[세포생물학] 센트럴도그마: 전사와 번역 (Transcription and Translation)

우리 몸을 구성하고 생명활동을 움직이게 하는 단백질은 과연 어떻게 만들어질까? 단백질은 본질적으로 아미노산으로 구성된다. 아미노산이 짧은 수로 모이게 되면 펩타이드(Peptide)라 부르며, 많은 수가 모이면 단백질이라 부른다. 그렇다면 이 아미노산은 어떻게 만들어지게 될까? 생물학에서는 아미노산으로부터 단백질이 만들어지는 과정 전체를 센트럴도그마라고 부른다. 센트럴도그마는 크게 전사(Transcription)와 번역(Translation)의 두 과정으로 이루어진다. 전사와 번역을 알기 위해서는 먼저 DNA와 RNA를 알아야 한다. 먼저 요약하면 DNA는 단백질을 만들기 위한 설계도이며, RNA는 설계도를 기반으로 단백질 제조 역할을 한다. DNA는 개념적으로 디옥시리보핵산(DeoxyriboNucleic Acid)를 의미하는 것으로, 원핵 생물과 진핵 생물의 세포에 공통적으로 존재한다. RNA는 리보핵산(RiboNucleic Acid)를 의미하는 것으로 RNA에서 산소 원자가 하나 빠진 것(De-oxy)이 DNA이다. 

 

DNA의 구성요소는 크게 4가지로 ATCG(아데닌, 티아민, 사이토신, 구아닌)의 염기로 구성된다. 컴퓨터가 0과 1로 이루어진 2진수 체계이듯, 우리 몸은 ATCG라는 염기로 구성된 4진수 체계라고 할 수 있다. 2진수 체계인 지금의 컴퓨터로 무수한 것을 할 수 있듯, 4진수 체계인 우리 몸은 컴퓨터보다 더 큰 복잡성을 가진다. 이 복잡성은 4가지 염기의 결합에 의해 나타난다. 4가지 염기는 상호 결합이 정해져 있다. 가령 A는 T와 결합하고 C는 G와 결합하는 식이다. 이렇게 AT, TA, CG, GC로 결합한 염기쌍(base pair)들이 이어져 DNA 시퀀스가 된다. (참고로 RNA는 T대신 U(우라실)이 쓰인다.) 앞서 말했듯 DNA에는 어떤 단백질을 생성해야 할지에 대한 설계도를 가지고 있다 했다. 이 설계도는 DNA 시퀀스와 같다. DNA 시퀀스의 3개의 염기를 묶어 하나의 코돈(Codon)을 구성한다. 코돈은 우리 몸에 어떤 아미노산을 만들지 결정한다. 가령 AAA라는 3개의 염기가 모이면 라이신이라는 아미노산을 만들고, GCC라는 3개의 염기가 모이면 알라닌이라는 아미노산이 만들어진다. 인간의 몸에는 크게 20개의 아미노산이 있고 각각의 코돈들은 20개의 아미노산 중에 하나를 만들게 된다. 코돈이 어떤 아미노산으로 만들어질(부호화될)지는 유전 암호(부호)를 통해 확인할 수 있다. 아래는 기초과학연구원에서 가져온 유전 암호 표(?)이다. 

 

참고로 다른 코돈이라도 같은 아미노산을 만들 수 있는 것이 특징이다. 여기서 중간 정리를 하자면, 전사(Transcription) 과정은 DNA 시퀀스에서 코돈이 될 3개의 염기를 읽어들이는 과정이다. 이 때 RNA가 관여하여 읽어 들이며, RNA가 3개의 염기 정보를 가지고 있으면 이를 mRNA (Messanger RNA)라 부른다. 전사 과정에서 만들어진 이 mRNA의 한 가닥은 인트론(Introns)과 엑손 영역(Exons)으로 나뉜다. 엑손은 단백질이 암호화된 영역이고 인트론은 비암호화된 영역이다. mRNA를 번역(Translation)에 사용하기 위해 비암호화된 영역인 인트론을 제거하고 5'cap과 3' poly-A tail라는 것을 추가한다. 그 다음 인접한 엑손끼리 결합하는데 이러한 과정을 대체 이어 맞추기(alternative splicing)이라고 한다. 이어 맞추기 과정은 큰 의미를 가진다. 그 이유는 mRNA에 담긴 일부 정보인 인트론을 제거한다는 것은 곧 원래의 DNA 서열과 달라질 수 있음을 의미하고 이는 하나의 DNA 서열이 실제로는 여러 단백질을 만들어낼 수 있다는 것을 의미한다. 

 

다음으로 번역(Translation) 과정은 mRNA가 설계도를 가지고 단백질 제조공장인 리보솜에 가서 단백질을 주문하는 것이다. 제조 과정에는 rRNA와 tRNA가 관여한다. rRNA는 리보솜 RNA를 뜻하며, tRNA는 전달 RNA를 뜻한다. tRNA는 코돈을 인지하고 올바른 아미노산을 추가하는 역할을 하며, rRNA는 아미노산의 펩타이드 결합에 관여한다. 간단하게 기술하였지만 사실 조금 더 복잡한 기전이 이루어진다. 번역 과정에 사용되는 특별한 코돈이 있다. 번역 개시 코돈, 번역 종료 코돈이다. 번역은 mRNA의 개시 코돈에 리보솜 소단위체가 결합하며 시작한다. 이후 mRNA의 코돈 정보는 tRNA의 안티 코돈을 리보솜으로 운반한다. 여기서 안티코돈이란 mRNA의 코돈과 상보적인 결합을 이루는 염기쌍을 의미한다. tRNA의 안티코돈을 통해 아미노산이 리보솜으로 운반된다. 이러한 과정을 반복하여 아미노산들이 차례차례 연결되면서 단백질 합성 과정이 이루어진다. 마지막으로 tRNA가 mRNA의 번역 종료 코돈과 결합하면 아미노산 중합 반응이 끝이 난다. 이후 만들어진 단백질은 세포 내 기관인 소포체안으로 들어가고, 골지체를 통과하며, 분비 소낭을 통해 세포막을 통과한 뒤 필요로 하는 곳에 분비된다. 이렇게 만들어진 단백질은 소화 과정에서 음식을 분해하여 에너지를 얻는 대사과정과 같이 신체 대부분의 생리 기능이 발휘하기 위해 사용된다.

 

Reference

[1] 유전암호

https://www.ibs.re.kr/cop/bbs/BBSMSTR_000000001003/selectBoardArticle.do?nttId=19630