아미노아실-tRNA
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1. 개요
아미노아실-tRNA는 아미노산이 tRNA 분자에 결합된 형태이며, 단백질 합성에 필수적인 물질이다. 아미노아실-tRNA는 아미노아실-tRNA 합성효소에 의해 두 단계로 생성되며, 첫 번째 단계는 아미노산의 아데닐화 반응이고 두 번째 단계는 아미노아실-AMP의 아미노산 잔기가 tRNA로 전달되는 것이다. 아미노아실-tRNA의 안정성은 에스터 결합의 안정성에 달려 있으며, 아미노산의 종류, pH, 이온 강도, 신장인자 EF-Tu의 영향 등을 받는다. 특정 항생제는 아미노아실-tRNA가 리보솜에 결합하는 것을 방해하여 세균의 단백질 합성을 억제하며, 이에 대한 내성 기전으로 TetM 단백질 등이 존재한다.
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- 단백질 생합성 - 리보솜
리보솜은 rRNA와 단백질로 구성된 두 개의 소단위체로 이루어진 세포 내 단백질 합성 복합체로서, 세포질 내에서 mRNA의 코돈을 해독하여 폴리펩타이드 사슬을 합성하는 번역 과정을 수행하며, 원핵세포와 진핵세포의 구조적 차이로 인해 항생제 개발의 표적이 되고, RNA 세계에서 기원한 자기 복제 복합체로 추정된다. - 단백질 생합성 - 종결 코돈
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| 아미노아실-tRNA | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
| 명칭 | 아미노아실-tRNA |
| 다른 이름 | aa-tRNA 전하 tRNA |
| 역할 | |
| 기능 | 번역 과정에서 리보솜으로 아미노산을 전달하는 분자 |
| 상세 정보 | |
| 관여 과정 | 번역 |
| 관련 효소 | 아미노아실-tRNA 합성 효소 |
| 관련 인자 | 신장 인자 |
2. 합성
아미노아실-tRNA는 아미노아실-tRNA 합성효소에 의해 두 단계로 생성된다. 이 반응들은 피로인산(PPi)의 가수분해 반응에 의해 에너지적으로 유리하게 진행된다.[30][31][20][21] 피로인산이 두 분자의 무기 인산(Pi)으로 가수분해되는 반응은 에너지적으로 매우 유리하여, 아미노산의 아데닐화 및 tRNA로의 아미노산 잔기 전달 반응을 촉진한다.
2. 1. 아데닐화 반응
아미노아실-tRNA는 두 단계로 생성된다. 첫 번째 단계는 아미노산의 아데닐화로, 아미노아실-AMP를 형성한다.: 아미노산 + ATP → 아미노아실-AMP + PPi
두 번째 단계는 아미노산 잔기를 tRNA로 전달하는 것이다.
: 아미노아실-AMP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP
전체적인 순 반응식은 다음과 같다.
: 아미노산 + ATP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP + PPi
순 반응은 피로인산(PPi)이 나중에 가수분해되기 때문에 에너지적으로 유리하다. 피로인산이 2분자의 무기 인산(Pi)으로 가수분해되는 반응은 에너지적으로 매우 유리하며 다른 두 반응을 유도한다. 이러한 고도의 에너지 방출반응은 해당하는 아미노산에 대해 특이적인 아미노아실-tRNA 합성효소의 내부에서 일어난다.[30][31]
2. 2. tRNA로의 아미노산 잔기 전달
아미노아실-tRNA는 두 단계로 생성된다. 첫 번째 단계는 아미노산의 아데닐화로, 아미노아실-AMP가 형성된다.: 아미노산 + ATP → 아미노아실-AMP + PPi
두 번째 단계는 아미노산 잔기가 tRNA로 전달되는 과정이다.
: 아미노아실-AMP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP
전체적인 순 반응식은 다음과 같다.
: 아미노산 + ATP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP + PPi
이 순 반응은 피로인산(PPi)이 나중에 가수분해되기 때문에 에너지적으로 유리하다. 피로인산이 2분자의 무기 인산(Pi)으로 가수분해되는 반응은 에너지적으로 매우 유리하여 다른 두 반응을 유도한다. 이러한 고도의 에너지 방출반응은 해당 아미노산에 대해 특이적인 아미노아실-tRNA 합성효소 내부에서 일어난다.[30][31]
2. 3. 전체 반응
아미노아실-tRNA는 두 단계로 생성된다. 먼저 아미노산이 아데닐화되어 아미노아실-AMP가 형성된다.: 아미노산 + ATP → 아미노아실-AMP + PPi
다음으로 아미노산 잔기가 tRNA로 전이된다.
: 아미노아실-AMP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP
전체 반응식은 다음과 같다.
: 아미노산 + ATP + tRNA → 아미노아실-tRNA + AMP + PPi
이 순 반응은 피로인산(PPi)이 나중에 가수분해되기 때문에 에너지적으로 유리하다. 피로인산이 2분자의 무기 인산(Pi)으로 가수분해되는 반응은 에너지적으로 매우 유리하며 다른 두 반응을 유도한다. 이러한 강한 발열 반응은 해당하는 아미노산에 대해 특이적인 아미노아실 tRNA 합성효소 내부에서 일어난다.[30][31]
3. 안정성 및 가수분해
아미노아실-tRNA의 안정성은 아미노산과 tRNA 사이의 에스터 결합에 의해 결정된다. 이 결합은 아미노산의 카복실기를 tRNA의 3'-하이드록실기에 연결한다.[32]
아미노아실-tRNA에서 아미노산 부분은 구조적 완전성을 제공하며, tRNA 부분은 아미노산이 폴리펩타이드 사슬에 통합되는 방식과 시기를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 에스터 결합의 가수분해 속도는 아미노산의 종류, pH, 이온 강도, 신장인자 EF-Tu와 같은 여러 요인에 의해 영향을 받는다.[34][36][37]
3. 1. 아미노산의 종류에 따른 안정성
아미노아실-tRNA의 안정성은 tRNA 자체의 서열보다 아실(또는 에스터) 연결이 더 중요한 요인이다. 이 연결은 아미노산의 카복실기를 동족 tRNA의 말단 3'-하이드록실기에 화학적으로 결합시키는 에스터 결합이다.[32] 주어진 아미노아실-tRNA에서 아미노산 부분은 구조적 완전성을 제공한다.[33]아미노아실-tRNA마다 아미노산과 tRNA 사이 에스터 결합의 가수분해에 대한 유사 1차 속도 상수가 다르다.[34] 이는 주로 입체 효과 때문이며, 에스터 카보닐에 대한 분자 간 공격을 억제하는 아미노산의 특정 곁사슬에 의해 입체 장애가 발생한다.
가지사슬 아미노산 및 지방족 아미노산(발린, 아이소류신)은 합성 시 가장 안정적인 아미노아실-tRNA를 생성하며, 가수분해 안정성이 낮은 프롤린보다 현저하게 긴 반감기를 가진다. 발린과 아이소류신의 입체 장애는 곁사슬 β-탄소의 메틸기 때문이다. 결합된 아미노산의 화학적 성질이 아미노아실-tRNA 안정성을 결정한다.[35]
나트륨, 칼륨, 마그네슘 염에 의한 이온 강도 증가는 아미노아실-tRNA의 아실 결합을 불안정하게 한다. pH 증가 또한 결합을 불안정하게 하고, 아미노산 α-탄소 아미노기의 이온화를 변화시킨다. 하전된 아미노기는 유도 효과를 통해 아미노아실-tRNA 결합을 불안정하게 할 수 있다.[36] 신장인자 EF-Tu는 약한 아실 결합의 가수분해를 방지하여 결합을 안정화시킨다.[37]
에스터 결합의 실제 안정성은 생리학적 pH 및 이온 농도에서 체내 가수분해에 대한 아미노아실-tRNA의 민감성에 영향을 미친다.[38]
3. 2. pH 및 이온 강도의 영향
나트륨, 칼륨, 마그네슘 염에 의한 이온 강도 증가는 아미노아실-tRNA의 아실 결합을 불안정하게 한다. pH 증가 또한 결합을 불안정하게 하고, 아미노산 α-탄소 아미노기의 이온화를 변화시킨다. 하전된 아미노기는 유도 효과를 통해 아미노아실-tRNA 결합을 불안정하게 할 수 있다.[36]3. 3. 신장인자 EF-Tu의 영향
신장인자 EF-Tu는 아미노아실-tRNA와 결합하여 에스터 결합의 가수분해를 억제하고 안정성을 증가시킨다.[37]4. 약물 표적화
테트라사이클린과 같은 특정 항생제는 원핵생물의 리보솜에 아미노아실-tRNA가 결합하는 것을 방해하여 단백질 합성을 억제한다. 테트라사이클린은 번역 과정에서 원핵생물 리보솜의 A 부위에 아미노아실-tRNA가 결합하지 못하게 한다. 테트라사이클린은 그람 양성균, 그람 음성균 및 기타 비정형 미생물의 생장을 억제하는 broad-spectrum antibiotic|광범위 항생제영어로 알려져 있다.[39]
4. 1. 테트라사이클린 내성 기전
테트라사이클린과 같은 특정 항생제는 아미노아실-tRNA가 원핵생물의 리보솜 소단위체에 결합하는 것을 방지한다.[39] 테트라사이클린은 번역 동안 원핵생물의 리보솜 A 부위에서 아미노아실-tRNA의 부착을 억제한다. 테트라사이클린은 광범위한 항생제로, 그람양성세균, 그람음성세균 및 기타 비정형 미생물의 생장을 억제하는 능력을 보인다.TetM 단백질은 테트라사이클린이 있음에도 아미노아실-tRNA 분자가 리보솜의 A 부위에 결합하도록 한다.[39] TetM 단백질은 리보솜에 의존하는 GTP가수분해효소 활성을 나타내는 리보솜 보호 단백질이다. 연구에 따르면 TetM 단백질이 있으면 테트라사이클린이 리보솜에서 방출된다. 따라서 리보솜의 A 부위에 아미노아실-tRNA 결합이 가능해진다.[39] TetO는 TetM과 75% 유사하며 둘 다 EF-G와 약 45% 유사하다. 대장균 리보솜과 복합체를 이룬 TetM의 구조가 밝혀졌다.[40]
참조
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