번역(Translation)과 단백질 합성

번역의 개시 단계에서 가장 먼저 일어나는 핵심 과정은 개시 복합체가 형성되는 것이다. 이 복합체는 mRNA, 작은 리보솜 소단위체, 그리고 개시 tRNA가 결합하여 구성된다. 복합체 형성은 주로 진핵생물의 경우 mRNA의 5' 말단에 있는 7-메틸구아노신 캡과 폴리(A) 꼬리를 인식하는 단백질들에 의해 촉진된다. 반면 원핵생물에서는 mRNA 상의 특정 샤인-달가노 서열이 리보솜 결합 부위 역할을 한다.

개시 복합체 형성을 위한 정확한 위치 선정은 번역의 정확성을 보장하는 데 결정적이다. 진핵생물에서는 개시 인자들이 캡 구조를 인식하고, 작은 리보솜 소단위체를 mRNA의 5' 말단으로 유도한다. 이후 소단위체는 첫 번째 AUG 개시 코돈을 찾을 때까지 mRNA를 5'에서 3' 방향으로 이동한다[2]. 원핵생물에서는 샤인-달가노 서열과 16S rRNA의 상보적 염기쌍 형성을 통해 개시 코돈 근처에 리보솜이 직접 위치하게 된다.

이러한 과정을 통해 mRNA 상의 정확한 개시 지점에 리보솜 소단위체와 개시 tRNA가 안정적으로 결합하면, 이후 큰 리보솜 소단위체가 결합하여 완전한 리보솜이 조립되고 번역 신장 단계로 넘어갈 준비를 마친다.

개시 tRNA는 특이적으로 메티오닌을 운반하며, 진핵생물에서는 변형된 형태인 N-포르밀메티오닌을 운반하기도 한다. 이 tRNA는 개시 코돈인 AUG를 인식하는 고유의 안티코돈 서열을 가진다. 개시 복합체에서 소단위체가 mRNA의 5' 말단 부근에 정확히 위치하면, 개시 tRNA는 소단위체의 P 부위에 결합한다.

이 결합은 개시 인자들의 도움으로 이루어진다. 예를 들어, 진핵생물의 경우 eIF2가 GTP와 결합한 상태로 개시 tRNA를 리보솜 소단위체로 운반하는 역할을 한다. 개시 tRNA가 P 부위에 안정적으로 위치하면, 이는 리보솜이 mRNA 상에서 정확한 읽는틀을 설정하는 데 결정적인 기준점이 된다. 이후 리보솜 대단위체가 결합하여 기능적인 완전한 리보솜이 조립된다. 이 단계에서 개시 인자들은 해리되고, 개시 tRNA는 펩타이드 사슬이 형성되기 시작할 때까지 P 부위에 남아 있다.

아미노아실-tRNA는 개시 복합체가 형성된 후, 리보솜의 A 자리(A site)에 결합하여 번역의 신장 단계를 시작합니다. 이 과정은 신장 인자(EF-Tu in bacteria, eEF1A in eukaryotes)에 의해 정밀하게 조절됩니다. 신장 인자는 GTP와 결합한 활성 형태로, 세포질 내의 아미노아실-tRNA를 인식하고 리보솜의 A 자리로 운반하는 역할을 합니다.

아미노아실-tRNA가 A 자리에 정확하게 결합하기 위해서는 mRNA 상의 코돈과 tRNA의 안티코돈 간의 염기쌍 상보성이 필수적입니다. 결합 과정은 다음과 같은 순서로 진행됩니다.

1. GTP가 결합한 신장 인자가 아미노아실-tRNA와 복합체를 형성합니다.

2. 이 복합체가 리보솜의 A 자리에 접근하여, tRNA의 안티코돈이 mRNA의 코돈과 일시적으로 결합합니다.

3. 코돈-안티코돈 짝짓기가 정확하면, 리보솜의 입체구조 변화가 유도되어 신장 인자가 가진 GTP가 가수분해됩니다.

4. GTP가 GDP로 가수분해되면서 신장 인자의 구조가 변화하고, 이는 아미노아실-tRNA를 A 자리에 완전히 고정시킨 후 신장 인자가 리보솜에서 떨어져 나가게 합니다.

이 결합 과정의 정확성은 매우 높아서, 오류율은 약 10^-4 수준입니다. 정확하지 않은 tRNA가 결합하는 경우, GTP 가수분해 이전 단계에서 복합체가 리보솜에서 쉽게 떨어져 나가게 되어 오류가 교정됩니다. 이는 '선택적 결합'과 '유도적 부합' 메커니즘에 의한 것으로, 단백질 합성의 충실도를 보장하는 핵심 과정입니다.

펩타이드 결합 형성은 번역의 신장 단계에서 가장 핵심적인 화학 반응이다. 이 과정은 리보솜의 펩티딜 전이효소 중심에서 일어나며, P 부위에 위치한 폴리펩타이드 사슬(또는 개시 시점의 개시 tRNA)과 A 부위에 새로 들어온 아미노아실-tRNA 사이에 새로운 결합을 만든다.

구체적으로, P 부위 tRNA에 결합된 폴리펩타이드 사슬의 카르복실 말단(-COOH)이 A 부위 tRNA에 결합된 아미노산의 아미노기(-NH2)를 공격한다. 이 결과 두 아미노산 사이에 펩타이드 결합이 형성되고, P 부위 tRNA에서 폴리펩타이드 사슬이 떨어져 나와 A 부위 tRNA에 결합된 아미노산에 연결된다. 이로써 폴리펩타이드 사슬은 한 개의 아미노산만큼 길어진다. 반응 후, P 부위 tRNA는 아미노산을 잃은 상태(무부하 tRNA)가 되고, A 부위 tRNA는 성장한 폴리펩타이드 사슬을 지니게 된다.

이 반응은 효소에 의한 촉매 작용을 받지만, 그 정확한 메커니즘은 오랫동안 연구의 초점이었다. 초기 연구는 리보솜 단백질이 이 역할을 할 것이라고 추정했으나, 후에 리보자임 가설이 제기되었다. 최종적으로 이 반응이 리보솜 RNA의 촉매 작용에 의해 수행된다는 사실이 확인되었으며, 이는 RNA 세계 가설을 지지하는 중요한 증거가 되었다[3].

번역의 신장 단계에서 리보솜의 이동은 펩타이드 결합이 형성된 후, 다음 코돈으로 리보솜이 전위하는 과정이다. 이 이동은 EF-G (세균) 또는 eEF2 (진핵생물)라고 불리는 신장 인자와 GTP 가수분해에 의해 제공되는 에너지에 의존한다. 펩타이드 결합 형성 후, 리보솜은 A 부위에 펩타이드-tRNA를, P 부위에 탈아실화된 tRNA를 갖게 된다. EF-G•GTP 복합체가 리보솜에 결합하면, 리보솜의 구조적 변화가 유도되어 tRNA와 mRNA가 정확히 한 코돈 길이(3개의 뉴클레오타이드)만큼 이동한다.

이동의 결과, 펩타이드-tRNA는 A 부위에서 P 부위로 옮겨지고, 탈아실화된 tRNA는 P 부위에서 E 부위로 밀려난다. 이로 인해 A 부위는 비게 되어 다음 아미노아실-tRNA가 결합할 수 있게 된다. 이동 후, EF-G에 결합된 GTP가 가수분해되어 GDP와 인산이 방출되고, EF-G는 리보솜에서 떨어져 나간다. 이 과정은 종결 코돈이 A 부위에 도달할 때까지 반복된다. 리보솜의 이동은 매우 정밀하며, 프레임 시프트를 방지하여 단백질의 정확한 아미노산 서열이 유지되도록 한다.

종결 코돈 인식은 번역 과정의 마지막 단계를 시작하는 신호이다. 리보솜이 mRNA 서열을 따라 이동하며 코돈을 읽다가 UAA, UAG, UGA 중 하나의 종결 코돈을 A 부위에 위치시키면, 이는 새로운 아미노산을 추가하지 말고 합성을 멈추라는 명령으로 작용한다.

이 종결 코돈은 일반적인 아미노아실-tRNA에 의해 인식되지 않는다. 대신, 방출 인자라고 불리는 단백질이 이 신호를 인식하고 리보솜에 결합한다. 진핵생물에서는 eRF1이, 원핵생물에서는 RF1과 RF2가 그 역할을 담당한다[4]. 이 방출 인자들은 tRNA와 구조적 유사성을 가져 리보솜의 A 부위에 결합할 수 있지만, 아미노산은 운반하지 않는다.

방출 인자가 종결 코돈에 결합하면, 리보솜의 펩티딜 전이효소 중심이 활성화되어 최종적으로 합성된 폴리펩타이드 사슬과 마지막 tRNA 사이의 에스테르 결합을 가수분해한다. 이 반응은 새로운 펩타이드 결합을 형성하는 신장 단계의 반응과는 본질적으로 다르며, 합성된 사슬을 자유롭게 방출하는 결과를 낳는다.

종결 코돈이 리보솜의 A 부위에 위치하면, 종결 인자라고 불리는 단백질이 결합합니다. 진핵생물에서는 eRF1과 eRF3가, 원핵생물에서는 RF1, RF2, RF3가 이 역할을 담당합니다. 이 인자들은 tRNA와 유사한 구조를 가지지는 않지만, 리보솜의 종결 코돈을 정확히 인식하여 반응을 유도합니다.

종결 인자가 결합하면, 리보솜의 펩티딜 전이효소 중심에서 가수분해 반응이 촉매됩니다. 이 반응은 새로 합성된 폴리펩타이드 사슬과 최종적으로 결합하고 있는 tRNA 사이의 에스테르 결합을 끊습니다. 그 결과, 완성된 폴리펩타이드 사슬이 리보솜에서 방출되고, tRNA는 P 부위에서 떨어져 나갑니다.

폴리펩타이드가 방출된 후, 리보솜 재활용 인자와 개시 인자의 작용으로 리보솜은 소단위체와 대단위체로 분리됩니다. 이 과정은 mRNA와 남아 있을 수 있는 마지막 tRNA로부터 리보솜을 해방시켜, 새로운 번역 주기에 참여할 수 있도록 합니다. 방출된 폴리펩타이드 사슬은 이후 번역 후 변형 과정을 거쳐 기능성 단백질로 성숙하게 됩니다.

번역 과정을 통해 합성된 선형 폴리펩타이드 사슬은 기능을 수행하기 위해 특정한 3차원 구조로 접혀야 한다. 이 과정을 단백질 접힘이라고 부르며, 단백질이 생물학적 활성을 갖는 데 필수적이다. 접힘은 주로 아미노산 서열 자체에 의해 결정되는 자발적 과정이지만, 분자 샤페론이라 불리는 보조 단백질들의 도움을 받기도 한다.

단백질의 구조는 일반적으로 1차부터 4차 구조로 구분된다. 1차 구조는 아미노산의 선형 배열 순서이다. 이 1차 구조는 수소 결합에 의해 규칙적인 지역적 패턴인 2차 구조를 형성한다. 대표적인 2차 구조에는 알파 나선과 베타 병풍이 있다. 이러한 2차 구조 요소들이 더욱 접히고 꼬여서 전체적인 3차원 형태인 3차 구조를 만든다. 3차 구조 형성에는 소수성 상호작용, 이온 결합, 이황화 결합, 반데르발스 힘 등 다양한 비공유 결합과 공유 결합이 관여한다.

잘못된 접힘은 단백질이 비활성화되거나, 응집되어 세포에 해를 끼칠 수 있다. 이러한 잘못 접힌 단백질의 축적은 알츠하이머병, 파킨슨병, 헌팅턴병 등 여러 신경퇴행성 질환과 연관되어 있다[5]. 따라서 단백질이 정확하게 접혀서 기능적인 네이티브 구조를 형성하는 것은 세포 건강에 매우 중요하다.

단백질 분해는 폴리펩타이드 사슬의 특정 부분을 절단하여 기능성 단백질을 생성하는 과정이다. 예를 들어, 인슐린은 처음에는 비활성 상태의 전구체인 프리프로인슐린으로 합성된다. 이는 소포체와 골지체를 거치면서 특정 펩타이드 서열이 제거되어 최종적인 활성 형태의 인슐린 분자로 변형된다[6]. 또한, 많은 효소나 호르몬은 지모겐이나 프로호르몬과 같은 비활성 전구체 형태로 합성된 후, 필요 시점에 제한적 분해를 통해 활성화된다.

화학적 변형은 단백질에 다양한 화학적 작용기를 공유결합으로 첨가하는 번역 후 변형이다. 주요 변형에는 인산화, 글리코실화, 아세틸화, 메틸화 등이 있다. 인산화는 키네이스 효소에 의해 세린, 트레오닌, 티로신 잔기에 인산기가 붙는 과정으로, 단백질의 활성, 안정성, 세포 내 위치를 조절하는 핵심 기전이다. 글리코실화는 단백질에 당 사슬이 붙는 변형으로, 세포 표면 단백질의 안정성과 세포 간 인식에 중요한 역할을 한다.

이러한 변형들은 단백질의 기능, 안정성, 세포 내 국소화를 결정짓는다. 변형 패턴의 이상은 알츠하이머병, 파킨슨병, 암 등 다양한 질병과 연관된다. 예를 들어, 타우 단백질의 비정상적인 인산화는 알츠하이머병에서 신경원섬유매듭 형성과 관련이 있다.

전사 후 조절은 mRNA가 합성된 이후, 번역 과정이 시작되기 전이나 진행 중에 발생하는 다양한 조절 메커니즘을 포괄한다. 이는 주로 mRNA의 안정성, 세포 내 위치, 그리고 리보솜에 의한 번역 효율을 조절함으로써 단백질 합성의 시기와 양을 정밀하게 통제한다. 핵심 조절 방식으로는 mRNA의 3' 말단에 있는 폴리(A) 꼬리 길이 조절, 5' 말단의 캡 구조 변형, 그리고 mRNA 분자 자체의 화학적 변형 등이 포함된다.

특히 중요한 조절 수단은 마이크로RNA(miRNA)와 소간섭RNA(siRNA)에 의한 RNA 간섭 현상이다. 이들은 표적 mRNA의 염기 서열과 상보적으로 결합하여, mRNA 분자를 분해하거나 번역을 억제함으로써 유전자 발현을 침묵시킨다. 또한, mRNA 분자는 세포질 내 특정 위치로의 국소화를 통해, 필요한 장소에서만 단백질이 합성되도록 조절받는다. 이러한 국소적 번역은 신경세포의 시냅스나 세포의 이동 앞부분과 같이 공간적으로 제한된 단백질 기능에 결정적이다.

조절은 mRNA에 결합하는 다양한 단백질 복합체에 의해서도 이루어진다. 예를 들어, 5' 비번역 영역(5' UTR)이나 3' 비번역 영역(3' UTR)에 특정 RNA 결합 단백질이 부착되면, 번역 개시 인자의 결합을 방해하거나 촉진하여 번역 효율을 변화시킨다. 이는 세포 주기, 스트레스 반응, 발달 단계 등에 따라 역동적으로 조절된다. 따라서 전사 후 조절은 전사 수준의 조절만으로는 설명할 수 없는 빠르고 정교한 단백질 발현 패턴을 가능하게 한다.

번역 수준 조절은 mRNA의 번역 효율을 조절하여 세포 내 단백질 생산량을 제어하는 과정이다. 이는 전사 후 조절의 한 형태로, 세포가 환경 변화나 발달 단계에 신속하게 대응할 수 있게 한다. 주요 조절 메커니즘에는 mRNA의 5' 비번역 영역이나 3' 비번역 영역에 결합하는 단백질이나 마이크로RNA에 의한 억제, 그리고 리보솜의 결합과 이동 효율을 변화시키는 구조적 요소들이 포함된다.

특히, 철-반응 요소 결합 단백질은 철 농도에 따라 페리틴 mRNA의 번역을 조절하는 대표적인 예이다. 철 농도가 낮을 때는 이 단백질이 mRNA의 철-반응 요소에 결합하여 리보솜의 결합을 방해하지만, 철 농도가 높아지면 결합이 해제되어 번역이 활성화된다. 또한, 많은 발암 유전자나 성장 인자들의 mRNA는 5' 말단에 복잡한 2차 구조를 가지고 있어, 일반적인 리보솜 주사 모델이 아닌 특별한 메커니즘을 통해 번역이 개시된다.

이러한 조절은 단백질 합성에 필요한 에너지를 절약하고, 특정 단백질의 생산을 공간적, 시간적으로 정밀하게 제어하는 데 필수적이다. 예를 들어, 신경 세포에서 시냅스에서의 국소적 번역은 기억과 학습에 중요한 역할을 한다[8].