생리학에 관하여 - 세포 간 통신과 신호전달

1. 세포 간 신호전달

 신호분자 또는 리간드는 표적세포의 수용체에 결합하여 수용체를 활성화시킴으로써 표적세포에 정보를 전달하므로 1차 전령이라고도 부른다. 세포 외부의 1차 전령-수용체 결합은 광범위한 세포 반응을 유발시킴에도 불구하고, 다음과 같은 두 가지 일반적인 방법을 통해 궁극적인 반응을 일으킨다. 1️⃣ 막의 특정 이온 채널을 열리거나 닫히게 함으로써 특정 이온이 세포 안 또는 밖으로 이동하게 하는 방법 또는 2️⃣ 신호를 세포 내부의 2차 전령에 전달하여 세포 내에서 미리 짜여진 생화학적 반응들이 차례로 일어나도록 유도하는 방법을 통해 표적세포 내에서 세포 반응을 일으킨다.

 

2. 신호전달 경로

 화학 신호분자(호르몬, 신경전달물질, 측분비물질, 신경호르몬)가 수용체에 결합하면 수용체의 3차원적 구조가 변한다. 이를 수용체 활성화라 한다. 화학 신호분자는 지질에 대한 용해성을 기준으로 소수성 신호분자와 친수성 신호분자로 나뉜다. 세포막은 지용성이고, 세포질은 수용성이므로 수용성 신호분자는 세포막을 통과할 수 없지만 지용성 신호분자는 세포막을 통과하여 세포 내로 진입한다. 세포막을 통과한 소수성 호르몬은 핵 또는 세포질 내에 존재하는 수용체와 결합하여 작용하는 반면에, 친수성 호르몬은 세포막에 있는 수용체와 결합함으로써 세포 안으로 들어가지 않은 채로 2차 전령을 이용하는 방법을 통해 세포 반응을 유발한다. 

2-1. 세포 내 수용체에 의해 개시되는 경로

 지용성 신호분자로 대표적인 것은 스테로이드 호르몬, 갑상선 호르몬, 스테로이드 유도체인 1,25-디히드록시 비타민 D 등이다. 스테로이드 호르몬과 갑상선 호르몬은 지용성이므로 혈중에 두 가지 형태로 존재한다. 대부분은 혈장 내 결합단백질에 결합되어 있고 아주 소량만 혈장에 유리 상태로 용해되어 있다.

 지용성 호르몬인 스테로이드 호르몬과 갑상선 호르몬의 작용결과는 모두 표적세포에서 특정 단백질의 합성이 증가하는 것으로 나타난다. 즉, 이 호르몬들은 단백질 합성을 촉진하는데, 자세히 설명하자면 핵 속에 있는 DNA의 특정 부분이 전사되는 것을 촉진하여 mRNA를 합성하게 한다. 이와 같이 이들 호르몬은 전사인자로 작용한다. 그 후 mRNA는 핵 밖으로 나와 리보솜에서 해당 유전자에 의해 암호화된 단백질을 합성시킨다. 그 결과 세포의 단백질 농도나 분비가 증가되고 이런 방식으로 신호분자에 대한 세포의 궁극적인 반응이 이루어진다. 예를 들면 비타민 D는 소장에서 칼슘의 흡수, 신장에서 칼슘 재흡수, 뼈에서 칼슘 용출에 관여하는 단백질의 합성을 촉진한다. 합성된 단백질의 기능에 따라 표적세포의 세포 반응이 억제 또는 촉진된다.

2-2. 세포막 수용체에 의해 개시되는 경로

 수용성 호르몬인 카테콜아민(에피네프린, 노르에피네프린), 폴리펩티드 및 당단백질은 세포막을 통과하는 것이 불가능하므로 세포막에 있는 호르몬 수용체에 결합함으로써 세포 반응을 유발한다. 이를 위해서는 세포막을 경계로 호르몬의 신호를 세포 내에서 받아 들일 수 있는 신호로 전환시키는 것이 필요하다. 내분비선으로부터 표적세포 세포막까지 신호를 전달하는 호르몬을 1차 전령이라 한다면, 세포막으로부터 세포 반응을 유발하기까지는 2차 전령이 필요하다. 수용성 호르몬과 해당 수용체가 결합된 복합체가 각각의 2차 전령을 생산하는 데 필요한 효소의 종류에 따라 아데닐산 고리화효소와 포스포리피아제 C 2차 전령계를 설명하고자 한다.

2-3. cAMP 2차 전령계

 이 경로에서는 표적세포의 수용체가 1차 전령인 에피네프린이나 노르에피네프린을 비롯한 수용성 호르몬과 결합하면 고리화 AMP의 농도를 증가시켜 세포 내 반응을 일으킨다. 어떤 수용성 호르몬이 표적세포의 수용체와 결합하면 아데닐산 고리화효소를 활성화시켜 일련의 세포반응을 개시한다. 더 자세히 말하자면 수용체는 G-단백질과 연결되어 있고, G-단백질은 호르몬-수용체 상호작용에 의해 아데닐산 고리화효소를 활성화한다. 활성화된 아데닐산 고리화효소는 cAMP의 생성을 촉매한다.

 한편 세포 내에는 단백질 키나아제가 늘 존재하는데, 기본적으로 단백질 키나아제는 불활성화된 상태이다. 그것은 이 단백질 키나아제가 저해소단위와 늘 결합되어 있기 때문인데, 호르몬에 의해 증가된 cAMP는 저해소단위를 단백질 키나아제로부터 분리시킴으로써 단백질 키나아제를 활성화시킨다. 다음 순서는 활성화된 단백질 키나아제가 다른 단백질을 인산화시키는 반응인데, 같은 인산화라도 어떤 효소는 인산화에 의해 활성화되고 또 다른 어떤 효소는 인산화에 의해 불활성화되므로 반응을 촉진하거나 저해하게 된다.

 호르몬에 의한 cAMP의 농도 증가와 그에 따른 단백질 키나아제의 작용은 그리 오래가지 못하는데 이것은 포스포다이에스터라제의 작용으로 cAMP가 곧 분해되기 때문이다. 카페인은 이 포스포다이에스터라제를 저해하므로 cAMP의 작용을 연장시키는 효과가 있다.

2-4. 이노시톨 삼인산과 다이아실글리세롤 2차 전령계

 이 체계에서는 1차 전령-수용체 결합에 의해 활성화된 G-단백질이 세포막 단백질인 포스포리파아제 C를 활성화시켜서 세포 내 반응을 일으킨다. 세포막이 주요 구성물질인 인지질은 포스포리파아제 C의 촉매작용을 받아 이노시톨 삼인산과 다이아실글리세롤로 분해되며, 삼인산과 다이아실글리세롤 모두 2차 전령으로 작용하는데 작용경로는 서로 다르다.

 다이아실글리세롤은 단백질 키나아제 C를 활성화시키고 단백질 키나아제 C는 또 다른 많은 단백질들을 인산화시켜서 세포 반응을 일으킨다. 반면에 삼인산은 세포질로 들어간 후 소포체의 외막에 있는 수용체와 결합하여 소포체막의 칼슘 채널을 열게 하고, 이로 인해 세포질에 칼슘 농도가 증가하면 칼슘은 칼모듈린과 결합한다. 칼슘과 결합한 칼모듈린은 이제 활성화되어 또 다른 효소 단백질인 단백질 키나아제를 활성화시킨다.

 아드레날린성 수용체에는 알파형과 베타형이 있다. 베타-아드레날린성 수용체가 에피네프린과 결합하면 cAMP를 통한 세포반응이 일어나는 반면, 알파-아드레날린성 수용체가 에피네프린과 결합하면 Ca2+ 2차 전령계를 통한 세포 반응이 개시된다. 알파-아드레날린성 수용체에는 G-단백질이 연결되어 있으며, 에피네프린이 이 수용체와 결합하면 G-단백질의 작용으로 세포막 단백질인 포스포리파아제 C를 활성화시킨다.

 칼슘 펌프의 작용으로 인해 세포 내의 칼슘은 세포질 밖이나 소포체 안으로 계속 능동수송 방식으로 이동된다. 따라서 안정 시의 세포질은 Ca2+의 농도가 세포외액에 비해 1/1000배 정도로 매우 낮게 유지되고, 그 결과 세포 내의 Ca2+ 농도 변화는 세포 반응을 촉발하는 신호전달과정에 이용될 수 있다.