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미생물이야기 단백질은 효소 작용, 세포의 이동, 세포막 수용체, 세포막 이온 통로, 유전자 전사조절 등 세포 활동의 모든 과정
2013-08-14 15:53:21
이엠생명과학연구원

단백질은 세포의 구조를 결정하는 기본적인 구성성분이며,또한 세포의 활동을 결정하는 기본적인 요소가 된다. 단백질은 효소 작용, 세포의 이동, 세포막 수용체, 세포막 이온 통로, 유전자 전사조절 등 세포 활동의 모든 과정에 직접 또는 간접적으로 관여한다. 단백질의 기능은 그 구조에 의하여 결정되고, 단백질의 구조는 아미노산의 배열순서로 결정된다.

 단백질 구조를 결정하는 모든 정보는 세포핵 내에 있는 deoxyribonucleic acid(DNA)에 저장되어 있고, ribonucleic acid(RNA)로 전사되어 세포질로 이동되면, RNA를 주형으로 단백질 합성이 일어난다. 핵산은 뉴클레오티드(nucleotide)를 기본 단위로하는 중합체이다. 뉴클레오티드는 오탄당(데옥시리보오즈 또는 리보오즈), 인산 그리고 염기의 결합으로 구성된다.(그림 1). 핵산을 구성하는 두 종류의 염기는 퓨린(아데닌과 구아닌)과 피리미딘(시토신, 티민 그리고 우라실)이다. 아데닌(A),구아닌(G)과 시토신(C)은 DNA와 RNA 모두에서 공통으로 존재하며, 티민(T)은 DNA에만 있고, RNA에는 T가 우라실(U)로 대치된다.



<그림 1. 핵산은 뉴클레오티드의 중합체이며, 뉴클레오티드는 오탄당,
인산기와 염기로 구성되어 있다 >

 뉴클레오티드는 인산의 에스터로 연결된다. 인산 에스터의 한 쪽은 첫번째 뉴클레오티이드에 있는 오탄당의 3'탄소와 연결되고 다른 한 쪽은 두번째 뉴클레오티이드에 있는 오탄당의 5'탄소와 연결된다. 두 번째 뉴클레오티이드 오탄당 3'탄소와 세번째 오탄당 5'탄소 사이에 인산 에스터가 있다. 인산 에스터의 중간 결합 고리를 이용하여 뉴클레오티이드가 연속적으로 연결된다. 네 종류의 염기(A,G,C와 T혹은 U)중 하나의 염기가 오탄당의 1'탄소에 부착된다. 인산 에스터와 오탄당은 기본 골격을 이루는 구조이며,핵산의 구조적 특이성을 결정하는 것은 오탄당에 부착된 염기이다.3개의 뉴클레오티드, 즉 세개의 염기의 종류 및 순서에 의하여 아미노산의 종류가 결정된다. 아미노산의 종류와 배열순서는 단백질의 종류를 결정하며, 생명 현상의 특이성이 유지된다. 따라서 핵산의 염기 서열은 생명체의 특이성을 간직한 근원적인 정보 저장고라고 할 수있다.

 DNA는 구조적으로 두 개의 가닥으로 구성되어 있으며, 각각의 가닥은 앞에 설명한 뉴클레오티드의 연결체로 되어있다. 두개의 가닥에서 각각의 뉴클레오티드의 숫자는 동일하고, 서로 동일한 위치에 있는 염기는 마주 대하고 쌍을 이루므로 이둘을 염기쌍(base pair)이라고 한다. 염기쌍은 무질서하게 이루어지는 것은 아니며,일정한 염기끼리 짝을 이룬다. A는 G와 C는 T(또는 U)와 쌍을 이룬다. 쌍을 이루는 염기 사이에는 수소결합이 형성되며, 2중 혹은 3중 수소결합을 만드는 염기 구조의 특성으로 쌍을 이루는 염기의 종류가 결정된다. 염기들이 자신에 합당한 쌍을 이루는 것을 보합결합(complementary binding)이라고 한다. 염기쌍의 수소결합 및 DNA 분자 구조의 특성으로 두가닥의 핵산은 나선 형태로 꼬이는 독특한 구조를 만든다.이러한 이중나선(double stranded helix) 구조는 유전자 발현에 중요한 의미를 가진다.즉 RNA를 합성하기 위해서는 꼬여있는 이중나선이 풀어져서 두 가닥으로 분리되어야 한다.분리된 DNA 한 가닥은 RNA를 전사하는 주형이 된다(그림2). 전사된 mRNA는 세포질로 이동되고 아미노산 서열을 결정하여 단백질을 합성한다.

 단백질을 합성에는 tRNA와 rRNA가 필요하다.세포질의 아미노산은 각각을 운반하는 특이 tRNA에 부착되어 mRNA로 옮겨진다(그림 3). 리보좀은 rRNA와 단백질로 구성되어 있으며, mRNA와 tRNA가 결합하는 장소를 제공하여, 단백질 합성 장소가 된다.

 유전자(gene)는 특정 단백질의 결정에 관여하는 지놈(genome)의 일부분으로 정의된다. 유전자는 mRNA의 전사를 조절하는 조절부위와 아미노산 서열을 결정하는 전사 부위로 구성된다.(그림 4). DNA 주형에서 RNA로 전사되는 과정에는 RNA 중합효소가 관여한다. RNA 중합효소에는 3종류가 있으며, 중합효소 I은 rRNA의 합성, II는 mRNA의 합성, 그리고 III는 tRNA의 합성에 관여한다.



<그림 2. DNA 주형으로부터 RNA의 전사 >


<그림 3. 전령RNA(mRNA) 뉴클레오티드로 부터 아미노산의 해석>


<그림 4. 진핵세포 유전자의 구조, 전사 그리고 해석과정>

 유전자의 조절부위는 유전자의 상부(5')에 위치하며, RNA 중합효소가 결합하는 장소이다. 중합효소가 결합하는 위치에는 중합효소이외에 다른 단백질이 함께 결합한다. 이러한 단백질을 전사인자(transcription factor)라고 하고, 이들이 결합하는 DNA 부분을 작용위치요소(cis-acting element)라 한다. 전사가 시작되는 위치에 25-30 뉴클레오티드 상부에 TATA 박스가 있으며, 이 곳은 RNA 중합효소의 작용 시작에 반드시 필요하다. 전사 개시점의 70-90 뉴클레오티드 상부에 CAAT박스가 있는 유전자도 있지만, 정확한 전사에 필수 요소는 아니다.또다른 조절인자로  mRNA 양의 증가에 관여하는 증강자(enhancer)는 보다 상부에 위치한다(그림 5).



<그림 5. 상부 조절요소의 결합위치에 대한 모식도>

  1) 전사 기전

 전사의 시작은 유전자 조절부위에 조절 단백질 복합체의 형성이다. 조절 단백질 복합체는 조절인자(transcription factor, TFIIA,TFIIB,TFIID,TFIIE/F)와 RNA 중합효소 II의 결합체이다. TFIID가 먼저 TATA 박스에 결합하며, RNA전사의 가장 중요한 단계이다. 다음 단계는 TFIIA가 TFIID가 결합하는 단계이며, TFIIA는 TATA 박스에 직접 결합되지는 못하고, TFIID가 TATA 박스에 결합된 상태를 더욱 공고하게 한다. 그후에 TFIIB가 결합되며, TFIIB는 RNA 중합효소와 TFIID사이의 다리역활을 하는 것으로 추정된다.

 최근에 밝혀진 TFIIF는 DNA-의존성 ATP분해효소 기능과 DNA 이중삭 분리효소 기능이 있는 것으로 알려졌다. RNA-활성단백(RNA activating protein, RAP)이 분리되었고, 30과 74k Da의 단백질 합성체이며 RAP 30/74로 표기된다. RAP30/74는 TFIIF와 동일물질로 추정되며, RAP74가 DNA 이중삭 분리효소(helicase)로 작용하여, DNA를 두 가닥으로 분리하고, RNA 중합효소가 작용할 수 있도록 한다(그림 6).



<그림 6. RNA중합요소 II를 활성화하기 위하여 필요한 전사인자 복합체.>

 유전자의 전사는 조절 유전자에 있는 작용위치요소와 작용전달인자(trans-acting factor)의 상호결합에 의하여 조절된다. 조절 유전자의 수자나 구조는 서로 다르며, 여기에 결합하는 전사인자 단백질에 의하여 독특한 구조를 형성한다.

 전사인자 단백질이 DNA에 결합하는 부위는 아미노산 서열 60-100번 사이 이며, 강한 염기성 아미노산을 포함하고 있다. DNA에 결합하는 영역(domain)을 구조상 네 종류의 전사인자로 구분하며,Zinc-finger, leucine zipper, helix-turn-helix,와 helix-loop-helix 이다.

 Zinc-finger는 2개의 cysteine과 2개의 histidine 등 4개의 염기성 아미노산이 일정한 간격으로 위치하며, 중앙의 아연 분자는 이들 아미노산에 의하여 고정되는 구조를 가지고있으며,일반적으로 Cys-N2-Cys-N12-his-N3-His의 구조식으로 표시할수있다.여기서 N은 비특이적 아미노산을 의미한다.시스테인과 히스티딘 사이에있는 12개의 아미노산은 긴타원을 만들어 손가락 모양을 연상시킨다. 하나의 단백질내에 2-10개의 zinc-finger가 반복된 경우가 있으며,히스티딘이 시스테인으로 치환된 구조도 있다. 스테로이드와 갑상선 호르몬의 수용체는 zinc-finger계열에 속한다(그림7).



<그림 7. 징크 핑거(zinc finger)구조 >

  4-5개의 leucine이 7개의 아미노산을 사이에 두고 위치하는 구조의 전사인자가 있으며,두개의 단백질이 쌍을 이루어 leucine-leucine끼리 결합하는 zipper를 형성한다. Leucine이 위치한 근접부위에는 염기성을 가진 30개 정도의 아미노산이 위치한다. Leucine zipper는 α-helix를 형성하며, 양면성을 가져, leucine이 위치한 안쪽은 소수성이고, 바같쪽은 친수성이다.Leucine zipper는 cAMP와 diacylglycerol를 2차전달체로 이용하는 전사인자에서 공통된 구조이다. Leucine-zipper는 이중화되어 DNA와 결합하는 능력을 획득한다. Leucine zipper는 동형이중체(homodimer)를 형성할 뿐아니라, 유사한 계열에 속하는 다른 종류와 이종이중체(heterodimer)를 형성할 수 있다.

 또 다른 종류의 전사인자는 helix-turn-helix구조이다. 이것은 두 개의 α-helix구조가 β-turn에 의하여 연결된 모양이다. 카르복시 말단의 α-helix는 DNA에 직접 결합하는 곳이고, 다른 하나의 α-helix는 전자와 십자형으로 엇갈려 DNA와의 결합을 더욱 단단하게 한다. 뇌하수체 특이 전사인자 Pit-1/GHF-1이 여기에 속한다(그림9).

 면역단백 유전자 조절단백으로 helix-loop-helix구조를 가진 전사인자가 발견되었다. 두개의 α-helix가 6-10개의 아미노산으로 연결되었으며, 오메가 모양의 고리를 만든다.



<그림 8. 루신 지퍼(leucine zipper)구조>




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