클레오티드 서열을 공유합니다. 그러나 DNA와 mRNA 분자의 뉴클레오티드 구성에는 한 가지 중요한 차이점이 있습니다. DNA는 구아닌, 시토신, 아데닌 및 티민 (G, C, A 및 T) 염기로 구성됩니다. RNA는 또한 구아닌, 시토신, 아데닌 및 우라실 의 네 가지 염기로 구성됩니다 . RNA 분자에서 DNA 염기인 티민은 아데닌과 염기쌍을 이룰 수 있는 우라실로 대체됩니다. 따라서 pre-mRNA 분자에서 코딩 DNA 가닥의 티민이 될 모든 상보적 염기는 우라실로 대체됩니다.
전사 후 수정(Post-transcriptional modifications)
전사가 완료되면 pre-mRNA 분자는 전사 후 변형을 거쳐 성숙한 mRNA 분자를 생성합니다.
전사 후 수정에는 3가지 주요 단계가 있습니다.
pre-mRNA 분자의 5' 말단에 5' 캡 추가
3' 폴리(A) 꼬리가 3' 말단 pre-mRNA 분자에 추가됩니다.
RNA 스플라이싱을 통한 인트론 제거
5' 캡은 pre-mRNA 분자의 5' 말단에 추가되며 메틸화를 통해 변형된 구아닌 뉴클레오티드로 구성됩니다 . 5' 캡의 목적은 번역 전에 성숙한 mRNA 분자가 분해되는 것을 방지하는 것입니다. 캡은 또한 리보솜이 mRNA에 결합하여 번역을 시작하는 것을 돕고 mRNA가 세포 내 다른 RNA와 구별될 수 있도록 합니다. 대조적으로, 3' 폴리(A) 꼬리는 mRNA 분자의 3' 말단에 추가되며 100-200개의 아데닌 염기로 구성됩니다. 이러한 뚜렷한 mRNA 변형을 통해 세포는 5' 캡과 3' 꼬리가 모두 존재하는 경우 전체 mRNA 메시지가 손상되지 않았음을 감지할 수 있습니다.
이 변형된 pre-mRNA 분자는 RNA 스플라이싱 과정을 거칩니다. 유전자는 일련의 인트론과 엑손으로 구성되며 , 인트론은 단백질을 암호화하지 않는 뉴클레오티드 서열이고, 엑손은 단백질을 직접 암호화하는 뉴클레오티드 서열입니다. 인트론과 엑손은 기본 DNA 서열과 pre-mRNA 분자 모두에 존재하므로 단백질을 암호화하는 성숙한 mRNA 분자를 생성하려면 스플라이싱이 일어나야 합니다. 스플라이싱 중에 중간에 끼어 있는 인트론은 스플라이스솜 (150개 이상의 단백질과 RNA로 구성됨)으로 알려진 다중 단백질 복합체에 의해 mRNA 전 분자에서 제거됩니다. 이 성숙한 mRNA 분자는 핵 외피의 핵공을 통해 세포질로 내보내집니다.
번역(Translation)
번역 과정에서 리보솜은 mRNA 주형 분자로부터 폴리펩티드 사슬을 합성합니다. 진핵생물에서는 리보솜이 자유 부유하거나 소포체에 부착되어 있는 세포질에서 번역이 발생합니다. 핵이 없는 원핵생물에서는 전사와 번역 과정이 모두 세포질에서 일어난다.
리보솜은 단백질과 리보솜 RNA의 혼합물로 만들어진 복잡한 분자 기계로, mRNA 분자를 둘러싸고 있는 두 개의 하위 단위(큰 하위 단위와 작은 하위 단위)로 배열되어 있습니다. 리보솜은 mRNA 분자를 5'-3' 방향으로 읽고 이를 주형으로 사용하여 폴리펩티드 사슬의 아미노산 순서를 결정합니다. mRNA 분자를 번역하기 위해 리보솜은 전달 RNA(tRNA)로 알려진 작은 분자를 사용하여 올바른 아미노산을 리보솜에 전달합니다. 각 tRNA는 70-80개의 뉴클레오티드로 구성되며 분자 내 뉴클레오티드 사이의 수소 결합 형성으로 인해 특징적인 클로버잎 구조를 채택합니다. 약 60가지 유형의 tRNA가 있으며, 각 tRNA는 mRNA 분자 내 3개의 뉴클레오티드( 코돈으로 알려짐 )로 구성된 특정 서열에 결합하여 특정 아미노산을 전달합니다.
리보솜은 처음에 시작 코돈 (AUG)에서 mRNA에 부착되어 분자를 번역하기 시작합니다. mRNA 뉴클레오티드 서열은 삼중항으로 판독됩니다. mRNA 분자의 세 개의 인접한 뉴클레오티드는 단일 코돈에 해당합니다. 각 tRNA에는 안티코돈으로 알려진 3개의 뉴클레오티드로 구성된 노출된 서열이 있으며, 이는 mRNA에 존재할 수 있는 특정 코돈과 서열상 상보적입니다. 예를 들어, 처음 접하는 코돈은 뉴클레오티드 AUG로 구성된 시작 코돈입니다. 안티코돈(상보적인 3개 뉴클레오티드 서열 UAC)이 있는 올바른 tRNA는 리보솜을 사용하여 mRNA에 결합합니다. 이 tRNA는 mRNA 코돈에 해당하는 정확한 아미노산을 전달하며, 시작 코돈의 경우 이는 아미노산 메티오닌입니다. 다음 코돈(시작 코돈에 인접한)은 상보적인 안티코돈이 있는 올바른 tRNA와 결합하여 다음 아미노산을 리보솜에 전달합니다. 그런 다음 리보솜은 펩티딜 트랜스퍼라제 효소 활성을 사용하여 인접한 두 아미노산 사이의 공유 펩티드 결합 형성을 촉매 합니다.
그런 다음 리보솜은 mRNA 분자를 따라 세 번째 코돈으로 이동합니다. 그런 다음 리보솜은 첫 번째 tRNA 분자를 방출합니다. 한 번에 하나의 리보솜에 의해 두 개의 tRNA 분자만 결합될 수 있기 때문입니다. 세 번째 코돈에 상보적인 올바른 안티코돈을 가진 다음 상보적인 tRNA가 선택되어 성장하는 폴리펩티드 사슬에 공유 결합된 리보솜에 다음 아미노산을 전달합니다. 이 과정은 리보솜이 mRNA 분자를 따라 이동하면서 초당 최대 15개의 아미노산을 폴리펩티드 사슬에 추가하면서 계속됩니다. 첫 번째 리보솜 뒤에는 최대 50개의 추가 리보솜이 mRNA 분자에 결합하여 폴리솜을 형성할 수 있으며 , 이는 여러 개의 동일한 폴리펩티드 사슬의 동시 합성을 가능하게 합니다. 성장하는 폴리펩티드 사슬의 종료는 리보솜이 mRNA 분자의 정지 코돈(UAA, UAG 또는 UGA)을 만날 때 발생합니다. 이것이 발생하면 어떤 tRNA도 이를 인식할 수 없으며 방출 인자는 리보솜에서 완전한 폴리펩티드 사슬의 방출을 유도합니다. 인도 출신의 과학자 Har Gobind Khorana 박사는 약 20개의 아미노산에 대한 RNA 서열을 해독했습니다. 그는 자신의 연구로 다른 두 명의 과학자와 함께 1968년에 노벨상을 수상했습니다.
단백질 접힘(Protein folding)
폴리펩타이드 사슬의 합성이 완료되면 폴리펩타이드 사슬은 단백질이 그 기능을 수행할 수 있도록 하는 특정 구조를 채택하기 위해 접힙니다. 단백질 구조의 기본 형태는 1차 구조로 알려져 있는데 , 이는 단순히 폴리펩티드 사슬, 즉 공유 결합된 아미노산의 서열입니다. 단백질의 1차 구조는 유전자에 의해 암호화됩니다. 따라서 유전자 서열의 변화는 단백질의 기본 구조와 단백질 구조의 모든 후속 수준을 변경하여 궁극적으로 전체 구조와 기능을 변화시킬 수 있습니다.
단백질의 1차 구조(폴리펩타이드 사슬)는 접히거나 감겨 단백질의 2차 구조를 형성할 수 있습니다. 가장 일반적인 유형의 2차 구조는 알파 나선 또는 베타 시트로 알려져 있으며 , 이는 폴리펩티드 사슬 내에서 형성되는 수소 결합에 의해 생성되는 작은 구조입니다. 이 2차 구조는 접혀서 단백질의 3차 구조를 생성합니다. 3차 구조는 서로 다른 2차 구조가 함께 접혀 이루어진 단백질 전체의 3차원 구조입니다. 3차 구조에서는 활성 부위와 같은 주요 단백질 특징이 접혀 형성되어 단백질이 기능할 수 있게 됩니다. 마지막으로, 일부 단백질은 복잡한 4차 구조를 채택할 수 있습니다. 대부분의 단백질은 단일 폴리펩타이드 사슬로 구성되지만 일부 단백질은 접히고 상호작용하여 4차 구조를 형성하는 여러 개의 폴리펩타이드 사슬(하위 단위로 알려짐)로 구성됩니다. 따라서 전체 단백질은 여러 개의 접힌 폴리펩티드 사슬 하위 단위(예: 헤모글로빈 )로 구성된 다중 하위 단위 복합체입니다.
번역 후 수정(Post-translational modifications)
성숙한 기능성 3D 상태로의 단백질 접힘이 완료되면 반드시 단백질 성숙 경로가 끝나는 것은 아닙니다. 접힌 단백질은 번역 후 변형을 통해 추가 처리를 거칠 수 있습니다. 번역 후 변형에는 200가지가 넘는 알려진 유형이 있으며, 이러한 변형은 단백질 활성, 단백질이 다른 단백질과 상호 작용하는 능력, 단백질이 세포 내에서 발견되는 위치(예: 세포핵 또는 세포질)를 변경할 수 있습니다. 번역 후 변형을 통해 게놈에 의해 암호화된 단백질의 다양성은 2~3 배 확장됩니다.
번역 후 수정에는 네 가지 주요 클래스가 있습니다.
1) 분열(Cleavage)
2) 화학 그룹 추가(Addition of chemical groups)
3) 복잡한 분자의 추가(Addition of complex molecules)
4) 분자 내 결합 형성(Formation of intramolecular bonds)
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