mRNA 기술의 이해(3) 단백질 합성 과정
[작성일 : 2021년 7월 31일]
코로나19 팬데믹이 지속되고 있습니다. 다행히도 바이러스를 진단하는 기술, 예방하는 기술, 그리고 치료하는 기술도 빠르게 발전하고 있습니다. 이 중 바이러스를 예방할 수 있는 기술로는 mRNA 백신이 대표적인데, 혁명적인 기술이라고 합니다. mRNA 기술을 왜 혁명적이라고까지 하는지를 이해하기 위한 준비 단계인 이번 포스팅에서는 단백질의 합성 과정에 대해 알아보겠습니다.
글의 순서
한눈에 보는 단백질 합성 과정
단백질 합성 과정 : 전사(transcription)
단백질 합성 과정 : mRNA의 이동
단백질 합성 과정 : 번역(translation)
한눈에 보는 단백질 합성 과정
세포 내의 핵에서 DNA가 유전정보를 제공하면 메신저 RNA(mRNA, messenger RNA)가 그 정보를 받은 후, 수송 RNA(tRNA, transfer RNA)에게 전달합니다. mRNA가 유전정보를 받는 과정은 핵 내에서 일어나며, 유전정보를 가진 mRNA가 핵공을 통해 세포질로 이동한 후, 수송 RNA에게 이 정보를 전달합니다. 이렇게 전달된 유전정보를 이용하여 리보솜에서 아미노산 사슬을 만들게 되는데, 아미노산 사슬이 포개지고, 접혀서 복잡한 3차원 모양의 단백질이 됩니다.
단백질 합성 과정 : 전사(transcription)
DNA의 염기서열이 메신저 RNA(mRNA)로 전달되는 과정이 전사입니다. 특정한 염기서열이 특정한 유전 정보를 의미하므로, DNA의 유전정보를 RNA에 옮겨 적는다는 것으로 전사를 표현할 수도 있습니다.
RNA도 DNA처럼 4종류의 염기로 구성되어 있는데, RNA가 DNA와 다른 것은 티민(thymine) 대신 우라실(uracil)을 사용한다는 것입니다. 또한 두 개의 염기가 수소결합된 것이 아니라, 하나의 염기 사슬로 이루어져 있습니다. 전사의 과정을 살펴보겠습니다.
2개의 염기가 결합되어 있던 DNA의 일부에서 결합이 끊어지는데, 이 상보적 결합을 끊는 것은 RNA 중합효소(polymerase, 합성효소)입니다. RNA 합성효소 또는 중합효소는 같은 말입니다. RNA를 합성하는 데 쓰이는 효소입니다. 다시 말해 RNA 합성효소는 DNA의 상보적 결합을 끊어 이중 나선을 풀기 시작하며, 풀린 곳부터 전사가 시작됩니다.
2개 염기의 상보적 결합이 끊긴 DNA 한 가닥의 어떤 부분을 확대해서 본다고 가정하겠습니다. 확대해서 보니 DNA 한쪽 가닥에 붙은 9개의 염기가 보이는데, 그 염기 순서가 C, A, G, T, C, A, G, T, T 입니다. 즉, 사이토신, 아데닌, 구아닌, 티민, 사이토신, 아데닌, 구아닌, 티민, 티민입니다. RNA 합성효소는 이 한 가닥의 DNA 염기에 상보적으로 결합되는 RNA를 만들어냅니다.
DNA 염기의 상보적 결합은 A는 T와, C는 G와 각각 짝을 이루는 것입니다. RNA에는 티민 T 대신 우라실 U를 가지고 있으므로, 위에서 보신 DNA 한 가닥을 보고 전사된 RNA의 염기 순서는 G, U, C, A, G, U, C, A, A가 됩니다.
전사가 진행되는 방향으로 RNA 합성효소가 계속 이동하면서 DNA 사슬을 풀고 RNA를 합성합니다. RNA 합성효소는 어디까지 이동할까요? DNA 염기서열로 RNA합성을 그만하라는 종결신호(termination signal)를 만드는데, RNA 합성효소는 이 종결신호를 만날 때까지 이동합니다. 종결신호를 만나고 나면 RNA 합성효소와 RNA는 DNA로부터 떨어져 나갑니다.
단백질 합성 과정 : mRNA의 이동
세포 핵의 DNA로부터 유전정보를 전사한(옮겨 쓴) mRNA는 이 정보를 전달하러 갑니다. 즉, 세포 핵 내부에서 핵공을 통해 세포질로 이동하며, 목적지는 세포질에 있는 단백질 합성 공장인 리보솜입니다.
단백질 합성 과정 : 번역(translation)
리보솜은 메신저 RNA(mRNA)와 결합하여, mRNA-리보솜 복합체를 형성합니다. 리보솜은 아미노산 사슬을 만들기 위해 mRNA에서 유전정보(유전 코드)를 읽어 들입니다. 3개의 염기가 모여 하나의 유전 코드를 만들므로, 3개의 염기를 한꺼번에 읽어 들이게 됩니다.
이 유전정보는 수송 RNA(tRNA, transfer RNA)에게 전달되며, tRNA는 이 유전 정보에 해당하는 아미노산을 리보솜으로 운반합니다. mRNA의 유전 정보에 해당하는 tRNA-아미노산 복합체는 mRNA-리보솜 복합체와 상보적으로 결합하게 되며, 아미노산 사슬에 아미노산을 덧붙인 후 tRNA는 분리됩니다.
이 과정이 반복되면서 리보솜의 아미노산 사슬은 점점 길어집니다. 마지막 아미노산이 사슬에 추가되고 나면, 그 사슬은 포개지고 접혀져서 복잡한 3차원 모양이 됩니다. 이것이 단백질입니다.
마치며 …
이번 포스팅에서는 단백질의 합성 과정에 대해 알아보았습니다. 세포 내의 핵에서 DNA가 유전정보를 제공하면 메신저 RNA(mRNA, messenger RNA)가 그 정보를 받은 후, 수송 RNA(tRNA, transfer RNA)에게 전달합니다. mRNA가 유전정보를 받는 과정은 핵 내에서 일어나며, 유전정보를 가진 mRNA가 핵공을 통해 세포질로 이동한 후, 수송 RNA에게 이 정보를 전달합니다. 이렇게 전달된 유전정보를 이용하여 리보솜에서 아미노산 사슬을 만들게 되는데, 아미노산 사슬이 포개지고, 접혀서 복잡한 3차원 모양의 단백질이 됩니다.
세포 핵 내에서의 전사부터 단백질을 만들어내는 번역까지의 과정도 자세히 정리해 보았습니다. 이 포스팅이 mRNA 기술을 왜 혁명적이라고까지 하는지를 이해하는데 도움이 되길 바랍니다.
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참고자료
[1] [네이버 지식백과] 단백질의 합성 (통합논술 개념어 사전, 2007. 12. 15., 한림학사)
[2] [네이버 지식백과] RNA (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)
[3] [네이버 지식백과] 리보솜 RNA (생화학백과)
[4] [위키백과] 단백질 생합성
[5] 참고동영상 : Shela Caballero(2020), From DNA to protein 3D