단백질 이야기(6) 단백질 DNA 전사와 번역 분자 샤프롱 열변성단백질

전사와 번역

유전자로부터 단백질이 만들어지는 일을 유전자의 발현이라고 합니다. 그렇게 되려면 먼저 유전자의 염기 배열이 RNA의 염기배열로 전사 되어야 합니다. 유전자 부분의 DNA가 베껴져서 mRNA가 합성되는 것입니다.

 

DNA의 이중나선 구조

DNA는 2개의 사슬이 휘감겨서 이중나선 구조를 이루고 있습니다. 2개중 1개는 단백질의 아미노산 배열을 암호호하고 있는 센스 사슬이고 또다른 1개는 센스사슬과 상보적인 배열순수를 가진 안티센스사슬입니다.

 

유전자의 염기 배열이 베껴지는 과정은 이렇습니다. 먼저 DNA 사슬이 1개씩 풀립니다. 이어서 사슬이 풀린곳에 RNA 폴리메라아재라는 단백질이 결합해 안티센스 사슬을 주형으로 삼고 유전자의 끝부분부터 차례로 센스 사슬의 염기 배열을 RNA로 재현하는 것처럼 mRNA를 합성합니다. 이 현상이 전사입니다. 

 

재현하려는 것처럼 의 뜻은 RNA가 DNA와 다른 염기를 사용하므로 유전자의 염기배열이 ATGCGTGCTA일때 전사되어 나오는 mRNA의 염기배열이 AUGCGUGCUA가 되어버린다는 것입니다.

이렇게 합성된 mRNA전구체는 핵속에서부터 세포질로 운반되는 사이에 다양한 처리과정을 거쳐서 숙성한 mRNA가 됩니다. 이 mRNA가 세포질에 존재하는 단백질 합성장치인 리보솜에서 단백질을 만드는 암호가 되고 염기 배열은 아미노산 배열로 바뀌게 됩니다. 이 반응이 번역 입니다.

 

번역에서 빠뜨릴수 없는 존재는 리보솜, mRNA, tRNA 그리고 tRNA와 결합한 아미노산입니다. 번역이 잘 되려면 mRNA가 지닌 트리플렛 코돈을 정확한 순서대로 해독해내는 수단이 필요한데 이를 위해 tRNA에는 이 코돈과 상보적으로 결합하는 트리플렛으로서 안티코돈이라는 염기배열이 존재합니다. 요컨데 아미노산이 1개씩 결합한 tRNA는 안티코돈을 통해 mRNA의 코돈과 결합합니다.

 

유전암호 해독기 tRNA

tRNA는 아미노산의 암호 하나하나에 대응하도록 그 종류가 갖추워져 있으므로 각 tRNA는 코돈에 들어맞는 아미노산을 그 코돈이 지정한 순서대로 리보솜에 운반해 갑니다. 이렇게 번역된 아미노산이 기다랗게 연결됩니다. 반역하는데 필요한 공장은 리보솜이지만 사람을 포함해 지구에 서식하는 모든 생물의 유전암호를 풀어내는 해독기는 바로 tRNA라고 할수 있습니다. 

 

폴리펩티드의 완성

이렇게 해 리보솜에서 많은 아미노산이 한줄로 이어짐으로써 단백질의 근본이 되는 아미노산의 사슬, 즉 폴리펩티드가 만들어집니다. 하지만 이 단계에서는 아직 폴리펩티드를 단백질이라고 할 수 없습니다.

폴리펩티드와 단백질은 서로 다릅니다. 리보솜에서 아미노산이 무수히 연결되어 폴리펩티드가 되더라도 그것이 적당히 접혀서 제대로 형태를 갖추어야만 단백질의 기능이 생겨납니다.

참고로 말하자면 아미노산의 몇개에서 10여개 정도가 이어진 짧은 것은 그냥 펩티드라고 합니다.

 

단백질에는 저마다의 기능과 어울리는 모습이 있습니다. 그러므로 합성된 폴리펩티드는 그 모습과 똑같이 접히지 않도록 단백질로 제대로 숙성되지 못합니다.

그렇다면 폴리펩티드는 합성하자마자 자동으로 실지렁이처럼 꿈틀거려서 숙성된 단백질이 될까요? 

 

폴리펩티드의 접힘

1960년대의 미국의 생화학자 안피슨이 매우 명쾌한 실험으로 증명했습니다. 안피슨은 어느 단백질에다 변성제인 요소등을 첨가해 그 성질을 바꾸었습니다. 단백질을 꽉 잡아 늘여서 3차 구조를 파괴해 1차 구조로 만든것입니다. 그런뒤에 변성제를 제거하니 다시 3차 구조로 부활한다는 사실을 확인할 수 있었습니다. 안피슨은 이 공적으로 1972년에 노벨상을 받습니다. 그리고 이러한 단백질의 성질 즉 단백질은 고차 구조는 아미노산의 배열인 1차 구조만으로 자동으로 정해진다는 특성은 아직도 안핀슨의 정설로 불리며 단백질 화학 분야의 기초 이론중 하나로 인정 받아왔습니다.

 

분자 샤프롱

정설이 뒤엎는 사례가 많이 알려지고 특정 물질이 다른 부위의 작용을 돕는다는 사실이 알려지는 바람에 안핀슨의 정설은 더이상 보편적으로 받아들여지지 않습니다. 특정 물질은 바로 폴리펩티드의 접힘을 돕는 단백질로 폴리펩티드를 숙성시켜 단백질로 만드는데 없어서는 안되는 단백질이라는 점에서 분자 샤프롱 혹은 샤프롱 단백질이라고 불립니다.

샤프롱이라는 프랑스어로 사교계에 나가는 젊은 여성을 보살피는 여성을 뜻합니다. 폴리펩티드가 순조롭게 접혀서 단백질로서 제대로 구실을 다하도록 숙성되는데 돕는 구실을 하는 단백질이 바로 분자 샤프롱입니다.

대표적이고 유명한 분자 샤프롱으로는 GroEL이 있는데 우리는 이를 그로엘이라는 애칭으로 부릅니다.

 

그로엘이 어떻게 폴리펩티드를 단백질로 구실하도록 돕는 걸까요?

요컨대 그로엘 군 2개가 번갈아 가며 같은 단계를 되풀이하면서 차례로 폴리펩티드를 접어서 숙성한 단백질을 계속 만들어 내는 것입니다.

 

열충격단백질

가열을 하면 생물과 그것에 함유된 단백질 비정상 상황에 합쳐지면서 매우 심한 스트레스를 받습니다. 초파리를 이용한 어느 연구에서 초파리를 열충격에 가한 결과 열충격으로 만들어지는 단백질이 존재한다는 점을 알아냈습니다. 이것이 열충격단백질입니다. 그 구실은 놀랍게도 분자 샤프롱에서 소개한 도우미 역할과 같습니다.

 

사실은 열충격단백질 자체가 분자 샤프롱인 것입니다. 

가열이라는 스트레스 상황에서 세포가 스트레스를 받아 유해물질이 되는 것을 막는 것이 열충격단백질이나 그로엘 군 같은 단백질을 만들어서 내부의 단백질을 정상으로 유지하려고 합니다. 이런 이유로 요즘은 열충격단백질을 흔히 스트레스 단백질이라고 부릅니다.

말하자면 세포가 스트레스를 받을 때 작용한다고 스트레스 단백질이라고 하고 정상적인 상태에서 단백질의 접힘을 도와준다고 분자 샤프롱이라고 합니다. 단백질의 작용으로서는 둘이 같다고 여겨도 전혀 문제가 없습니다. 

 

단백질이 DNA -> RNA -> 폴리펩티드의 순서로 만들어져 마지막에 접혀서 합성된다는 흐름으로 간다고 이해하면 됩니다.