청둥오리의 재미있는 생화학-3

청둥오리의 생화학 이야기

안녕하세요! 오늘은 GPCR에 관한 마지막 이야기입니다. 오늘은 cAMP를 2차 전달자로 사용하는 호르몬과, cAMP가 왜 다양한 신호를 매개할 수 있는 지를 살펴보고, 또 다른 2차 전달자인 칼슘 이온에 대해 알아보도록 하겠습니다. 그럼 시작해볼까요?

cAMP를 2차 전달자로 사용하는 1차 전달자

cAMP를 2차 전달자로 사용하는 1차 전달자로는 글루카곤, ACTH 호르몬, 도파민 등 많은 물질이 있습니다. cAMP가 여러 호르몬의 다양한 신호 전달을 매개할 수 있는 이유는 cAMP 신호가 세포 내 특정한 위치에 국한되어 전달될 수 있기 때문입니다. 이는, cAMP가 활성화하는 PKA의 위치를 고정시킨다는 것을 의미합니다. PKA는 AKAPs라는 단백질과 결합하고 있습니다. AKAPs의 한 도메인은 PKA와 결합하고, 다른 도메인 세포 내에 있는 액틴 필라멘트, 세포 소기관 등과 결합을 하고 있습니다. 만약에, 특정 세포에서 AKAP가 미토콘드리아와 결합을 하고 있다면, PKA가 활성될 경우, 미토콘드리아 있는 효소들 이외 다른 효소들을 인산화 할 수 없는 것입니다. 마찬가지로, AKAP가 액틴 필라멘트와 결합했을 경우, 그 주위에 있는 효소만 PKA가 인산화할 수 있습니다. 이렇게, PKA의 위치를 고정하여, cAMP는 다양한 세포 내에서 다른 호르몬에 의한 신호 전달을 매개할 수 있습니다.

칼슘 이온과 칼모듈린

외부 자극이 없을 경우, 체내 세포의 세포질 칼슘 농도는 매우 낮은 수준을 유지합니다.(대략(10⁻⁷M 미만) 이렇게 세포질 칼슘 농도를 낮게 유지할 수 있는 이유는 소포체에 있는 펌프들이 세포질 내의 칼슘 이온을 소포체 내로 이동시키기 때문입니다. 하지만, 세포가 특정한 외부 자극을 받으면, 소포체의 칼슘이 세포질 밖으로 나오면서 2차 신호 전달자 역할을 합니다. 이때 세포질의 칼슘 이온 농도 변화를 감지하는 단백질이 있는데, 바로 칼모듈린(CaM)입니다. 칼모듈린에는 칼슘 이온이 결합할 수 있는 4개의 위치가 있는데, 칼슘 이온이 결합하면, 단백질의 구조가 바뀌게 됩니다. 예를 들어, CaM은 CaM 키나제라는 단백질의 소단위체로도 존재하는데, CaM에 칼슘 이온이 결합하면, CaM 키나제가 활성화되어 다른 효소들의 인산화를 촉매합니다.

2차 전달자로 활동하는 칼슘 이온

외부 물질이 칼슘 이온을 2차 전달자로 하는 GPCR에 결합했을 때, 세포 내 신호 전달 과정은 cAMP를 2차 전달자로 가진 경우와 유사합니다. 이 경우, GPCR의 G-단백질(이 경우 Gs가 아닌 Gq로 표기)은 아데닐산 고리화 효소가 아닌 세포막에 있는 효소인 PLC와 결합을 합니다. 그럼 이제 과정을 살펴보도록 해요.

• 먼저, 세포 밖의 호르몬이 수용체와 결합을 합니다. 결합을 하게 되면, G-단백질에 있는 GDP와 GTP로 교체되고, 단백질의 α(G_qα​)와 β, γ소단위체가 분리됩니다.
• G_qα는 PLC로 이동을 하고, PLC를 활성화합니다. PLC는 세포막에 있는 PIP₂라는 물질을 IP₃​와 diacylglycerol로 분해합니다.
• IP₃​는 세포질로 확산이 되어 소포체에 있는 특정한 채널에 결합을 하고, IP₃​와 결합된 채널은 소포체에서 세포질로 칼슘 이온이 확산될 수 있게 합니다.
• Diacylglycerol와 칼슘 이온은 세포막에 있는 PKC(키나제)를 활성화하고, PKC는 다른 효소들의 인산화를 촉매하여 세포가 호르몬의 자극에 의한 반응을 할 수 있게 해줍니다.

이러한 GPCR의 과정을 통해 신호 전달을 하는 물질로는 아세틸콜린, 히스타민, 글루타메이트(glutamate) 등이 있습니다.

그림1. 칼슘 이온을 이용한 신호 전달, Nelson; Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 7th edition. W.H. Freeman.USA.2017.

용어 정리

• PKC: PKC는 protein kinase C의 약자로, 단백질의 인산화를 촉매하는 효소이다. 이 효소는 다양한 이성질체를 갖고 있으며, 각각 인산화하는 단백질이 다르다. PKC는 세포의 면역, 그리고 신경 전달 영향을 주며, PKC 활성이 비정상적으로 높으면 암을 유발할 수 있다.

이번 여름에는 생체 신호 전달에 중요한 수용체 중 하나인, GPCR에 대해 알아보았습니다. 생화학에서 생체 신호 전달이 중요한 비중을 차지하는 만큼, 이번 연재가 여러분에게 도움이 되었으면 좋겠습니다. 그럼 다음에 만나요~

참고문헌

Nelson; Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 7th edition. W.H. Freeman.USA.2017. 449-456.