세포가 생명현상을 유지하는 데 있어서 중요한 역할을 하는 것 가운데 하나가 단백질이다. 단백질은 DNA로부터 RNA가 전사되고 RNA가 단백질로 번역되면서 만들어진다. 진핵세포의 경우 DNA는 핵이라는 세포소기관에 위치해, DNA 복제는 핵에서 이뤄지지만 단백질 합성은 세포질이라는 공간에서 이뤄진다. 세포질은 세포막 내부의 공간으로 세포질에는 핵, 미토콘드리아 등 세포내 소기관들이 존재한다.
때문에 세포질에서 만들어진 각각의 단백질은 그 단백질을 필요로 하는 목적지로 배달돼야 한다. 세포질에 그대로 남아있는 단백질이 있는가 하면 핵, 미토콘드리아, 라이소좀 등 각각의 목표지로 운반돼야 할 단백질도 있다. 한편 세포 밖으로 분비돼 목적지로 배달돼야 하는 단백질도 있다.


신호서열 통해 ER 집결, 골지에서 우편번호 부여

세포가 단백질을 목적지로 운반하는 것을 ‘프로틴 타겟팅(Protein targeting)’이라고 일컫는다. 프로틴 타겟팅은 개략적으로 다음과 같이 일어난다. 세포질에서 새롭게 합성된 단백질은 먼저 ER(Endoplasmic reticulum)이라는 동네 우체국으로 운반된다. 이후 ER에서 단백질은 골지(Golgi complex)라는 중앙우체국으로 운송되고 이 골지에서 우편주소가 부여되면서 자신의 최종 목적지로 배달된다.

새롭게 합성된 단백질이 ER에 가기 위해서는 신호서열(Signal sequence)이라는 짧은 아미노산 서열이 중요한 역할을 담당한다. 신호서열 아이디어는 1970년대 데이비드 사바티니(David Sabatini)와 귄터 블로벨(Gunter Blobel)이 처음 제안했으며 귄터 블로벨은 이에 대한 공로로 1999년 노벨 생리의학상을 수상했다.
신호서열은 단백질 합성초기에 만들어지며, 새롭게 합성된 단백질을 ER로 운반하는 역할을 담당한다. 단백질이 ER에 도착하면 신호서열은 제거된다. 이후 단백질은 운반체를 통해 골지(Golgi Complex)로 운반된다.
골지에 도착한 단백질은 당, 지방 등이 단백질에 결합하는 과정을 겪는다. 이 과정이 바로 우편번호를 부여하는 과정이다. 당이 결합하는 단계를 당화(Glycosylation)라고 부르며 당이 붙은 단백질은 당단백질(Glycoprotein)이라고 부른다. 예를 들어 라이소좀으로 배달돼야하는 단백질의 경우에는 단백질에 결합하는 ‘마노스’라는 당이 매우 중요한 역할을 한다.
미토콘드리아, 핵 등 세포내 소기관의 경우에는 별도의 신호서열이 우편번호의 역할을 한다. 예를 들어 미토콘드리아로 배달돼야 하는 단백질의 경우에는 처음 ER로 보내는 역할을 하는 신호서열 이외에 별도의 미토콘드리아 신호서열이 존재한다. ER로 보내는 신호서열과 구분해 이 신호서열을 미토콘드리아신호서열이라고 부르기도 한다. 핵으로 보내는 단백질 역시 핵신호서열을 통해 핵으로 운송된다.
한편 세포내 소기관이 아닌 세포 밖으로 분비돼야 하는 단백질의 경우에는 세포 밖으로 분비되기 위해 골지에서 세포막까지 운송체라는 물질을 통해 배달된다. 세포막에 도착한 이들 단백질은 세포막의 채널을 통해 비로소 세포 밖으로 분비, 자신의 목적지로 운반된다.


단백질에 당 붙이는 당화과정, 항생제에 응용키도



단백질은 각각 자신의 최종 목적지에 도착해야 활성상태로 전환되기 때문에 단백질 배달은 생명현상에 있어 매우 중요한 기작 가운데 하나이다. 과학자들은 이 점에 착안해 항생제를 개발하기도 한다.
튜니카마이신(Tunicamycin)이라는 항생제는 스트랩토마이시스(Streptomyces)라는 미생물이 만들어내는 항생물질을 응용한 것으로 이 항생물질은 단백질에 당이 결합하는 단계를 저지하는 방법을 이용한다. 이런 기작으로 스트랩토마이시스(Streptomyces) 미생물은 다른 미생물의 공격으로부터 살아남을 수 있다. 튜니카마이신처럼 ~마이신으로 끝나는 물질은 대개 항생제이다.
한편 세포의 단백질 배달은 단백질의 종류에 따라 빈번하게 에러가 발생하기도 한다. 목적지가 아닌 다른 곳에 배달되는 경우가 발생하는데 세포는 이를 보완하는 자체 시스템을 갖고 있다. 일반적으로 단백질이 목표지에 도달하지 못하면 계속 단백질을 목표지로 보내는 방법을 이용한다.
그런데 보완 시스템에 의해서도 우편배달이 실패하는 경우도 종종 발생한다. 목표지 입장에서 봤을 때 잘못 배달된 단백질은 불필요한 물건이다. 단백질은 자신의 목적지에 정확히 도달돼야 활성 상태가 되기 때문이다. 또한 목표지 입장에서 잘못 배달된 단백질을 갖고 있는 것은 생명현상 유지에 있어 부담으로 작용한다. 때문에 잘못 배달된 단백질은 때때로 제거되기도 한다.


진핵세포 유비퀴틴, 단백질 제거 결정



단백질이 제거되는 기작은 모두 단백질 분해효소에 의해 이뤄지지만 원핵생물과 진핵생물에 따라 조금 차이가 있다. 박테리아와 같은 원핵생물의 경우에는 단백질 분해효소가 직접 해당 단백질은 제거할지의 여부를 결정, 분해한다.
인간과 같은 진핵생물의 경우에는 유비퀴틴(Ubiquitin)이라는 단백질이 관여한다. 유비퀴틴은 명칭에서 알 수 있듯이 진핵생물에는 모두 존재하는 단백질이다. 유비크(ubique)라는 말은 ‘어느 곳에서나’ 라는 뜻의 라틴어다.
유비퀴틴은 평소 단백질을 모니터하고 있다가 잘못 배달된 단백질이나 불필요한 단백질을 발견하면 해당 단백질에 달라붙는다. 이렇게 유비퀴틴이 단백질에 달라붙으면 이는 단백질 분해효소에게 이 단백질을 제거하라는 신호로 작용한다. 즉 유비퀴틴이 단백질을 제거해야 할지 말지를 결정하면 단백질 분해효소가 작업을 수행하는 셈이다.
한편 단백질은 세포 주기에 연동해 자체 생명주기를 갖는다. 단백질에 따라 적게는 수 분에서 길게는 100일이 넘기도 한다. 예를 들어 혈액에 포함된 헤모글로빈 단백질은 110일 가량의 생명주기를 갖는다.
단백질이 각각의 생명주기를 갖는 것은 불필요한 단백질 제거를 통해 생명현상을 유지하기 위한 자연스러운 현상이다. 단백질 제거로 분해된 아미노산은 다시 단백질을 생산하는 데 재활용되곤 한다. 단백질이 생명주기를 통해 분해돼야 할 때 역시 유비퀴틴이 중요한 역할을 담당한다.