리보솜

리보솜은 두 개의 주요 구성 요소인 대단위체와 소단위체로 이루어져 있다. 이 두 단위체는 단백질 합성 과정에서 결합하여 기능적 리보솜을 형성하며, 번역이 완료되면 다시 분리된다.

대단위체는 펩타이드 결합 형성의 촉매 중심인 펩티딜 전이효소 중심을 포함한다. 반면, 소단위체는 mRNA 서열을 읽고 tRNA와의 상호작용을 통해 정확한 코돈-안티코돈 짝짓기를 담당한다. 원핵생물과 진핵생물의 리보솜은 크기와 구성에서 차이를 보인다.

표에서 보듯이, Svedberg(S) 값은 침강 속도를 나타내는 상대적 크기 단위로, 덧셈이 성립하지 않는다[3]. 진핵생물의 리보솜은 원핵생물의 것보다 크고 복잡하며, 더 많은 rRNA 분자와 리보솜 단백질을 포함한다. 미토콘드리아와 엽록체 같은 세포 소기관의 리보솜은 그 기원이 세균과 유사하여 원핵생물형에 가깝다.

리보솜은 리보솜 RNA(rRNA)와 수많은 리보솜 단백질로 구성된 복합체이다. 이 두 구성 요소의 비율은 약 2:1로, rRNA가 질량 기준으로 약 3분의 2를 차지한다. rRNA는 리보솜의 구조적 골격과 촉매적 중심을 형성하는 핵심 요소이다. 특히 펩티딜 전이효소 활성, 즉 펩타이드 결합을 형성하는 반응은 rRNA에 의해 촉매된다. 이는 리보솜이 본질적으로 리보자임임을 보여준다.

반면, 리보솜 단백질은 rRNA의 안정적인 접힘을 돕고, 리보솜의 전체적인 3차원 구조를 유지하며, 번역 과정에 필요한 보조 인자(개시인자, 연장인자, 종결인자 등)와의 상호작용을 매개하는 역할을 한다. 단백질은 rRNA 사슬의 표면에 위치하여 구조적 보강재 역할을 하기도 한다.

구체적인 구성은 생물의 종류에 따라 다르다. 일반적인 원핵생물의 70S 리보솜은 50S 대단위체와 30S 소단위체로 이루어지며, 여기에는 각각 2종(23S, 5S)과 1종(16S)의 rRNA가 포함된다. 단백질의 수는 대단위체에 약 34종, 소단위체에 약 21종이다. 반면, 진핵생물의 80S 리보솜(60S 대단위체, 40S 소단위체)은 더 많은 rRNA와 단백질을 포함한다. 대단위체에는 3종(28S, 5.8S, 5S)의 rRNA와 약 49종의 단백질이, 소단위체에는 1종(18S)의 rRNA와 약 33종의 단백질이 존재한다.

이러한 rRNA와 단백질은 고도로 보존된 특정 서열과 구조를 가지며, 이들의 정확한 상호작용을 통해 기능적인 리보솜이 조립된다.

리보솜의 A, P, E 부위는 mRNA에 결합된 tRNA 분자가 위치하는 세 개의 기능적 부위이다. 이 부위들은 모두 리보솜의 대단위체에 존재하며, 단백질 합성 과정에서 아미노산이 순차적으로 연결되는 핵심적인 장소 역할을 한다.

각 부위의 명칭과 기능은 다음과 같다. A 부위(아미노아실 부위)는 아미노아실-tRNA가 들어와 mRNA의 코돈과 상보적으로 결합하는 곳이다. P 부위(펩티딜 부위)는 성장 중인 폴리펩타이드 사슬이 결합된 tRNA가 위치하는 곳이다. E 부위(출구 부위)는 아미노산을 방출한 후 리보솜을 떠나려는 tRNA가 일시적으로 결합하는 곳이다.

단백질 합성 중 리보솜은 mRNA를 따라 5'에서 3' 방향으로 이동하며, 이 과정을 전위라고 한다. 전위가 일어나면, P 부위에 있던 tRNA는 E 부위로, A 부위에 있던 tRNA는 P 부위로 이동한다. 그 결과, 새로운 A 부위가 비게 되어 다음 아미노아실-tRNA가 들어올 수 있게 된다. 이 세 부위의 협력적인 작용을 통해 펩타이드 결합 형성과 사슬의 신장이 효율적으로 반복된다.

전구체 rRNA는 핵소체에서 RNA 중합효소 I에 의해 전사된다. 이 전사체는 긴 단일 가닥의 rRNA 분자로, 이후 절단과 화학적 변형을 거쳐 성숙한 rRNA 서브유닛(18S, 5.8S, 28S)이 된다[4].

가공 과정은 여러 단계를 포함한다. 먼저, 엑소뉴클레아제와 엔도뉴클레아제가 특정 부위를 인식하여 전구체를 절단한다. 동시에 수많은 리보솜 RNA 분자의 특정 뉴클레오타이드는 메틸화되거나 슈도유리딘화된다. 이러한 변형은 rRNA의 3차 구조 안정화와 리보솜 기능에 중요하다.

성숙한 rRNA 서브유닛은 리보솜 단백질과 결합하기 전에 핵에서 세포질로 이동한다. 이 과정은 수출인자에 의해 매개된다. 가공과 수출의 효율은 세포의 성장 상태와 단백질 합성 요구에 따라 조절된다.

리보솜 단백질의 조립은 rRNA와 수십 종의 리보솜 단백질이 정확하게 결합하여 기능성 리보솜 대소단위체를 형성하는 복잡한 과정이다. 이 과정은 핵소체 내에서 일어나며, 여러 단계의 조립 중간체를 거쳐 완성된다.

조립은 rRNA의 일차 전사체가 가공되는 과정과 병행하여 진행된다. 각 리보솜 단백질은 세포질에서 합성된 후 핵막을 통과하여 핵 내로 수송된다. 이 단백질들은 특정한 서열과 공간 구조를 가진 rRNA의 특정 영역에 순차적으로 결합한다. 일부 단백질은 rRNA의 접힘을 안정화하거나, 다른 단백질의 결합을 위한 발판 역할을 한다. 이 조립 과정에는 수백 개의 보조 인자, 즉 GTP가수분해효소, ATP가수분해효소, RNA 헬리카제 등이 관여하여 에너지를 공급하고 구조적 재배열을 촉진한다.

아래 표는 진핵생물에서의 대략적인 리보솜 단백질 조립 경로를 보여준다.

잘못된 조립은 리보솜 생합성 경로의 품질 관리 메커니즘에 의해 감지되어 제거된다. 이 조립 과정의 결함은 리보솜병증이라 불리는 다양한 인간 질환과 연관되어 있다[5].

단백질 합성의 첫 번째 단계는 번역 개시 복합체가 형성되는 것이다. 이 과정은 mRNA의 개시 코돈(AUG)에 개시 tRNA가 정확하게 결합하도록 하여 리보솜이 올바른 읽는틀을 설정하는 것을 목표로 한다. 원핵생물과 진핵생물은 서로 다른 개시 인자와 메커니즘을 사용한다.

원핵생물에서 개시는 Shine-Dalgarno 서열에 의해 매개된다. 먼저 개시 인자 IF1과 IF3가 30S 소단위체에 결합하여 대단위체의 조기 결합을 방지한다. 그 후 IF2-GTP와 결합한 개시 tRNA(fMet-tRNA^fMet^)가 30S 소단위체에 도입된다. 이 복합체는 mRNA의 Shine-Dalgarno 서열(16S rRNA와 상보적)을 인식하여 결합하고, 개시 코돈 AUG를 찾아 정렬한다. 이렇게 형성된 30S 개시 복합체에 50S 대단위체가 결합하면 GTP가 가수분해되고 개시 인자들이 방출되어 70S 개시 복합체가 완성된다.

진핵생물의 개시 과정은 더 복잡하며, 10개 이상의 개시 인자(eIF)가 관여한다. 개시 tRNA(Met-tRNA^iMet^)는 먼저 eIF2-GTP와 결합하여 3중 복합체를 형성한다. 이 복합체는 40S 소단위체 및 여러 eIF들과 결합하여 43S 전개시 복합체를 만든다. 한편, mRNA는 5' 모자 구조를 eIF4F 복합체가 인식하고, 폴리(A) 꼬리는 eIF4G를 통해 순환화된다. 이렇게 활성화된 mRNA가 43S 복합체에 결합한 후, 5' 비번역 영역를 따라 스캔하면서 개시 코돈 AUG를 찾는다. AUG가 인식되면 eIF2의 GTP가 가수분해되고, 60S 대단위체가 결합하여 80S 개시 복합체가 형성된다.

펩타이드 결합 형성은 번역의 핵심 단계로, 아미노산들 사이에 공유결합이 만들어지는 과정이다. 이 반응은 리보솜의 펩타이디 전이효소 중심에서 일어나며, 이를 전이반응이라고 부른다. 이 반응은 효소의 도움 없이 리보솜 자체의 리보자임 활성에 의해 촉매된다[6].

반응이 일어나는 동안, tRNA 분자는 리보솜의 A 부위와 P 부위에 결합된 상태를 유지한다. P 부위에 위치한 tRNA(펩타이디-tRNA)의 말단에 연결된 성장 중인 폴리펩타이드 사슬은 A 부이트에 새로 들어온 아미노아실-tRNA의 아미노산의 아미노기(-NH2)를 공격한다. 이 공격의 결과로 펩타이드 결합이 형성되며, 기존의 에스테르 결합이 끊어져 폴리펩타이드 사슬 전체가 A 부위의 tRNA로 이동한다.

이 과정의 주요 단계는 다음과 같이 요약할 수 있다.

전이반응이 완료되면, A 부이트에는 폴리펩타이드 사슬이 연결된 펩타이디-tRNA가, P 부이트에는 비어있는 tRNA(탈아실화-tRNA)가 위치하게 된다. 이 상태는 다음 단계인 번역의 신장 과정에서 tRNA와 함께 mRNA가 한 코돈씩 이동하는 트랜스로케이션을 준비한다.

번역 종결은 mRNA 상의 종결 코돈이 리보솜의 A 부위에 도달했을 때 시작된다. 원핵생물과 진핵생물 모두 세 가지 종결 코돈(UAA, UAG, UGA)이 존재한다. 이 코돈들은 일반적인 tRNA에 의해 인식되지 않는다.

대신, 종결 코돈은 방출 인자라고 불리는 단백질에 의해 인식된다. 원핵생물에서는 RF1과 RF2가 각각 특정 종결 코돈을 인식하며, RF3이 이 과정을 보조한다. 진핵생물에서는 단일 방출 인자인 eRF1이 세 가지 종결 코돈을 모두 인식하고, eRF3이 GTP 가수분해와 연계된 방출을 촉진한다.

방출 인자가 A 부위에 결합하면, 리보솜의 펩티딜 전이효소 중심이 활성화되어 최종 펩타이드 사슬과 P 부위에 남아있는 tRNA 사이의 결합을 가수분해한다. 이로 인해 완성된 폴리펩타이드 사슬이 리보솜에서 방출된다.

이후, 리보솜 재활용 인자와 개시인자의 작용으로 mRNA와 남은 tRNA가 리보솜에서 분리된다. 분리된 리보솜 대소단위체는 새로운 번역 개시 복합체 형성에 재사용될 수 있다. 번역 종결은 높은 정확성이 요구되는 과정으로, 오류가 발생하면 비정상적인 단백질이 생성될 수 있다[7].

전자현미경은 리보솜의 존재를 최초로 확인하고 그 전체적인 형태와 크기를 규명하는 데 결정적인 역할을 한 기술이다. 1950년대 중반, 조지 팰레이드는 전자현미경을 이용하여 세포의 세포질 내에 고밀도의 작은 입자들이 풍부하게 존재함을 관찰하고, 이 입자들을 '미소소체'라고 명명하였다[11]. 이 관찰은 리보솜이 단백질 합성의 장소라는 가설을 입증하는 첫 번째 직접적인 증거가 되었다.

전자현미경 기술은 원핵생물과 진핵생물의 리보솜 크기 차이를 명확히 보여준다. 일반적으로 원핵생물의 리보솜(70S)은 진핵생물의 리보솜(80S)보다 작게 관찰된다. 또한, 조면소포체에 부착된 리보솜과 세포질 내에 자유롭게 떠다니는 리보솜을 구분하여 시각화할 수 있다. 부착 리보솜은 주로 막관통 단백질이나 분비 단백질을 합성하는 반면, 자유 리보솜은 세포 내에서 사용될 단백질을 합성한다는 기능적 차이를 이해하는 데 기여하였다.

시료 준비 방법에 따라 다양한 정보를 얻을 수 있다. 음성 염색법을 사용하면 리보솜의 외형과 대략적인 크기 분포를 확인할 수 있다. 더 발전된 기술인 크라이오-전자현미경이 등장하기 전까지, 전자현미경은 리보솜의 2차원적 배열이나 조립 상태를 연구하는 주요 도구였다.

X선 결정학은 원자 수준에서 리보솜의 정밀한 3차원 구조를 규명하는 데 결정적인 역할을 한 방법이다. 이 기술은 고순도의 리보솜 또는 그 하위 복합체를 정제하여 단결정으로 성장시킨 후, X선을 결정에 조사하여 발생하는 회절 패턴을 분석한다. 회절 패턴의 강도와 각도 데이터로부터 전자 밀도 지도를 계산하고, 이를 통해 각 rRNA 염기와 리보솜 단백질의 원자 위치를 모델링한다.

2000년대 초반, 베너카트라만 람크리슈난, 토머스 스타이츠, 아다 요나트를 비롯한 연구팀들은 세균 리보솜의 대소단위체와 전체 리보솜에 대한 고해상도 구조를 X선 결정학으로 최초로 규명했다[12]. 이 연구들은 단백질 합성의 핵심 기작인 펩타이드 결합 형성 부위(펩티딜 전이효소 중심)가 rRNA로만 구성되어 있다는 사실을 명확히 증명했으며, 항생제가 이 부위를 어떻게 억제하는지에 대한 분자적 기초를 제공했다.

X선 결정학은 정지 상태의 구조를 매우 높은 해상도(종종 3Å 미만)로 보여주지만, 단결정을 얻기 어렵고 동적인 과정을 포착하는 데 한계가 있다. 따라서 리보솜의 기능적 주기 동안 일어나는 구조 변화를 이해하기 위해서는 크라이오-전자현미경과 같은 다른 방법과 상호 보완적으로 사용된다.

크라이오-전자현미경은 시료를 액체 에탄에 빠르게 냉동하여 유리 상태의 얇은 얼음층에 포획하는 기술을 사용한다. 이 과정은 시료의 자연스러운 구조를 왜곡시키는 화학적 고정이나 염색을 피할 수 있어, 생체 분자가 기능 상태에 가까운 모습을 보존하는 데 결정적이다. 냉동된 시료는 전자빔에 노출되어 수만에서 수백만 개에 이르는 2차원 투영 이미지를 얻은 후, 컴퓨터 재구성 알고리즘을 통해 고해상도의 3차원 구조로 합성된다.

이 방법은 특히 리보솜과 같은 거대하고 역동적인 복합체를 연구하는 데 혁명을 가져왔다. 크라이오-전자현미경은 X선 결정학과 달리 결정화가 어려운 분자를 분석할 수 있으며, 단일 입자 분석을 통해 리보솜이 번역 과정 중에 취하는 여러 중간 상태를 포착할 수 있다. 예를 들어, tRNA와 번역인자가 결합한 리보솜의 다양한 기능적 상태를 '스냅샷'으로 얻어, 단백질 합성의 분자적 메커니즘을 동영상처럼 재구성하는 데 기여했다[13].

해상도 측면에서도 급속한 발전이 이루어져, 현재는 원자 수준에 근접한 해상도로 리보솜의 rRNA와 단백질 구성 요소 사이의 정교한 상호작용을 시각화할 수 있다. 이는 항생제가 리보솜의 특정 부위에 어떻게 결합하여 기능을 저해하는지 이해하는 데 필수적이었다.