14.2 mRNA
- mRNA 번역기구 : mRNA, tRNA, 아미노아실 tRNA 합성효소, 리보솜
- tRNA : 아미노산과 mRNA 코돈 사이에서 경계면을 제공
- 아미노아실 tRNA 합성효소 : 아미노산과 tRNA를 연결시킨다. tRNA 3'말단에 아미노산 부착(고에너지 필요)
- 리보솜 : tRNA에 의해 mRNA가 정확히 결합될 수 있게 조정. A자리, P자리, E자리 존재. 펩티드 사슬 결합을 촉매
1. 폴리펩티드는 ORF 에 의해 지정
- ORF(open reading frame) : mRNA 의 단백질 암호화부위, 하나의 단백질을 지정. 개시코돈~종결코돈까지의 서열. 진핵은 mRNA에 1개 ORF를 가지지만, 원핵은 2개 이상의 ORF를 가져서 다수의 폴리펩티드 사슬번역이 가능.
- 폴리시스트론 : 다수의 ORF를 가지는 mRNA (분식집 처럼 여러 가지 메뉴)
2. 원핵 mRNA는 리보솜 결합자리(RBS, Ribosome binding site)
- 원핵 mRNA 개시코돈 상류에 리보솜 결합자리를 가진다. 리보솜 결합자리는 3~9 bp로 존재. rRNA 3'말단과 결합.
- 번역 짝지움 : 원핵에서 ORF 들이 서로 겹쳐서 서로 연관된 번역이 일어나는 현상
3. 진핵 mRNA 의 변형
- 5‘ Capping 은 리보솜을 끌어오게 한다.
- 코쟉서열 : 번역효율을 높이는 서열. 개시코돈 상류에 3개 퓨린, 하류에 구아닌
- poly A tail 이 번역개시인자를 유도하고, mRNA 분해를 막음 → 번역효율을 높임
14.3 tRNA
1. tRNA는 코돈과 아미노산을 연결
- mRNA 서열 정보를 아미노산 서열로 번역. 안티코돈을 가진다.
- tRNA : 1개 이상의 코돈을 인식. 3‘말단의 CCA 에 맞는 아미노산과 결합. 유사우리딘, 디하이드로우리딘 같이 변형된 뉴클레오티드가 존재. 히포크산틴(코돈 인식에 관여), 티민, 메틸구아니도 있으며 각자 나름의 역할이 있다.
2. tRNA는 공통적인 2차구조를 가진다.
- 수용체 줄기 (3‘말단 아미노산 결합), 3개 줄기 고리, 1개 가변고리(염기 수가 3~21nt 로 다양)
- D고리 : 고리 내 디하이드로우리딘이 존재
- ΦU 고리 : 비정상염기인 Φ우리딘(프사이우리딘)이 존재
- 역코돈 고리 : 5‘-우라실, 3’퓨린 염기로 둘러싸임
14.4 tRNA에 아미노산 부착
1. tRNA와 아미노산의 결합 (충전 tRNA, 비충전 tRNA)
- 충전은 아미노산의 카르복시기와 tRNA의 3‘말단 사이의 아실결합에 의해 발생(고에너지 결합)
- 아실결합이 끊어질 때 펩티드 결합 형성시 고에너지가 사용된다.
2. 아미노아실 tRNA 합성효소 (2단계 효소작용 ATP→ADP→AMP)
➀ 아데니릴화 : AMP 전달. 아미노산에게 전달되어 피로인산이 나온다. AMP+아미노산카르복실기
➁ 아데니릴화된 아미노산이 tRNA와 반응 : 고에너지 방출. AMP 방출.
- I형 효소 : 아미노산을 tRNA의 2-OH에 결합하는 효소. 단량체
- II형 효소 : 아미노산을 tRNA의 3-OH에 결합하는 효소. 2량체 또는 4량체
- I형, II형 효소는 1개의 아미노산을 1개 이상의 tRNA에 부착하는 효소.
- 20여개의 아미노산 종류만큼 tRNA 종류가 존재. 20여종 이상의 tRNA 합성효소가 있다.
- tRNA분자의 특이성은 수용체 줄기고리, 역코돈 고리에 달려있다.
- 수용체 줄기고리는 식별자 염기만으로도 다른 합성효소로 바뀔 만큼 tRNA 인식특이성이 있다.
- 세린은 6개 코돈에 지정될 수 있어 1개 tRNA 효소만으로는 세린의 역코돈을 모두 인식할 수 있다.
3. 아미노아실 tRNA의 정교한 형성
- 티로신과 페닐알라닌은 수소결합의 형성능력의 차이 (OH 유무)
- 이소류신과 발린은 메틸렌기의 차이(이소류신에 CH3이 더 있음)로 분자크기에 따라 구분됨
발린 tRNA 합성효소의 촉매포켓은 이소류신 tRNA 효소보다 작다 → 발린만 결합
이소류신 tRNA 합성효소의 포켓은 메틸렌기와 상호작용하여 결합력 차이가 있다. (교정포켓)
4. 리보솜은 구분하지 못한다.
- 리보솜은 코돈-역코돈 상호작용을 나타내는 충전 tRNA는 모두 받아서 잘못 충전된 tRNA를 구별하지 못한다.
* 아미노아실 이라는 뜻은 아미노산 준비완료! 라는 뜻. 아미노아실-tRNA는 준비된 아미노산을 이동시키는 tRNA
* 펩티딜-tRNA : 리보솜 작은소단위에 두번째로 들어온 아미노아실-tRNA 에 첫 번째로 들어온 아미노산이 와서 붙으면 펩티딜 tRNA가 된다.
* 펩티딜전이효소반응 : 펩티딜-tRNA와 폴리펩티드 결합이 깨지고 폴리펩티드와 아미노산 간의 결합을 생성함. 리보솜 큰소단위에 펩티딜전이효소 중심을 가져 펩티드 결합이 이루어진다.
14.5 리보솜
1. 리보솜은 큰소단위와 작은소단위로 구성
- 큰소단위체 : 펩티딜 전이효소 중심을 가져서 펩티드 결합이 일어난다.
- 작은소단위체 : 해독 중심을 가지는데 충전된 tRNA가 mRNA 코돈단위를 읽는다
2. 큰소단위와 작은소단위는 결합과 해리
- 단백질 합성은 mRNA의 5‘→3’으로 이동하여 진행. 종결코돈을 만나면 폴리펩티드 사슬을 방출
3. 펩티드 결합
- 새 아미노산은 카르복실 말단에 부가된다.
- 아미노아실-tRNA의 아미노기(A자리)가 펩티딜-tRNA의 아미노산 카르복시말단의 카르보닐기를 공격하여 펩티드 결합을 형성
- 폴리펩티드 사슬은 펩티딜-tRNA에서 아미노아실-tRNA로 전달(ATP 필요없음. tRNA-아미노산 고에너지 아실결합을 파괴)
4. 리보솜 RNA
- 펩티딜 전이효소의 중심이 RNA로 구성. 해독 중심도.
- 충전 tRNA의 역코돈 고리. mRNA의 코돈은 rRNA와 결합한다.
- 리보솜은 3개의 tRNA 결합자리를 갖는다. E자리, P자리, A자리
5. 리보솜의 채널
- 번역중에 mRNA는 해독중심을 뚫고 들어가고, 폴리펩티드 사슬은 펩티딜 전이효소 중심을 빠져나온다. 리보솜 작은소단위의 입구,출구로 mRNA가 해독중심에서 들어갔다 나왔다 할 수 있다.
이 2개 채널 사이 구멍으로 mRNA에 아미노아실-tRNA(A자리)와 펩티딜-tRNA(P자리)가 결합
- 큰소단위를 관통하는 2번째 채널은 새 폴리펩티드 사슬이 나가는 통로.
- 새로 합성되는 폴리펩티드가 채널 내에서 α나선을 형성하도록 하며 다른 3차구조는 큰소단위를 나간 후에 형성 가능.
14.6 번역의 개시(3개의 과정)
➀ 리보솜이 mRNA로 이동
➁ 충전-tRNA가 리보솜의 P자리에 위치
➂ 리보솜이 mRNA의 개시코돈에 위치
*위의 과정을 개시인자가 도와줌. 개시인자는 뭘 못하도록 도와주는 기작
1. 원핵생물의 번역
- Cap, 폴리아데닐 꼬리 없음. mRNA를 리보솜 작은소단위 결합자리에 16S rRNA가 위치하게 함.
- mRNA 위치는 큰소단위의 P자리가 mRNA 개시코돈에 위치하도록 작은소단위체에 위치
- 큰소단위 결합은 마지막 단계. 첫펩티드 결합 직전의 단계
- 개시-tRNA는 A자리를 거치지 않고 P자리로 바로 간다. AUG or GUG 개시코돈과 염기쌍 형성.
개시-tRNA는 메티오닌으로 충전되지만 전이효소에 의해 N-포르밀 메티오닌-tRNA가 된다.
사슬합성 중에 탈포르밀화 효소에 의해 포르밀기는 제거된다. 아미노펩티다제도 있어서 메티오닌도 제거.
- 번역개시인자: IF1, IF2, IF3
- IF1 : A자리에 먼저 결합해서 개시-tRNA가 결합하는 것을 막는다.
- IF2 : GTPase. 작은소단위 리보솜, IF1, 개시-tRNA와 상호작용. 다른 tRNA가 결합하는 것을 막는다.
- IF3 : 작은소단위에 결합. 큰소단위. 충전-tRNA와 바로 결합하는 것을 막는다 (mRNA 오기전에)
번역회로가 한번 끝나면 작은소단위, 큰소단위의 해리를 돕는다. 큰소단위 해리 촉진.
- IF1 : A자리 결합 / IF2 : A와 P에 걸쳐 결합 / IF3 : E자리가 될 소단위를 채운다.
- 그래서 결합자리 중 P자리에만 tRNA가 쉽게 결합하게 한다.
- 충전된 개시-tRNA와 IF2(GTP 결합)의 도움을 받아 역코돈-개시코돈 염기쌍을 형성(세련된 방법 IF2) → 충전된 개시-tRNA와 mRNA 사이 염기쌍결합은 P자리에 개시코돈을 정확히 위치시킨다. (보존적으로는 IF1)
- 개시의 마지막 단계는 큰소단위결합 → 70S 개시복합체 형성
- P자리에 개시-tRNA가 들어오면 IF3 방출. → 큰소단위가 결합 → IF2-GTP의 GTPase 활성자극으로 IF2-GDP가 되어 IF2,IF1은 리보솜에서 방출(친화력 감소) → 70S 리보솜 형성, P자리에 mRNA 개시부위, 충전개시-tRNA가 있고, A자리는 비어있다 (A자리 준비완료) → 폴리펩티드 합성시작!
2. 진핵생물의 번역 (43S 개시전복합체)
➀ 작은소단위가 먼저 개시-tRNA와 결합 → mRNA에 5‘Cap 결합
➁ mRNA 인식하는 별도의 보조인자들이 관여
➂ 개시-tRNA 결합한 리보솜은 AUG 서열을 찾기 위해 mRNA 스캔
➃ 개시코돈과 결합한 개시-tRNA에 리보솜 큰소단위가 결합
- 한번 번역이 끝나면 개시인자 eIF1, eIF2, eIF3, eIF5 가 큰소단위와 작은소단위를 분리시킴
- 이 개시인자들은 IF1, IF3과 같이 큰소단위가 결합하지 못하게 하고, tRNA가 A자리에 오지 못하게 함.
- 개시-tRNA가 eIF2(GTP 결합)에 의해 작은소단위와 결합 (IF2와 비슷) → 3중 복합체 형성
- eIF2는 개시-tRNA를 P자리에 위치시킨다 → 43S 개시전복합체 형성
- 별도반응 : mRNA는 작은소단위의 Cap결합단백질에 의해 캡이 인지된다. (캡결합단백질 나선효소 활성화가 필요)
- 나선효소 : mRNA 말단의 머리핀 구조를 풀어주는 효소. 2차구조가 제거되어야 mRNA 5'말단이 리보솜 작은소단위에 결합할 수 있다.
- 이러한 개시인자도움으로 43S 개시전복합체 + mRNA = 48S 개시전복합체
- 개시인자들은 poly A tail, 폴리A결합단백질(eIF4G)과도 결합 → 큰소단위를 부른다. mRNA의 캡과 결합.
- 특정 개시인자와 폴리A결합단백질의 상호작용은 번역동안 계속 유지된다.
- 이러한 상호작용이 mRNA 5'말단과 3‘말단이 매우 가까워져 mRNA가 둥근고리모양을 형성한다.(폴리A꼬리가 mRNA의 효율적인 번역에 관여)
- AUG 근처에서 번역재개시 촉진 가능
- 리보솜 작은소단위와 관련 요소들이 mRNA에 결합하면 5‘→3’을 이동한다(eIF4 RNA 나선효소)
- 개시코돈 인식은 개시코돈과 개시-tRNA의 역코돈 사이에서 염기쌍을 형성하며 이루어진다.
- 염기쌍이 바르게 형성되면 48S 복합체 구조가 변하면서 eIF1, eIF5 방출 → 60S와 40S 결합
(eIF1과 eIF5은 큰소단위결합을 막았음)
- 충전된 개시-tRNA가 80S 개시복합체의 P자리에 위치
- 이어 리보솜은 A자리에 충전된 tRNA를 받아 첫 펩티드 결합.
- IF1, eIF1A은 리보솜 A자리에 결합 → 미성숙 tRNA가 결합하는 것을 막음
- IF2의 기능은 eIF2와 eIF5B 사이 그 중간쯤 된다.
- eIF2는 개시-tRNA를 끌어오고 이것을 개시 AUG와 염기쌍을 형성하도록 한다.
- eIF5B는 큰소단위를 끌어오는데 관여한다.
참고문헌 : Watson. (2014). 왓슨 분자생물학(7판). (주)바이오사이언스출판
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