15장. DNA에서 단백질까지

 이번 장에서는 지금까지 배웠던 DNA로부터 단백질을 합성하는 과정까지 설명해보려 한다. 핵에 존재하는 DNA는 전사 과정을 통해 RNA를 복제하고 이 RNA들은 번역 과정을 통해 세포질 내에서 단백질을 합성한다. 단백질 합성에는 총 세 가지 종류의 RNA (mRNA, rRNA, tRNA) 분자가 사용된다. DNA로부터 단백질 합성 명령을 전달하는 전령 RNA인 mRNA, 리보솜을 구성요소인 리보솜 RNA인 rRNA, 아미노산을 리보솜에 전달해주는 운반 RNA인 tRNA에 의해 전사된다. 간단하게 풀어 설명하자면, 설계도 원본을 가지고 있는 핵 속의 DNA는 전령 RNA(mRNA)를 이용해 세포질 내에 존재하는 리보솜에게 설계도 사본을 넘겨준다. 이 사본을 받은 리보솜의 공장장은 자신의 직원들에게 리보솜 RNA(rRNA)를 이용해 단백질을 합성하라고 명령한다. 그럼 단백질 합성의 재료가 되는 아미노산을 운반해주는 운반 RNA(tRNA)로부터 재료를 공급받아 리보솜 공장의 직원들은 단백질을 만들어낸다. 

 

 그럼 이 전반적인 과정을 세세히 나눠 설명해보겠다. 핵의 DNA에서 자신과 같은 복제품인 RNA를 찍어내는 전사라는 이 과정은 DNA의 복제 과정과 비슷하지만 조금 다른 차이점을 지니고 있다. DNA와 RNA는 총 8 종류의 뉴클레오티드, 세부적으로는 DNA 네 종류, RNA 네 종류의 뉴클레오티드 종류를 갖는다. 이는 DNA의 뉴클레오티드가 갖는 염기 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 티민(T), RNA의 뉴클레오티드가 갖는 염기 아데닌(A), 구아닌(G), 시토신(C), 우라실(U)의 차이 때문이다. RNA의 전사는 DNA의 복제와 세 가지 면에서 차이를 가지고 있다. 전사에서는 DNA의 전체 분자가 아닌 DNA 가닥의 일부분이 주형으로 작용한다. 또한 DNA 중합효소가 아닌 RNA 중합효소가 생성되는 RNA 가닥의 끝에 한 번에 하나씩 리보뉴클레오티드를 첨가한다. 그리고 전사의 결과로 수소결합으로 연결된 이중나선이 아닌 한 가닥의 RNA가 만들어진다. DNA의 암호화된 많은 부분은 개별적으로 전사되며, 각각은 자신만의 시작과 종결 신호를 가지고 있다. 프로모터는 유전자의 시작을 알리는 DNA의 염기서열로 RNA 중합효소와 다른 단백질들이 프로모터에 달라붙으면서 RNA의 합성이 시작된다. 각각의 중합효소는 DNA 가닥을 따라 이동하며, 주형으로 사용되는 DNA에 리보뉴클레오티드를 하나씩 붙여가고 종결을 나타내는 DNA의 염기서열에 이르게 되면, RNA는 자유로운 전사체로 떨어져 나온다.

 

 여기서 알아둬야 할 점은, 뉴클레오티드의 염기서열에 따라 단백질의 아미노산 순서가 결정된다는 것인데, 우리가 목적으로 하는 단백질이 합성이 되려면 뉴클레오티드의 염기서열이 제대로 정해져 있어야 한다는 것이다. 단백질의 합성에 앞서, 중요한 단어 몇 가지만 짚고 가자. 코드(암호)는 뉴클레오티드의 염기로 이 코드는 일렬로 나열되어 있으며 생성되는 아미노산을 결정지어준다. 다음은 코돈이다. 코돈이란 DNA에서 전사된 전령 RNA(mRNA)의 유전코드이다. 리보솜에 붙은 후의 mRNA 리보뉴클레오티드 염기는 한 번에 3개씩, 트리플렛 코드로 읽히는데, 이 묶음을 코돈이라 부른다. 마지막으로 안티코돈이다. 안티코돈은 번역의 과정에서 볼 수 있는 코드인데, 운반 RNA(tRNA)의 유전암호로 전령 RNA(mRNA)에 대응하는 3개의 염기로 이루어진 코드이다. 

 

 핵에서 전사되어 만들어진 mRNA는 단백질 합성에 영향을 주는 DNA의 알짜배기 엑손 부분만 남기고 합성에 영향을 주지 않는 인트론 부분은 잘라낸 뒤 세포질로 이동하며 시작된다. 단백질 합성은 총 세 단계로 개시, 신장, 종결의 단계를 거친다. 개시 단계는 리보솜에서 시작되는데, 개시 코돈인 AUG를 필두로 첫 번째 tRNA가 아미노산 메티오닌을 달고 리보솜의 첫 번째 자리에 붙으며 시작된다. 다음 신장 단계에서 두 번째 자리에 아미노산을 달고 온 tRNA가 붙고 첫 번째 자리의 아미노산과 펩티드 결합을 이룬다. 첫 번째 자리의 tRNA는 떨어져 나가고 한 칸씩 옆으로 이동하며 다른 tRNA들이 이 자리를 대체하면서 자신들이 가지고 온 아미노산들 엮어나간다. 이는 연쇄반응으로 작용하며 옆으로 계속 이동하며 아미노산 간의 펩티드 결합을 진행한다. 이 반응은 종결 코돈이 나타날 때까지 계속 진행되는데 mRNA에서 더 이상 단백질 합성을 진행하지 말라는 신호를 내보내면 종결 코돈을 마지막으로 단백질 합성이 종결된다. 이 과정이 단백질 합성 단계의 마지막인 종결 단계이다. 종결단계를 거친 단백질은 리보솜에서 떨어져 나오며 내막계의 조면 소포체나 세포질의 단백질 무리에 섞이게 된다. 단백질 합성이 끝난 뒤 리보솜은 2개의 소 단위체로 분리된다. 

 

 위에서 설명한 단백질의 합성과정은 정해진 유전정보에 대해서 정확히 이루어져야 하며, 만일 합성과정이 정확히 이루어지지 않고 염기 간의 치환, 삽입, 결실, 전위 등과 같은 문제점이 발생한다면 돌연변이와도 같은 생물에게 치명적인 문제가 생길 것이다.