단백질로써 유전자 산물의 확인은 돌연변이 연구에서 시작되었다. 이번에는 대부분의 경우에 유전자가 단백질을 암호화하고 단백질이 표현형을 결정한다는 것을 보여줄 것이다.
유전학은 유전자가 단백질을 암호화하는 것을 보여준다
알캅톤뇨증과 같은 사람 유전병의 연구는 유전자와 단백질을 연결한다.
유전자는 번역과 전사를 통해 발현된다. 전사(transcription)과정에서 유전자의 정보는 상보적인 RNA로 복사된다. 번역(translation) 과정에서 이 RNA의 서열은 폴리펩티드의 아미노산 서열을 만드는 데 사용된다.
전사의 산물은 전령 RNA(messenger RNA: mRNA)이다. 운반 RNA(transfer RNA: tRNA) 분자는 폴리펩티드를 만들기 위해 mRNA의 유전정보를 상응하는 아미노산 서열로 번역하는 어댑터이다.
리보솜 RNA는 리보솜(ribosome)에 구조를 제공하고 단백질 합성 동안에 이미노산 사이에 펩티드결합 형성을 촉매하는 리보자임으로 역할한다.
DNA 발현은 RNA로 DNA의 전사로 시작한다
한 유전자에서 두 가닥의 DNA 중 한 가닥(주형가닥)만이 전사를 위한 주형으로 이용된다. RNA 중합효소(RNA polymerase)가 전사를 촉매한다.
DNA로부터 RNA의 전사는 개시(initiation), 신장(elongation) 그리고 종결(termination)의 세 단계로 진행된다. RNA 분자의 신장은 5'에서 3' 방향으로 뉴클레오티드의 첨가에 의해 진행된다.
전사 후 진핵생물의 mRNA 전구체는 인트론(intron)을 제거되어야 한다. 만약 이들 RNA 서열이 제거되지 않으면, 매우 다른 아미노산 서열의 비기능적 단백질이 초래될 것이다. RNA짜깁기라 부르는 과정이 인트론을 제거하고 엑손을 짜깁기 한다.
진핵생물 mRNA는 5' 모자(5' cap) 3' 폴리 A 꼬리(3 poly A tail)의 첨가에 의해 변형된다.
RNA의 유전암호는 단백질의 아미노산 서열로 번역된다
합성 mRNA와 시험관에서 단백질 합성이 관리하는 실험에서 유전암호가확립되었다.
유전암호(genetic code)는 20종류의 아미노산을 지정하는 mRNA의 삼중체 뉴클레오티드 염기인 코돈(codon)의 '언어'이다. 또한 개시코돈(startcodon) 및 중지코돈(stop codon)이 있다.
암호는 중복되어(하나의 아미노산에 대해 여러 개의 암호의 존재 있지만모호하지(단일 암호가 하나 이상의 아미노산을 지정하지 않음) 않다.
유전암호의 번역은 tRNA와 리보솜이 매개한다
운반 RNA(transfer RNA, tRNA)가 리보솜에서 번역 중에 mRNA와 아미노산 사이를 매개한다. tRNA가 암호를 해독하여 적절한 아미노산을 운반하고 나면, 리보솜의 구성요소가 아미노산 사이에서 펩티드결합의 형성을 촉매한다.
각 tRNA는 아미노산 결합장소와 특정 mRNA 코돈에 상보적인 안티코돈(anticodon)을 가진다.
특정 합성효소가 각 tRNA에 해당하는 특정 아미노산을 장전한다.
리보솜 큰 소단위에는 tRNA 안티코돈이 상호작용하는 3개의 자리가 있다. A 자리(A site)는 장전된 tRNA 안티코돈이 mRNA 코돈에 결합하는 자리이다. P 자리(Psite)는 tRNA가 자라나는 폴리펩티드 사슬에 아미노산을 첨가하는 자리이다. E 자리(E site)는 tRNA가 방출되는 곳이다.
번역은 개시(initiation), 신장(elongation) 그리고 종결(termination)의 세단계로 일어난다. mRNA의 번역은 개시복합체의 형성으로 시작되고 이는 mRNA에 결합되어 있는 장전된 tRNA와 리보솜의 작은 소단위로 이루어진다. 리보솜이 한 코돈만큼 이동함에 따라 비어있는 tRNA는 E자리로 이동한 다음 방출되고 그래서 성장중인 폴리펩티드 사슬은 P자리로 이동한다.
폴리솜(polysome)에서 하나 이상의 리보솜이 동시에 mRNA의 가닥을따라 이동한다.
단백질은 번역 후 변형된다
신호서열(signal sequence)은 세포 내 목적지로 인도하는 아미노산의 짧은 서열이다. 신호서열이 없는 단백질은 합성된 동일한 세포질 구획에 머물게 될 것이다. 하지만 일부 단백질은 핵, 미토콘드리아, 색소체, 퍼옥시좀으로 인도하는 신호서열을 갖고 있다.
이들 목적지에는 소기관이 포함되고, 이곳에서 단백질은 표면 수용체에 의해 인식되고 결합된 후 안으로 들어간다.
리보솜이 말단 조면소포체 신호서열을 가진 폴리펩티드의 번역을 시작하면, 신호서열이 번역된 후 번역은 일시 중지되고, 이 신호서열이 조면소포체 막에 있는 수용체에 부착하면 번역이 재개된다.
폴리펩티드의 번역 후 변형에는 폴리펩티드가 작은 조각으로 잘리는 단백질분해(proteolysis), 당이 첨가되는 글리코실화(glycosylation) 그리고 인산기가 첨가되는 인산화(phosphorylation)가 있다.