[스크랩] 세포의 음이온통로 음이온 피톤치드

세포의 음이온통로 음이온 피톤치드 2004/10/29 14:34 http://blog.naver.com/durio/140007124590

2-비트 음이온 통로의 모습이 밝혀지고 있다.

[출처 : Nature : 1996년 09월 26일]

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이온 통로는 그 자신에 대해서 특이적인 이온에 대해서만 필요한 시간과 장소에서 정확히 이온을 선택하여 세포막을 통과하게 한다. 이들 통로들은 지역적이나 전반적인 신호에 의해 전달된 정확한 지시에 따라서 자신의 통로를 열거나 닫는다. Na+, K+, Ca2+같은 양이온과 Cl-같은 음이온의 조화된 흐름을 통해서 뇌와 심장에서, 모든 신경 세포와 근육 세포에서, 심지어 하나의 세포에서 나타나는 모든 전기적인 활성이 일어난다.

작은 세포막 조각을 가로질러 통과하는 전류를 기록하는 방법을 통해서 지난 20년간 우리는 이온 통로가 작용하는 운동론적인 정보를 얻어왔다. 그래서 아직 이온 통로가 어떠한 구조를 하고 있는지에 대한 정보는 많지가 않다. 다른 막 단백질처럼 이들 이온 통로들은 삼차원적인 구조를 밝히는 데에 필수 조건인 결정화가 잘 이루어지지 않는다.

그래서, 정상인 이온 통로와 돌연변이 이온 통로를 비교함으로써 이온 통로의 구조적인 특징을 얻어왔다. 그러나, 이러한 연구들은 대부분 전압-개폐 양이온 통로에 한정되어 있었다.(음이온 통로나 양이온 통로에 상관없이 대부분의 이온 통로들은 통로를 개폐하기 위해서 에너지원을 필요로 하고 있으며, 이 에너지원으로 막 전위(membrane potential)나 리간드 결합을 이용하고 있다.)

전압-개폐 양이온 통로와 이와 유사한 유도체들은 4 개의 단백질로 대칭 구조를 이루고 있다. 이온 구멍은 대칭의 중심부에 위치해 있으며 4 개의 고리를 통해 통로를 구성하고 있다. 각각의 고리 부분은 각각의 단백질에서 한 부분씩을 담당한다. 밀러 그룹과 옌쉬 그룹에서 발표한 연구 결과(9월 26일자 네이쳐, p337, p340)는 골격근, 신경 세포, 표피세포에서 많이 발견되는 ClC 그룹의 음이온 통로에 관한 것이다. 이 새로운 연구 결과에 따르면 가오리 토르페도(Torpedo)의 전기 기관에서 얻은 ClC-0 통로는 2 개의 동일한 단백질로 구성된 동형 중합체의 형태로 존재하며, 각각의 단백질에는 독립적으로 개폐가 되는 구멍이 각각 존재한다. 이러한 이온 통로의 구조는 지금까지 접해보지 못한 것이다. 더욱이 각각의 단백질이 모두 구멍을 가지고 있는 구조로 지금까지 알려진 유일한 단백질은 세균에서 발견되는 포린(porin)이며, 이 포린은 선택성이 거의 없고 3 개의 단백질로 구성되어 있다.

구조, 기능, 연관성 등의 관점에서 2 가지 예외적인 경우를 제외하고 음이온 통로와 양이온 통로는 거의 유사성이 없다. 한가지 예외적인 경우는 CFTR(cystic fibrosis transmembrane conductance regulator)로 낭포성 섬유증 환자의 유전자 결손에 의한 표피 세포의 Cl- 이온 통로이다. 다른 한가지 경우가 ClC-0로 표현되는 Cl- 이온 통로로 분자량이 90K인 단백질이다. 이들은 모두 세포막을 통과할 수 있는 12 개의 소수성 부분을 가지고 있다. ClC-0의 개폐는 전압에 반응하며, 전압-개폐 양이온 통로처럼 세포막의 감극화 현상(내부의 낮은 전위 크기가 감소한다.)에 의해서 이온 통로가 빨리 열리고 감극화가 지속됨에 따라서 통로가 천천히 활성을 잃게 된다. 그러나, 일정한 간격으로 한 개의 ClC-0에 전류를 가하는 경우에는 더 풍부한 개폐 활성을 나타낸다.

비활성 상태를 나타내는, 전기적으로 변동이 없는 기간 사이에 ClC-0 단위 전류는 3 단계로 변화한다. 가장 낮은 단계는 완전히 통로가 막혀져 있는 상태이고, 중간 단계는 10-picosiemens(도전율의 단위) 통로이며, 가장 높은 단계는 20-picosiemens 통로이다. 단위 전류의 이러한 신호들은 항상 중간 단계와 높은 단계를 포함하고 있으며, 이들 중에서 어느 한 쪽이 없는 경우는 결코 없었다. 더욱이 이들 3 가지 단계들이 관찰되는 확률은 이항 정리(binominal theorum)에 의해서 정확히 예측되었다. 그리고, 각 단계에서 계산된 dwell 시간은 이들 dwell 시간 중 하나와 관찰된 확률을 기본으로 한 추정치와 양적으로 일치하였다. 이러한 결과들은 ClC-0가 동일한 2 개의 구멍으로 구성된 이온 통로이며, 각각의 구멍들은 독립적으로 개폐가 활성화되고, 느린 비활성화 단계를 가지고 있다는 것을 의미하였다.

밀러 그룹과 옌쉬 그룹은 ClC-0 이온 터널에 관한 이러한 가설을 사실로 입증하였다. 이들은 519번 위치의 라이신과 123번 위치의 세린에 점 돌연변이 형태로 표지를 가지고 있는 단백질과 정상적인 단백질로 구성된 이온 통로를 사용하였다. 이러한 돌연변이는 이온이 구멍을 통과하는 정도와 이온 선택성, 이온 통로 개폐 양식 등을 변화시켰다. 새로운 관찰 결과에 따르면 정상인 단백질과 돌연변이 단백질로 구성된 2 개의 구멍은 결합된 형태로 존재하며, ClC-0 이온 통로의 2 개의 구멍은 기능적으로 독립되어 있다.

그리고, 침전 실험에 의하면 활성을 가지는 이온 통로는 분자량이 200K인 동형 중합체로 구성되어 있다. 519번 시스테인과 123번 트레오닌으로 돌연변이가 생긴 ClC-0만을 발현시키는 경우에 이온 통로의 구멍은 일정하게 전도력(conductance)이 감소하였으며, 정상의 ClC-0을 함께 발현시키는 경우에는 원래의 전도력을 회복하였다. 중간 단계의 전도력이 없는 것은 각각의 구멍에 영향을 미치는 아미노산들이 1 개의 구멍에 대해서만 영향을 미치기 때문인 것으로 생각되며, ClC-0 이온 통로는 단지 2 개의 단백질로 구성된 것으로 생각된다.

시스테인 접근 방법을 이용하여 밀러 그룹은 양전하를 생성하는 세포질 반응물을 이용한 2 시스테인을 변형시킴으로써 시스테인-519 돌연변이 이온 통로의 낮은 전도력을 정상의 이온 통로가 나타내는 정도로 증가시킬 수 있다는 것을 밝혀내었다. 이러한 실험 결과에 따라 이온 통로는 2 개의 단백질로 구성되어 있으며, 세포질 내 519번 위치의 라이신에 위치한다는 것을 알 수 있다.

옌쉬 그룹은 519번 글루탐산 돌연변이와 123번 트레오닌 돌연변이를 발현시켜 각각의 단백질에 1 개의 돌연변이가 존재하도록 하였다. 이러한 이중 돌연변이 이온 통로는 1 개의 아미노산이 1 개의 단백질에 작용한다는 모델에 부합되는 정도의 낮은 전도력을 나타내었다.

돌연변이 연구는 우리에게 많은 정보를 제공하였지만, 완전한 대답은 이 이온 통로들의 더 자세한 구조를 통해서만 얻어질 것이다. 이차원 또는 삼차원 결정을 얻기 위해서는 많은 양의 단백질이 요구된다. 밀러 그룹은 이미 많은 양의 ClC-0 단백질을 얻기 위해서 토르페도 전기 기관의 효과적인 발현 시스템을 개발하였다. 결정을 얻기 위한 단백질들이 정제되고 있으며, 많은 이온 통로 연구가들이 노력하고 있기 때문에 이온 통로 단백질들의 분자 구조를 보게 되는 데에는 그리 오랜 시간이 걸리지는 않을 것이다.(odb)

출처 : 건강한 삶

글쓴이 : 검객2004 원글보기

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