번역 과정

어제도 길을 가면서, 하늘을 바라보면서 왜 이렇게 우주는 거대한지를 생각하고, 사람들을 바라보면서 왜 세상은 이렇게 복잡한지, 그들을 이루는 세포와 원자를, 내가 들이키는 공기 중에 포함된 셀수 없이 많은 공기 입자들을 상상하면서, 왜 우주는 이렇게 작은 것들로 이루어진 것인지를 생각했다. 과학을 공부하면 공부할 수록, 우리가 사는 세상이 참 웃기구나하는 것을 느낀다. 이 모든 존재자들을 존재하게 만든 존재...

 

물리학, 입자 물리학은 주로 1 fm=10^15미터의 공간을 얘기한다. 그 이하에도 어떤 구조가 있을 것은 거의 확실하다. 최소한 그 이하의 공간에서 존재하는 물리 법칙은 존재한다. 그러나 그 내부는 인간들에게는 절대 허용이 안되는 신비의 세상이다. 세포 하나하나는 약 100조개의 어마어마한 수의 원자들로 구성되며, 그 하나하나가 거대한 구조물임을 생물학은 얘기한다.

 

어떻게, 아무런 의지도 없는 원자라는 입자들이, 100조개의 원자들이 그렇게 정교한 구조물을 저절로 형성했을까.. 단순히 4개의 자연법칙과, 옥텟트 룰이라고 부르는 분자들의 결합 법칙만 던져주니.. 저렇게 정교한 구조물이 저절로 형성되었을까... 신비롭고 또한 신비롭다. 생명의 탄생과 더불어, 모든 약탈은 시작된다. 피할 수 없는 생명적인 존재들의 숙명이다. 어제 기사에 75마리의 범고래가 15미터의 대왕고래를 집단 사냥하는 것이 나왔다.

 

이 모든 것들의 비밀을 알게 되면, 최소한 양보해서... 내 존재의 무가치함이라도 확신하게 되면... "멈추어라! 너 정말 아름답구나!" (Verweile doch! Du bist so schön!) 라고 말할 수 있지 않을까... 생각한다.

 

====================================

 

번역과정 I. 전사를 끝냈으니 이제 번역과정에 대해서 살펴보자.

 

세포 하나 하나의 내부를 살펴보면 그 자체가 하나의 거대한 구조물이다. 핵은 control tower에 해당하고, 핵심적인 정보를 저장하며 필요한 경우에 꼭 필요한 부분의 설계도만 mRNA에 복사하여 세포 외부에 보낸다. 핵의 외부에는 설계도에 따른 단백질 조합공장인 리보솜, 그리고 조립된 단백질 검사 및 재작업, 물류를 담당하는 골지체,  그리고 조립된 단백질을 곳곳에 전달해 주는 물류체계인 Actin filament과 microtubule등 다양한 고속도로와 그 택배원들인 카이네신/다이닌들이 존재한다. 또한 재활용센터인 리조솜, 이 모든 활동의 에너지를 제공하는 미토콘드리아등.. 세포 자체는 그 또한 하나의 거대한 사회이며 약 100조개의 원자로 구성된 어마어마한 조직이다.

 

 

세포는 설계도를 핵에 고이 간직하고 있다가 꼭 필요한 경우에만 꼭 필요한 부분만 mRNA라는 조그만 물질에 copy해서 핵의 외부로 방출한다. 이렇게 중요한 조직인 핵에 아무나 들락날락 하면 아주 곤란 할 것이다. 따라서, 세포핵의 벽에는 출입을 위한 대략 1000개 정도의 대문이 존재한다. 직경이 약 120나노미터정도인 작은 대문을 핵공 복합체(Nuclear pore complex)라고 부른다. 물론, 아주 작은 물질들은 자유롭게 입출입하지만 어느 정도 규모가 큰 물질은 핵내로 유입을 위해서는  NLS(nuclear localization signal, 열쇠에 해당하는 아미노산 서열) 라는 마패가 있어야 가능하다. 반대로 핵외로 반출을 위해서는 NES(nuclear export signal)라는 마패를 가지고 있어야 한다.

 

전사가 끝난 mRNA는 핵의 바깥으로 보내진다. 핵의 표면에는 수많은 구멍들이 존재하는데, 그렇다고 이 구멍들로 아무나 들락날락 할 수 없고 정확한 열쇠를 가진 넘들만을 선택적으로 입출시킨다. 마치 성의 외곽을 지키는 병사들처럼 말이다. 이 과정에서도 혼자서 알아서 나가는 것이 아니라, 많은 단백질과 핵추출 수용자(nuclear export receptor)의 인도를 받아서 나가야 한다. 한번 들어온 넘은 나가기도 쉽지 않다. 성문에는 마패를 검사하는 카로페린(Karyopherins) 단백질이 있다 (입력은 importin, 출력은 exportin 이라고 부른다).  

 

이때 일부 단백질은 입구까지만 배웅하고 다시 되돌아오는 (nucleus-restricted protein)는 셔틀역할을 수행하고, 일부는 바깥까지 배웅하고 다시 핵 안으로 되돌아온다 (nuclear export receptor). 따라서 그들은 입출에 필요한 2개의 마패를 모두 소지하고 있다. 전사과정에서 아무나 함부로 붙지 못하도록 5’ 끝 부분에 붙어있던 cap 이 벗겨지고, 그 부분에 번역시작인자 (initiation factors, eIF4G, eIF4E)들이 붙어서 번역을 시작한다.

 

단백질 합성의 첫단계는 아미노산 연쇄 구조를 생성하는 것이다. 즉, 3bse=6bit 단위의 codon에 맞는 아미노산을 합성하여 실처럼 1차원 구조로 연결하는 것이다. 이것들은 궁극적으로는 소포체와 골지체에서 3차원 구조로 합성되어야 한다. 마치 형상 기억 합금처럼 말이다. 이전 포스팅에서 설명한데로 6bit로는 64개의 아미노산을 지정할 수 있기에, 어떤 코드들은 중복해서 같은 아미노산을 지정한다. 그리고, AUG는 번역의 시작점을, UAA/UGA/UGA는 번역의 종료점을 지정한다.

 

이제 5’, cap 이 달린 부분에서 시작해서 반대편 끝인 3’까지 번역을 진행한다. 예를 들어 아래 코드와 같은 경우, 루신, 세린, 발린, 트레오닌이라는 아미노산을 줄로 연결한다.

 

단백질 합성을 위해서는 1. 아미노산 가공 공장을 세워야 하고, 2. 원재료인 아미노산 물류체인을 완성해야 하고, 3. 직선적으로 연결된 1차원 구조로부터 3차원 단백질 구조를 완성해야 하고, 4. 불량품을 확인하고 수리/교체해야 한다. 생물도 다르지 않다. 이 모든 과정이 그 작은 세포의 안에서 모두 이루어진다. 우리 몸 안의 모든 세포, 60~100조개의 세포가 이러한 가내 수공업 공장으로 이루어져 있다. 20um의 초소형 나노 공장들이다. 이 공장이 돌아가기 위한 에너지를 대기 위하여 300~400개의 미토콘드리아가 10억개의 ATP 밧데리를 생산하고, 이것은 단 1~2분만에 모두 소진된다. 이러한 것들이 세포마다 있으니 그 수는 상상 초월일 것이다.

 

이제, 조립공장을 세워야 한다. mRNA가 세포밖으로 배출되면 9개정도의 개시 인자 (eukaryotic initiation factors (eIFs)) 가 번역에 개입된다. 먼저 40S(small subunit) 와 60S(large subunit)가 결합하여 80S 결합체를 형성한다. 이것을 위하여 polymerase III 공장에서 다양한 rRNA를 만들고 그 외에 50종의 다양한 리보솜 단백질과 결합하여 단백질 조립공장을 스스로 합성한다. 로보솜 공장은 세포질내에 둥실 둥실 떠있거나 혹은 소포체라는 조직에 결합되어 있기도 한다. 하는 일은 당연히 아아미노산 체인을 연결하여 단백질 중합체(protein polynomer)를 생성하는 것이다.

 

평소에는 떨어져있던 40S와 60S는 mRNA를 만나면 결합되어 아래 그림과 같이 small subunit위에 mRNA가 테이프처럼 올려지고, 3b codon 단위로 이동하면서 large subunit을 이루는 3 site에서 tRNA의 anti-codon과 결합하여 아미노산 조립이 진행된다. 복사 속도는 초당 2개의 아미노산 정도로 상당히 느린 편이다.