11. 신호

11. 신호

 

  주변 환경은 신호로 가득하다. 우리는 감각기관을 통해서 빛이나 냄새, 맛 등에 반응한다. 세균과 원생생물은 주변의 사소한 화학적 변화에도 반응한다. 식물은 빛을 에너지원으로 사용할 뿐만 아니라 신호로도 받아들여 빛이 오는 방향으로 생장하는 것이 그 증거이다. 커다란 다세포성 생물의 안쪽 깊이 있는 세포는 인접한 세포와 주변의 세포외액으로부터 신호를 전달받는다. 이러한 다세포성 생물에서 화학 신호는 대개 신체의 한 부분에서 만들어져 국부적인 확산 또는 혈관이나 관다발계를 통한 순환에 의해서 표적세포에 도달한다. 자가분비에서 신호는 확산되어 자신을 만든 세포에 영향을 미친다. 종양 세포의 경우, 많은 종양 세포가 통제받지 않고 증식하는 이유가 스스로 세포분열을 촉진하는 신호를 생성하고 그 신호에 반응하기 때문이다. 근접 분비는 신호가 신호를 생성하는 세포에 직접 접해 있는 세포에만 영향을 미친다. 이러한 형태의 신호는 발생과정에서 발견되는데, 그룹을 형성한 세포들이 변하면서 특수화된다. 국소분비는 신호가 근처의 세포로 확산되어 영향을 준다. 피부에 상처가 나고 생기는 염증이 그 예이다. 피부세포로부터 신호가 근처의 혈액세포로 확산되어 상처가 회복하도록 돕는다. 동물의 순환계 또는 식물의 관다발계를 통해 운반되는 신호를 일반적으로 호르몬이라고 한다.

 

  이러한 신호를 통한 신호 전환경로를 보면, 신호가 표적세포에 도달하면 신호 분자가 세포 표면 또는 세포 안 수용체에 결합한다. 신호가 결합하면 수용체의 입체 구조가 변하면서 활성부위가 노출된다. 활성화된 수용체는 신호 전환 경로를 활성화하며 세포의 변화를 일으키게 된다. 이를 통해 단기적으로는 효소가 활성화되거나 세포가 이동하며 장기적으로 볼 때, DNA 전사 변화를 이룬다. 이러한 신호 전환 경로의 구성요소는 신호, 수용체, 반응이 존재한다. 신호가 가지는 정보가 세포로 전달되기 위해서 표적세포가 신호를 받아들여 반응해야 한다. 이를 위해서는 수용체가 필요하며 모든 세포가 화학 신호에 노출되어 있다고 해도 개체 내에서 대부분의 세포는 그 신호에 반응할 수 없다. 이는 적절한 수용체를 가지고 있지 않기 때문이다. 반응에서는 생화학반응의 촉매 역할을 하는 효소가 필요할 수도 있고, 특정한 유전자의 발현을 유도하거나 억제하는 전사인자가 필요할 수도 있다. 신호 전환의 중요한 특징 중 하나는 특정한 효소나 전사인자의 활성이 조절되어야 한다는 것이다. 즉, 세포의 변화를 끌어내기 위해 이들이 활성화되거나 불활성화되어야 한다. 실제 생명체에서는 신호 전환 경로들은 서로 연결되어 있으며 많은 크로스토크, 즉 서로 다른 신호 전환 경로 사이의 상호작용이 흔하다. 예를 들어, 하나의 활성화된 단백질이 여러 경로의 효소나 전사인자를 활성화하여 하나의 자극에 있어서 여러 반응을 끌어낸다. 여러 신호 전환 경로가 하나의 전사인자를 조절하기도 하는데, 이 경우 특정 유전자의 전사가 여러 다른 신호에 반응하여 조절될 수 있다. 크로스토크는 또한 하나의 경로를 활성화하면서 다른 경로는 억제하기도 한다. 세포 내의 크로스토크 현상은 신체 수준에서 일어나는 크로스토크와도 유사하다. 팔꿈치를 구부릴 때 한쪽 근육은 수축하지만 반대쪽은 이완하는 현상을 통해 팔이 굽어지는 것이 그 예이다.

 

  다세포성 생물의 세포는 모두 여러 신호를 받지만, 세포는 모든 신호에 대한 수용체를 각각 가지고 있을 수 없기 때문에 그중에서 일부에만 반응을 나타낸다. 수용체 단백질은 막의 수송체 단백질이 수송할 물질을 인식하여 결합하는 것처럼 세포는 신호를 특이적으로 인식한다. 이러한 특이성은 특정 수용체를 가지고 있는 세포만이 주어진 신호에 반응하도록 한다. 리간드는 특이적인 화학 신호 분자로써 자신의 수용체 단백질 입체구조에 잘 맞는다. 신호전달 리간드가 결합하면 수용체 단백질의 3차원 모양으로 변하며, 이 입체구조의 변화가 세포 반응을 일으킨다. 이러한 반응은 리간드가 더 이상의 역할을 하지 않도록 한다. 실제 리간드는 보통 변하지 않으며 단순히 문을 두드리는 역할만 하는 것이다. 신호에 대한 세포의 민감성은 일부분 신호 분자에 대한 세포 수용체의 친화도, 즉 수용체가 일정한 농도에서 주어진 리간드에 얼마나 잘 결합하는가에 따라 결정된다. 수용체는 질량작용 법칙에 따라서 리간드에 결합한다. 이를 통해 결합은 가역적임을 알 수 있다. 대부분의 리간드 수용체 복합체에서는 결합이 선호되지만, 가역성 또한 매우 중요한데 리간드가 떨어지지 않는다면 수용체는 지속해서 자극되어서 세포가 반응하는 것을 멈추지 못하기 때문이다. 여기서 해리상수라는 용어가 있는데, 간단히 말하면 해리상수가 낮을수록 수용체와 리간드의 친화도가 더 높다. 작은 분자가 단백질에 결합하는 경우에 보통 단백질의 모양이 변하듯이 수용체의 모양이 변하면 단백질의 내부에 숨겨져 있던 아미노산 그룹이 밖으로 노출되어 생화학 활동에 참여할 수 있다. 이러한 활동에는 또 다른 단백질이나 효소의 기질과 같은 또 다른 분자와의 결합이 존재한다. 물론 리간드 외에 다른 화학물질이 수용체에 결합할 수도 있다. 작용제는 리간드와 마찬가지로 수용체의 신호 전환 경로가 시작되게 하는 화학물질이다. 반면, 저해제 또는 길항제는 수용체에 결합한 후 그 자리를 차지해 진짜 리간드가 결합하는 것을 방해하며 신호 전환을 일으키지 못하게 한다. 사람의 행동을 변하게 만드는 여러 물질이 뇌의 수용체에 결합하여 수용체 특이적인 리간드의 결합을 방해한다. 뉴클레오사이드인 아데닌은 뇌에서 신경세포의 수용체에 결합하는 리간드로 작용하여 뇌의 활동, 특히 활발한 각성 활동을 감소시키는 신호 전환 경로를 개시한다. 카페인은 아데노신과 분자구조가 비슷하여 아데노신 수용체에 결합할 수 있다. 하지만 이 경우에 결합에 의해 신호 전환 경로가 시작되지 않으며, 오히려 수용체에 계속 붙어 아데노신의 결합을 방해하여 신경세포가 계속 활성을 나타내게 하여 활기찬 기분이 들게 한다.

 

신호 전달