11. 신호(2)

11. 신호(2)

화학 신호에는 여러 종류가 있다. 빛과 같은 물리적 신호 또한 세포와 조직에 침투하는 능력이 서로 다르며 수용체 또한 세포 내 위치에 따라 분류될 수 있으며, 이는 신호의 속성에 의해서 결정된다. 막 수용체에서는 크거나 극성인 리간드는 지질 2중층을 통과하지 못한다. 인슐린은 확산을 통해 세포막을 통과하지 못하지만 세포 밖에 결합영역을 가진 막 관통 수용체에 결합한다 세포내 수용체에서는 작거나 비극성인 리간드는 세포막의 비극성 인지질 2 중층을 가로질러 세포 안으로 확산하여 들어갈 수 있다. 에스트로젠은 세포막을 가로질러 확산하여 세포 안에 있는 수용체에 결합하는 것이 그 예이다. 또한 특정한 파장의 빛은 식물의 잎에 있는 세포를 쉽게 통과할 수 있으며, 따라서 식물에서 여러 종류의 빛수용체 역시 세포 안에 있다. 진핵생물의 세포막 수용체는 이온통로, 단백질 인산화효소 수용체, G 단백질 연계 수용체가 존재한다.

이온 통로는 Na+, K+, Ca2+, Cl-와 같은 이온들이 세포로 들어오거나 나가는 개폐성 통로이다. 통로의 개폐 기작은 신호의 결합에 의한 통로 단백질의 3차원적 모양의 변화이며, 따라서 이런 단백질은 수용체로서 기능한다. 이온통로는 특정한 신호에 대해 반응하는데, 이러한 신호는 호르몬, 화학적 리간드뿐만 아니라 빛, 소리, 감각 자극 또한 포함된다. 골격근 세포의 세포막에 위치하는 아세틸콜린 수용체가 이온통로의 예 중 하나인데, 이 단백질은 신경 세포에서 방출되는 화학 신호로서 신경전달물질인 아세틸콜린과 결합하는 나트륨 이온의 통로이다. 이 통로에 2분자의 아세틸콜린이 결합하면 천 분의 일초 동안에 통로가 열리게 된다. 이 시간 동안에 나트륨 이온이 이동하게 되는데 이러한 나트륨 이온의 농도 변화가 근육 수축의 반응으로 이어지게 된다. 단백질 인산화효소 수용체는 자기 자신이나 다른 단백질을 인산화하여 입체구조를 변화시키며 그에 따른 기능의 변화가 일어난다. 인산화는 생물학에서 중요한 반응이다. 사람의 단백질 정보를 담은 21000여 개의 유전자 중 500개 이상을 차지는 유전자가 단백질 인산화효소의 유전자이다. 그 예로써 인슐린 수용체가 존재한다. 각각 알파 단위체와 베타 단위체의 두 폴리펩타이드로 구성된 사본 2개로 이루어져 있는데 인슐린이 결합해 활성화된 수용체는 자기 자신과 인슐린 반응 기질이라는 특정 세포질 단백질을 인산화할 수 있다. 이후에 세포막에 포도당 수송체를 삽입하는 등 여러 세포 반응을 보인다. G 단백질 연계 수용체는 포유류 망막에서 빛의 인지, 냄새 탐지, 감정과 행동의 조절 등 여러 역할을 맡는다. 이 수용체 단백질의 7개의 막 관통 영역은 인지질 2 중층을 통과하며, 각 막 관통 영역들은 세포의 내부와 외부로 뻗은 짧은 고리를 통해 구분된다. 리간드가 수용체의 세포 바깥 면에 결합하면 세포질 부위의 모양이 변하여 G 단백질이라고 부르는 이동성 막단백질과 결합하는 부위가 노출된다. 그 일부는 지질 2 중층에 삽입되어 있고 일부는 막의 세포질 면에 노출되어 있다. 다수의 G 단백질은 3개의 폴리펩타이드 소단위체로 구성되며 수용체, GDP, GTP, 효과기 단백질 등의 단백질과 결합할 수 있다. G 단백질이 활성화된 수용체 단백질과 결합할 때, GDP는 GTP로 교환된다. 동시에 리간드는 보통 수용체의 세포 밖 영역에서 분리된다. GTP의 결합을 통해 G 단백질의 입체구조가 변화되고, 이에 따른 GTP-결합 소단위체는 G 단백질에서 떨어져 나와 효과기 단백질을 만날 때까지 인지질 2 중층의 평면에서 확산한다. 효과기 단백질은 GTP-결합 소단위체가 결합하면 효과기가 활성화되는데, 대개 효소이거나 이온통로로서 세포 기능의 변화를 유도한다. 효과기 단백질의 활성화 후에 G 단백질의 다른 두 소단위와 만나 결합한다. G 단백질의 세 구성요소가 다시 조립되면, 이 단백질은 활성화된 수용체와 다시 결합할 수 있다. 결합 후 활성화된 수용체는 G 단백질의 GDP를 GTP로 교환하고, 이 주기가 다시 시작한다.

세포내 수용체는 세포 안에 분포하고 있어 빛과 같은 물리적 신호나 세포막을 가로질러 확산할 수 있는 화학 신호에 반응한다. 다수의 세포내 수용체는 전사인자이다. 일부는 활성화되기 이전에 세포질에 위치하다가, 리간드가 결합하면 핵으로 이동하여 전사인자로써 DNA에 결합해 특정한 유전자의 발현을 변화시킨다. 이런 예로 스테로이드 호르몬인 코티솔에 대한 수용체가 존재한다. 평소에 샤페론 단백질이 이 수용체에 결합하여 수용체가 핵으로 이동하지 못하도록 방해하지만 호르몬이 이 수용체에 결합하면 수용체의 구조 변화를 야기에 샤페론이 떨어진다. 이에 따라서 수용체가 핵으로 들어가면서 DNA의 전사에 영향을 주게 된다. 세포내 수용체의 다른 그룹은 항상 핵 내에 위치하며 리간드는 결합을 위해 핵 안으로 들어가야 한다. 특정 생장인자에 대한 신호전환 경로는 그 과정에 문제가 있는 세포를 연구해 밝혀졌다. 사람의 많은 방광암 세포에는 Ras라는 비정상적인 형태의 단백질이 존재한다. 이 연구에서 Ras가 G 단백질이라는 것을 알았고, G 단백질은 켜고 끄는 역할을 하는 스위치 기능을 함을 알았다. 꺼진 상태에서는 G 단백질에 GDP가 결합하고 있지만 켜진 상태에서는 GTP가 결합하고 있다. 비정상적인 Ras단백질은 영구적으로 GTP가 결합하여 있기 때문에 항상 활성화되어 있으며 세포분열이 계속 일어나는 근거이다.