11. 신호(4)

11. 신호(4)

 

  세포는 신호 전환에 관여하는 부자의 활성을 조절할 수 있다. 신호 전환인자를 활성화하는 효소 활성과 불활성화하는 효소 활성 사이의 균형이 신호에 대한 세포의 최종 반응을 결정한다. 세포는 몇 가지 방식으로 이 균형을 변화시킬 수 있다. 우선 효소의 합성 또는 분해가 존재한다. 예를 들어, 세포에서 아데닐산 고리화 효소의 합성과 인산 다이에스터 가수분해효소의 분해는 세포 내에 cAMP가 더 많아지는 쪽으로 균형을 기울게 할 것이다. 한편 다른 분자에 의한 효소의 활성화 또는 억제인 경우 실레나필에 의한 인산 다이에스터 가수분해효소의 억제를 예로 들 수 있다. 세포의 신호전달은 암과 같은 질병에 중요하기 때문에 신호 전환 경로에 참여하는 효소의 활성을 조절하는 새로운 약물을 개발하는 인구가 활발히 진행되고 있다. 세포는 다양한 방법으로 신호에 반응하여 변한다. 세포 기능에 미치는 신호의 효과는 주로 세 가지 형태로 나타나는데, 이온 통로의 개방, 효소 활성의 변화, 유전자 발현의 변화가 있다. 이들은 세포의 형태와 기능에 따라서 더 크고 극적인 변화를 일으키도록 한다. 먼저 이온통로는 빛, 소리, 접촉에 의해서 수용체가 자극되었을 때 이온 통로가 열린다. 세포에 따라서 서로 다른 이온통로 반응이 나타나며 IP3-DAG 경로를 이용하는 신호 전환의 경우, ER 막에서 칼슘 이온 통로를 연다. 옥시토신의 경우 두 가지 이온통로 반응을 결합하는데, 옥시토신이 G 단백질 연계 수용체에 결합하여 활성화시키면 IP3-DAG 경로를 통해 신호 전환이 일어나서 이온통로를 통해 세포질로 칼슘 이온을 방출한다. 이때 뇌에서 칼슘 이온의 효과로 인해 나트륨 이온통로가 열리게 되며 신경세포의 활동을 간접적으로 자극한다. 이러한 현상의 연구를 통해 옥시토신 신호전달이 신뢰 행동에 중요함을 알게 되었으며 최근에 옥시토신 수용체에 이상이 있는 가계의 사람들이 옥시토신 수용체가 결핍된 산악들쥐의 행동과 비슷하게 행동하며, 사람을 신뢰하지 못한다는 것이 확인되었다. 신호 전환과정에서 효소는 공유결합이나 비공유결합을 통해 변형된다. 단백질 인산화효소에 의해 효소에 인산기가 첨가되는 것은 공유결합에 의한 변형에 예로 들 수 있으며, cAMP의 결합은 비공유결합에 의한 변형의 예이다. 두 가지 변형 모두 효소의 입체구조를 변화시키며 그 기능을 억제 또는 활성화하는 특징을 가진다. 활성화의 경우에 모양이 변하면서 이전에 접근하지 못했던 활성부위가 노출되면서 표적 효소가 세포에서 새로운 기능을 갖도록 한다. 간세포에서 에피네프린 자극으로 인한 G 단백질 매개 단백질 인산화효소 연속 반응은 cAMP에 의해 핵심 신호전달 분자인 단백질 인산화효소 A의 활성화로 이어진다. 활성화된 단백질 인산화효소 A 또한 상반된 효과를 나타내는 2개의 서로 다른 효소를 인산화한다. 글리코젠 합성효소는 에너지 저장 분자인 글리코젠을 합성하기 위해 포도당 분자의 결합을 촉진하는 효솔 단백질 인산화효소 A에 의해 인산기가 첨가되면 불활성화된다. 따라서 에피네프린 신호는 포도당이 글리코젠의 형태로 저장되는 것을 억제하는 역할을 한다. 반대로 가인산분해효소 인산화효소는 인산기가 첨가되면 활성화된다. 이는 최종적으로 포도당 대사의 핵심 효소인 글리코젠 가인산분해효소의 활성화로 이어지는 단백질 인산화효소 연속반응의 일부이다. 이 효소에 의해 글리코젠에서 포도당 분자를 방출한다. 신호는 DNA 전사를 일으킬 수 있다. DNA는 RNA로 전사되고 RNA는 원래 DNA 서열이 지정하는 아미노산 서열을 가진 단백질로 번역된다. 단백질은 모든 세포 기능에 중요하므로 세포에서 특정 기능을 조절하는 핵심적 방법은 어떤 단백질을 합성할지 조절하는, 즉 어떤 DNA 서열을 전사할지 조절하는 것이다. 신호 전환은 어떤 DNA가 전사되는지를 결정한다. 신호 전환의 일반적인 표적은 전사인자라고 불리는 단백질로 전사인자는 세포의 핵에서 특정한 DNA 서열에 결합해 인접한 DNA 부위의 전사를 활성화하거나 불활성화한다. Ras 신호전달 경로를 예를 들면 Ras 신호전달 연속반응의 최종 단백질 인산화효소인 MAPK는 핵으로 들어가 세포의 증식에 관여하는 많은 유전자의 발현을 촉진한다.

 

  다세포성 생물의 전형적인 특징은 신체 내 세포가 종류별로 전문화된 기능을 가진다는 것이다. 이 세포들은 어떻게 서로 통신하여 개체 전체에 유리한 방향으로 함께 작용할 수 있을까? 세포 사이의 일부 신호는 표적세포에 도달하기 위해 순환계를 통해 이동한다. 하지만 하나의 조직에 함께 밀집된 세포는 이웃한 세포와 특수한 세포 연접, 즉 동물의 간극 연접과 식물의 원형질연락사를 통해 직접 의사소통할 수 있다. 동물의 간극 연접은 많은 동물에서 발견되며 세포막 면적의 25%까지 차지하는 인접한 세포 사이의 통로이다. 간극 연접은 코넥손이라 부르는 통로 구조에 의해 인접한 두 세포의 세포막 사이에 있는 좁은 공간을 관통한다. 코넥손의 벽은 내재성 막단백질인 코넥신 소단위체 6개로 구성되어 있다. 인접한 세포들의 두 코넥손이 함께 모여 두 세포의 세포질을 연결하는 간극 연접을 형성한다. 한 세포와 이웃한 세포 사이에 이러한 통로는 수백 개가 존재하며 구멍은 직경이 1.5nm 정도로 큰 분자가 통과하기에는 작지만 작은 분자나 이온이 통과하기에 충분한 크기이다. 식물의 원형질연락사는 식물세포들을 분리하고 있는 두꺼운 세포벽을 횡단하는 막으로 덧대어진 통로이다. 일반적인 식물세포는 수천 개의 원형질연락사를 가지며 통로의 벽이 인접한 세포막의 내재성 단백질로 만들어진 간극 연접과는 달리, 원형질연락사는 융합된 세포막 자체가 통로 벽을 형성한다. 원형질연락사의 내부를 조사하면 소포체에서 유래된 데스모튜불이라는 세관이 원형질연락사 입구의 대부분을 채우는 것을 관찰할 수 있다. 일반적으로 작은 대사산물과 이온만이 식물세포들 사이를 이동할 수 있다. 원형질연락사는 식물에서 필수적인데, 식물의 순환 수송 체계인 관다발계는 동물처럼 모든 세포로 기체와 영양소를 운반하는 가는 관을 갖고 있지 않아 이를 대신해줄 원형질연락사가 필요하다.

 

간극 연접

원형질연락사