[스크랩] 리보솜 [ ribosome ] - 단백질 합성공장(2009 노벨화학상 수상)

리보솜 [ ribosome ]

지구 상에 현존하는 모든 생물에 포함되어 있으며 세포 내에서 단백질생합성의 장소가 되는 세포소기관.그림 (a)에 구성면을 나타냈다. ribosome은 큰(大)소단위와 작은(小)소단위의 2가지로 구성되며 각각 1~3종의 리보솜RNA와 대단히 여러 종류의 리보솜단백질이 비공유적으로 결합하고있다. 리보솜RNA는 세포 내의 전RNA의 약 80%를 차지한다.이들 성분의 구성 양식과 크기에 따라 원핵세포형, 진핵세포형으로 나눈다. 그러나 고세균(古細菌)의 경우는 2가지 형태의중간적인 여러 가지 특이성을 나타냄으로써 고세균의 진화학적 성립을 특징짓기 어려운 현상이다. 또 미토콘드리아, 엽록체에 포함되는 리보솜은 그의 추정되는 성립(즉, 각각 원핵생물의 공생이라고 말하고 있음)면에서도 알 수 있는 바와 같이 확실히 원핵세포형이지만, 구성리보솜단백질에 독자적인 종류가 나타난다거나 구성리보솜단백질유전자 대부분이 자기DNA에서 이탈하여 핵내DNA에 이입하고 있다는 것 등 단계적 돌연변이가 나타난다. 이러한 점에서 리보솜단백질에 대한통일된 명명법은 없고, 원핵세포형으로서 주로 E. Kaltschmidt등에 의한 대장균의 경우를 적용하고 있다. 그림 (b)에 리보솜의 기능면을 나타냈다. ribosome에 는 아미노아실부위(A부위), 펩티딜부위(P부위)라는 2개의 tRNA결합부위가 있어서 그림 (b)처럼 결합한 mRNA의 유전정보에 따라 각각의 부위에 tRNA가 위치한다. 아미노아실 tRNA합성효소에 의해 활성화하여 그2개의 아미노산 간의 펩티드결합 형성을 촉매하는 기능, 즉펩티딜전이효소에 의해 상술한 단백질생합성 기능을 수행한다.단백질은 생명현상의 주역이지만, 그 단백질은 ribosome 상에서만 합성한다. 따라서 리보솜 자체의 생합성 조절은 생명현상발현에 관여한다. 그러나 전반에 걸치는 리보솜생합성 조절기구의 상세한 점은 아직 불분명하다. 따라서 리보솜은 전 생물에 존재하고, 핵산·단백질이라는 정보 고분자에 의해 구성되며, 기본적으로 공통기능을 영위한다는 점에서 전 생물을 통한진화학적 해석의 소재로 매우 적합하다. 리보솜 - (a) 리보솜의 구성     ribosome - b) 리보솜에서의 펩티드합성

 

              

* 출전 : 생명과학대사전 강영희 저, 2008

 

 

단백질 합성 공장 리보솜(ribosome) 비밀 밝혀

    - 슈퍼박테리아 무찌를 새로운 항생제 개발에 기여 -

 

   2009년 10월 27일 스웨덴 왕립과학원은 세포 내 소기관인 ribosome 연구에 기여한 공로로 영국 MRC분자생물학연구소의 벤카트라만 라마크리슈난 박사와 미국 예일대의 토머스 스타이츠 교수, 이스라엘 와이즈만연구소의 아다 요나스 박사를 올해의 노벨화학상 수상자로 선정했다.

   수상자 3명은 X선 결정법으로 생체 내 단백질 합성공장인 리보솜의 3차원구조를  규명해 이 복합체의 작동원리를 밝혔다.

  이 결과 각종 질병에 대한 항생제를 개발하는 데도 획기적인 기여를 할 전망이다.  DNA  tRNA  mRNA RNA  rRNA

 

  RNA와 단백질로 이뤄진 거대한 복합체

  DNA 이중나선구조를 발견한 프랜시스 박사는 1958년에 '센트럴 도그마(central dogma)'라는 가설을 내놓았다.

  이에 따르면 DNA의 유전정보는 mRNA(전령 RNA)로 전사(transcription)된 뒤, mRNA가 아미노산을 운반하는 tRNA(운반RNA)와 상호작용해 유전암호에 따라 아미노산들이 특정한 순서로 연결돼 단백질이 합성된다.

  이 과정을 '번역(translation)'이라고 부르는데, 번역이 일어나는 장소가 바로 ribosome이다.

  

  리보솜은 RNA와 단백질로 구성돼 있는 거대한 복합체다.

  리보솜은 세포가 있는 생명체에는 다 존재하지만 진핵생물의 리보솜보다 '상대적으로' 덜 복잡한 박테리아의 리보솜이 집중적으로 연구됐다.

  박테리아 리보솜은 분자량이 2.3MDA(메가달톤, 달톤은 원자질량 단위로 수소원자가 1Da이다. 1MDa=10의6승Da)에 이르는 초거대 복합체로 30S단위체(S는 침강계수로 이 값이 클수록 원심분리 시 아래층에 놓인다)와 50S단위체로 이뤄져 있다.

 

  30S단위체는 21종의 단백질, 약1,500개의 염기로 구성된 16S rRNA(리보솜 RNA)로 이뤄쳐 있고, 50S단위체는 34종의 단백질, 약 3,000개의 염기로 구성된 23S rRNA, 120개의 염기로 구성된 5S rRNA로 이뤄져 있다.

  리보솜에는 tRNA가 결합할 수 있는 부위가 3곳 있는데(A자리,P자리,E자리), 두 단위체가 만나는 경계면에 위치한다.

  단백질을 만들지 않을 때 리보솜은 두 단위체가 분리돼 있다.

  번역될 mRNA가 30S단위체에 자리를 잡으면 50S단위체가 결합해 아미노산이 붙어 있는 tRNA로 아미노산 사슬을 만든다.

 

  지난 수십 년 동안 수 많은 연구자들의 노력으로 이렇게 개략적인 과정은 밝혀졌지만 단백질 합성 메커니즘을 좀 더  정확히 이해하려면 리보솜 구조를 알아야 한다.

  또 항생제 내성 병균에 대응할 새로운 항생제를 개발하기 위해서도 원자수준의 해상도로 리보솜에 대한 3차원구조 정보가 필요하다.

  지금까지 만들어진 항생제의 절반은 병균의 리보솜 작용을 방해해 약효를 내는데, 병균이 리보솜 구조를 바꾸는 돌연변이를 일으켜 항생제에 대한 내성이 생기기 때문이다.

 

 

생명과학 : 1974년 김성호 교수의 전달RNA 3차원 구조 규명’ 참조

 

                                                               리보솜 X선 사진

두 개의 단위가 결합돼 있는 리보솜의 구조(위). 두 단위 사이를 벌려 보면 가운데 조그마한 3개의 tRNA(빨강, 오렌지, 노랑) 분자가 보인다(아래).       결정 만든 지 20년 만에 구조 규명     리보솜처럼 큰 분자나 복합체는 결정을 만든 뒤 X선을 쪼일 때 나오는 회전패턴을 해석해 구조를 알아낸다.     리보솜 구조 연구는 리보솜의 거대한 크기 때문에 여러 가지 어려운 점이 있었는데, 이를 극복하는 방법이 개발된 과정을 보면 구조생물학 발전의 역사를 알 수 있을 정도다.      1955년 리보솜의 존재가 전자현미경 사진으로 확인된 이래, 요나스 박사는 1970년대부터 X선 구조 해석의 첫 단계로 리보솜의 결정을 만드는 연구를 시작했다.

   1980년 요나스 박사팀은 50S단위체의 결정을 만드는 데 성공했고, 그 뒤 30S단위체와 리보솜의 결정이 속속 만들어졌으나 이 결정들은 모두 회절 해상도((두 사물을 분간할 수 있는 최소 거리를 나타내는 개념이다. 생체분자는 원자들로 이뤄쳐 있으므로 생체고분자를 자세히 보려면 원자수준의 해상도가 필요하다. 저해상도(10Å 내외, 1Å=10-10m)에서는 생체고분자의 외형 이미지 정도를 볼 수 있고,중해상도(4-6Å 정도)에서는 2차구조 정도를 구분할 수 있으며, 고해상도(2-3Å 정도)가 돼야 생체고분자으 구조와 기능을 해석할 수 있다.))가 좋지 않았다.

 

   요나스 박사팀은 1990년대에 들어와서야 고해상도로 볼 수 있는 결정을 얻을 수 있었다.

   그 뒤 10여 년 동안 스타이츠 교수팀과 라마크리슈난 박사팀을 포함해 여러 실험실에서도 각 단위체의 결정을 만들어 구조해석을 시도했으나 위상(진동이나 파동처럼 주기적으로 반복되는 현상에 대해 어떤 시각이나 특정 장소에서 변화의 국면을 가리키는 값이다. X선은 파동이므로 회절패턴에서 진폭(강도)뿐 아니라 위상 정보도 해석해야 3차원구조를 구할 수 있다.)

  1998년 스타이츠 교수팀은 중금속 유도체와 1995년 발표된 리보솜의 전자현미경 지도로 위상문제를 해결해 50S단위체에 대한 저해상도 X선 구조를 최초로 해석하는 데 성공했다.

  이듬해 스타니츠 교수팀은 50S단위체의 중해상도 구조를 발표했고, 라마크리슈난 박사팀과 요나스 박사팀은 각각 30S단위체의 중해상도 구조를 발표했다.

  두 단위체가 합쳐진 리보솜에 대해서는 같은 해에 미국 산타크루스 캘리포니아대 해리 놀러 교수팀이 저해상도 구조를 발표했다.(엄수현 교수는 서울대 화학과 서세원 교수팀에서 박사과정에 있을 때 한국생명공학연구원의 이대실 박사팀과 공동으로 유전자증폭반응(PCR)에 쓰이는 Taq DNA 중합효소의 결정구조를 연구했다. 고해상도 단백질결정을 만들 수는 있었으나 X선을 쪼이면 결정이 급격히 손상돼 구조를 해석할 수 없었다고 한다. 이때 예일대 스타이츠 교수팀에서 박사후연구원으로 있던 김영수 박사(현 서울대 의대 교수)와 공동연구할 기회가 주어져, 1993년 당시 스타이츠 박사팀이 한창 기술을 개발하던 동결X선회절법을 써서 Taq DNA 중합효소의 구조를 해석할 수 있었다고 한다.(1995년 '네이처'발표). 동결X선 회절법은 영하 170도에서 얼린 결정에 X선을 쪼이므로 손상이 덜하다. 그 뒤 스타이츠 교수팀에서 박사후연구원으로있으면서 Taq DNA 중합효소와 DNA의 복합체 구조를 해석해 DNA 증폭반응의 메커니즘을 이해할 수 있었다고 한다.(1996년 '네이처'에 발표))

 

   2000년 스타이츠 교수팀(50S단위체)과 라마크리슈난 박사팀과 요나스 박사팀(30S)이 마침내 원자 하나하나의 위치를 알 수 있는 고해상도 구조를 밝혔고, 마침내 2005년 미국 버클리 캘리포니아대 도드너 게이트 교수팀이 리보솜의 고해상도 구조를 규명했다.

 

   요나스 박사는 황무지에서 가장 먼저 리보솜의 결정을 얻어낸 개척자로서 동결X선회절법을 개발해 고해상도의 회절데이터를 얻을 수 있는 방법을 찾은 공로가 크다.

   스타이츠 교수는 저해상도이기는 하지만 가장 먼저 위상문제를 해결해 최초의 리보솜 X선 구조를 해석한 공로가 크며, 라마크리슈난 박사는 스타이츠 교수와 함께 이후 고해상도으 구조를 해석한 공로가 크다고 생각된다.

  

   리보솜 구조를 연구하면서 개발된 결정화기술, 동결X선회절법, 강력한 방사광 C선 이용법, 위상문제 해결 기술은 리보솜뿐 아니라 다른 복잡한 생체고분자의 구조를 해석하는 데에도 지대한 영향을 미쳤다.

 

 

  병균의 리보솜 공격해 질명 치료

  리보솜의 구조를 해석함에 따라 단백질 합성의 메커니즘을 좀 더 상세히 알게 됐는데, 그 중에서 특이할 만한 점이    rRNA의 촉매작용이다.

  일반적으로 생체 내 화학 반응에 작용하는 촉매는 단백질(효소)인데, 1970년대 후 반부터  rRNA도 촉매기능을 한다는 간접적인 증거가 나오기 시작했다.

   올해 라마크리슈난 박사팀은 리보솜의 고해상도 구조로부터  rRNA가 아미노산 사슬을 만드는 반응에서 촉매로 작용한다는 사실을 증명할 수 있었다.

  

   한편 리보솜 구조규명은 새로운 항생제 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

   2차 세계대전 이후 박테리아 감염 질환 치료제로 항생제가 널리 쓰이면서 항생제에 내성이 생긴 슈퍼 박테리아가 나타나 새로운 항생제 개발의 필요성이 공중보건의 중요한 이슈가 되고 있다.

   현재 상용되고 있는 항생제의 절반이 병균의 리보솜을 표적으로 삼고 있다.

 

   물론 이들 대다수는 애초에 리보솜 무력화를 목표로 설계된 건 아니고, 자연에서 찾거나 무작위로 실험에서 만들어 써온 항생제의 작용 메커니즘이 나중에 밝혀진 결과다.

   우리에게 잘 알려진 스트렙토마이신, 테트라사이클린, 에리스로마이신, 클로람페니콜, 퓨로마이신 등의 항생제가 여기에 포함된다.

   병균의 리보솜 구조를 면밀히 분석해 그 작용을 효과적으로 억제할 수 있는 약물을 설계할 수 있을 것으로 보인다.

 

 

 글 : 엄수현 광주과학기술원 생명과학과 교수 ㆍeom@gist.ac.kr

     서울대 화학과에서 단백질 구조연구로 박사학위를 받음

     스타이츠 교수팀에서 박사후연구원을 지냄

     1997년 광주과학기술원에 부임

     X선 결정법을 비롯해 다양한 방법으로 여러 단백질을 구조와 기능을 규명하고 있음

출처 : 삶의 의미를 찾아서

글쓴이 : 억스 원글보기

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