운동, 홀몬 및 생체감각체계

운동, 홀몬 및 생체감각체계

생명과학의 기초 생화학

Chapter 12

12장의 개요

12.1 운동의 생화학 12.2 홀몬의 생화학

12.3 생체감각의 생화학

12.1 운동의 생화학

- 세포골격단백질

 미세근섬유(microfilament)

 중간미세근섬유(indtermediate filament)

 미세소관(microtuble) - 근육구성 단백질

 액턴(actin)

 마이오신(myosin)

- 중간미세근섬유

 약 100 Å의 직경

(미세근섬유와 미세소관의 중간의 두께)

 구조형성에만 관여

 인간의 유전체에는 50개 이상의

중간미세근섬유유전자를 포함-핵내막을 덮은 섬유로 핵성라민을 발현

 바이멘틴, 데스민, 케라틴, 신경교의 원섬유의 산성단백질 및 신경섬유단백질로 구성

- 특별한 모양을 가지고 내부의 세포소단위체를 움직이는 능력:

 엑턴섬유 미세소관

 중간미세 근섬유로 구성된 세포골격

화학기계변환(chemomechenical transduction) - 화학에너지 ATP가 기계적인 일로 조절된 이전 - 엑턴, 튜뷸린, 부속단백질(마이오신, 다이네인)

 화학기계적인 운동에 연계 필요

분자모터단백질

1. 근육체계와 골격근육의 구조

- 신축운동의 세포

· 골격근육:

마이오신과 엑턴근섬유의 배열  뼈의 움직임

· 심장근육:

골격근육과 유사  분자극성특수마디가 심장 박동기에 자극

· 평활근:

끝이 가늘어진 세포, 단일핵  소화기, 호흡기

· 근상피성근육:

적은 뭉치가 기관 포장의 판형, 외부적으로 신경자극 활동  분비물 배출, 홍채

골격근육의 구성(근원섬유) - 근육세포의 다발(근세포)로 구성

- 미세근섬유의 모음인 섬유다발로 구성

 근원섬유  원통형 10-100μm직경의 세포 - 근원섬유는 세로로 융합되어

 근모세포의 연장, 2000개의 핵을 포함 - 많은 마이오미세근섬유로 구성

 개개의 섬유는 근형질(sarcoplasm)으로 포장

마이오미세근섬유의 구성

- 엷은 마이오미세근섬유: 엑턴분자의 중합체 - 두터운 마이오미세근섬유: 마이오신의 집합체 - 마이오미세근섬유 = 미세근섬유

근육섬유의 내부구성 - 근소포체(sarcoplamic reticulum)

 관들이 세로로 그물모양을 가짐  Ca²⁺에 대한 투과성의 변화는 자극-수축의 연결에 필수

- 근소포체를 교차하는 세로축에 수평인 관(미세소관)

 근소포체에서 Ca²⁺을 배출시키기 위해 세포막의 분극화와 연결

- 마이토콘드리아 포함

 세로로 놓인 연장된 소포체 같은 구조로 존재

 세포질의 칼슘농도 조절 Ca²⁺ 펌프를 위해 많은 양의 고에너지 공급에 유리

- 골격근육 섬유  긴 원통형 근원섬유(직경

1000~2000nm), 엷은 마이오미세근섬유(6~7nm)와 두터운 미세근섬유(15~16nm)로 구성

(1) 근원섬유

- 골격근육은 띠(band)를 포함  두텁고 엷은 마이오미세근섬유가 겹쳐서 나타남  섬유의 사이는 움직이는 연결교(cross-bridge)가 됨 - 엷은 미세근섬유의 각 한쪽의 끝은 Z-선

 중심지역은 엑턴, α-엑티닌을 포함함

 Z선 주변에는 주로 엑턴, 데스민, 적은 양의 바이멘틴, 필라민, 시네민 포함

- 섬유의 길이는 엑턴의 중합반응을 조절하는 β-엑티닌에 의해서 조절

- 중간섬유의 단백질(바이멘틴, 시네민)인 데스민은 한Z선에서 다음 근원섬유 직경에 걸쳐 연장되어 그물모양 조직형성

- 그물모양 연결  데스민이 근섬유막의 접착에 도움, 근섬유분절(sarcomere)의 정렬을 유지

- Z선의 양편에 낮은 전자밀도의 지역과 I띠

 엷은 섬유에 의해 형성

- 한 Z선에서 다른 띠의 연장으로 만들어진 근섬유분절

 평형을 달리는 홈이 있는 미세근섬유의 기능성 기본단위

- 엷은 미세근섬유의 말단 사이의 지역  H띠

- 두터운 마이오미세근섬유에 해당하는 A띠는 Z선 사이에 놓임

- 마이오네신  M선은 크레아틴인산화효소의 활성지역  중간섬유단백질은 Z선 정렬유지

(2) 엷은 마이오미세근섬유

- 공모양의 G-엑턴분자의 중합체

 골격근육 G-엑턴은 375aa, 73번째의 위치, N³-메틸 히스티딘을 가짐

- 심장과 골격근육엑턴

 17위치에 발린을 가짐(다른 엑턴과 구분)

 필수 아미노산(루신, 아이소루신, 트레오닌)들이 분자의 내부를 차지

- G-엑턴 단위체

 직선의 섬유상 F-엑턴 섬유로 중합

 엷은 섬유에서 두 엑턴의 사슬이 오른쪽으로 도는 이중나선을 만듦

 소수성 작용과 이온결합이 관여

- F-엑턴: 생리적인 조건에서 2가 양이온인 Mg²⁺에 의해서 안정화

- G-엑턴 단위체  한 개의 ATP분자 포함 - G-엑턴의 중합

 F-엑턴이 될 때 탈인산화되어 ADP가 얻어짐 - 엷은 마이오미세근섬유의 주된 성분

 엑턴

 조절단백질: 트로포닌, 트로포마이오신

트로포마이오신

- 분자량 68000, 꼬인코일의 α-나선의 이종이량체 - F-엑턴섬유에서 두 세로로 굴곡을 갖는 끝과 끝에

놓임

- 각각은 40nm길이

- 7개의 G-엑턴단위체에 걸쳐 놓임

- 마이오신이 엑턴에 부착하지 못하게 하는 기능

트로포닌

- 분자량 76000, 동등하지 않은 삼량체 - TnC, TnI 및 TnT 비공유결합으로 부착

- TnT는 트로포마이오신에 붙고 TnC에 부착 - TnI는 TnC에 붙고 엑턴에 부착

- TnC: 구조적으로나 기능적으로 칼모듈린과 비슷, 4개의 칼슘이온 부착,

휴지기간에는 두 부착지역을 차지

- Ca²⁺이 TnC에 부착: 마이오신부착지역에서 트로포마이오신 방해작용을 반대로 하게 함

 근육이 수축되도록 허용

- TnI: 179개의 아미노산잔기를 가진 폴리펩타이드, 엑턴부착지역  염기성 아미노산이 대부분

- TnT: 37,000D, 259잔기의 아미노산들의 반 정도는 세포 안에서 하전을 띠고 있음

 음하전을 띠는 그룹은 N-말단에,

 양하전을 띠는 그룹은 C-말단 근처에 있음 - TnC: 18,000D, 159개의 아미노산 중에서

아스파트산과 글루탐산이 우세

- TnT TnI는 cAMP에 좌우되는 단백질인산화효소에 의해 인산화

- 심장근육에서 엑토마이오신 ATPase 활성을 낮춤

(3) 두터운 마이오미세근섬유

- 마이오신: 전체 골격근육의 반을 차지, 낮은 ATPase활성,

엑턴에 부착으로  ATPase활성 수백배 증가

- MW 500,000, 6단위체의 단백질로 2개의 큰 사슬 (200,000D), 4개의 작은 사슬 (16,000~200,000D)

 가벼운 사슬의 크기는 마이오신 출처에 따라

- 전체 길이의 반은 무거운 사슬의 α-나선으로 꼬인 코일, 단단하고 불용성인 꼬리를 가짐

- N-말단의 나머지 반의 사슬은 공모양의 머리

 두 개의 작은 펩타이드

 엷은 마이오미세근섬유와 상호작용은 물론 ATP가수분해 활성지역을 보유

마이오신의 분자구조

- 마이오신은 지역2가 파파인에 의해 쉽게 절단

 S₁조각의 머리부분과 거의 완벽한 꼬리 배출 - 트립신 처리  지역1의 절단

 무거운 메로마이신(HMM, 350,000D) 가벼운 메로마이신(LMM, 125,000D) - S₂조각  LMM에 비교해서 신축성 보유

 LMM과 상호작용 없음  머리부분은

마이오신근섬유에서 멀리 떨어져 흔들리게 됨 - 트립신의 가수분해 지역

 165잔기의 길이를 갖는 돌쩌귀 지역

 근육수축 시 힘을 발생

마이오신의 특성: 힘을 생성하는 원인 - 엑턴에 단단히 결합

- ATPase의 활성

- “필수적인 사슬”(가벼운 사슬을 배제시켜도 엑턴활성화된 ATPase활성)

- 알칼리에 노출시킬 때 배출되는 가벼운 사슬

 알칼리 가벼운 사슬

- DTNB사슬(DTNB에 의해서 배출)

- 조절능력을 갖는 가벼운 사슬의 큰 쪽 부분

 목부분

- 마이오신의 생리적으로 활성화된 형태

 두터운 미세근섬유

- 머리들이 바깥쪽으로 붙어 있으며 전체길이 1.6μm

 꼬리들과 밀착되어 한 묶음 - 축의 중앙에 머리부분이 없음

섬유는 양쪽 끝으로 성장

- 섬유의 조립: 마이오신꼬리의 특성과

 LMM 부분의 많은 아미노산의 순서가 다섯 펩타이드의 반복에 좌우됨

2. 근육단백질의 다중유전자 가족

- 엑토마이오신과 관련단백질

 다중형의 동형(isoform) 존재

- 사람의 유전체  20개의 엑턴유전자 분포,

골격근육엑턴(염색체1), 심장근육엑턴(염색체15) - β-엑턴(평활근), γ-엑턴(비근육엑턴섬유)

- 마이오신 무거운사슬(MHC)의 유전자

 염색체 17에 위치

- 두 개의 MHC가 심장근육에서 나타나고,

배아근육, 신생아근육, 빠른 섬유, 느린 섬유

 서로 다른 일차구조를 가지고 나타남

- 쥐: 세 개의 유전자자리에서 TnT의 코드화, FT와 ST섬유에서 그리고 심장근육에서 다르게 발현 - 3개의 기능적으로 분명한 마이오신  포유류의

심장근육에, 4개는 포유류의 골격근육 - 엑턴의 1차구조: 많은 돌연변이 허용

 몇 개의 특수한 부착지역(보존됨)

- TnT의 유전자 사이에는 상당한 비동위성 서열이 존재

근육운동의 메커니즘

- 근육의 수축 시에 근섬유분절의 단축

- 연결교 가설: 수축과정  두터운 그리고 엷은 미세근섬유 사이에서 연결교의 형성

- 긴장이 교각에서 발생  근섬유분절의 각 말단에서 엷은 미세근섬유의 두 배열이 서로를 향해 끌어당김 - 최대의 힘은 근육이 생성하는 연결교의 수와 관련된

근육에 의해서 발생

- 두터운 그리고 엷은 미세근섬유의 포개지는 정도가 감소하면서 나타나는 최대의 같은 크기의 긴장을 줄이게 됨

- 미끄러짐이 일어나기 위하여  지속적인 연결교의 생성 및 파괴  연결교 회로의 되풀이

근육수축 활성의 과정 - 수축되는 동안 근형질 칼슘의 농도가

0.05μmol/L에서 ~5μmol/L 으로 증가  α-모터 뉴런의 자극이나 직접적인 전기충격에 의해서 발생 - 골격근육에서 척수의 나팔세포로부터 만들어진

작동전위  아세틸콜린을 모터 말단-평판의 신경후연접부에 분비시키도록 자극

- 신경후연접부의 아세틸콜린은 근섬유를 따라 급속히 전달되는 근육작동 전위를 일으킴

- 탈분극작용  근소포체에서 Ca²⁺의 배출 - 근소포체 안쪽에서 바깥쪽으로 형성된

칼슘농도기울기 104~105:1의  유출속도의 증가

- 카페인독성: 메틸잔틴(카페인)

 근소포체로부터 Ca²⁺의 분비를 촉진

 움직임의 크기와 기간을 증가, 높은 카페인 농도

 Ca²⁺의 분비는 탈분극작용이 없이 배출

 칼슘의 급격한 감축  근육의 경련 - 빠른 섬유의 칼슘 농도:

(1) 빠른 미세근섬유  많은 칼슘의 저장

 표면적과 칼슘 취득이 증가 (2) Ca²⁺-ATPase의 높은 활성

(3) 칼슘 펌프의 입자의 수가 증가

(4) 주된 세포질 Ca²⁺-완충단백질인 파브알부민의 높은 농도

(5) 칼슘을 근소포체로 돌리는 것을 빨리하게 됨

 수축 이완 속도의 증가

ATP-칼슘 펌프(근소포체)

- 분자량 100,000D, 세포막단백질의 60~70%, 30개의 인지질 필요

- 폴리펩타이드의 극성지역  세포질까지 확장 비극성지역은 세포막에서 감추어짐

- ATP부착과 가수분해

 세포질 1mol의 ATP가수분해

 2mol Ca²⁺을 근소포체로 운송되어 들어감 - 펌프단백질  Pi농도가 높을 때 Pi에 의해서

인산화  Ca²⁺의 농도기울기 감소

 ADP + Pi  ATP후진방향으로

칼시퀘스트린

- 근소포체의 단백질에서 10~20% 차지

- Ca²⁺에 낮은 부착능력 그러나 칼시퀘스트린이 풍부하고 근소포체 내부 표면의 가능한 위치 때문에 칼슘의 받이로 기능

 세포막의 칼슘 수용능력의 증가

마이오신-엑턴의 구조변화 - 근소포체의 칼슘농도 증가

 엷은 미세근섬유의 TnC에 대한 Ca²⁺부착능력의 증가

- TnC의 칼슘부착지역의 포화

 Tnc의 굉장한 구조변화

- 입체구조의 변화  트로포마이오신이 엑턴과 마이오신간의 부착을 가능하게 함

 기능성 엑턴-마이오신 연결교의 형성

 근육수축의 활성화

회전-머리모델

- 움직임의 힘  마이오신 머리와 두터운 미세근섬유 표면과의 각도의 변화에 의해서 생성

- 연결교의 회전시 마다 관찰된 10~12nm의 움직임

 머리와 두터운 미세근섬유 사이의 각도가 90^o가 되어야 가능

 다음 연결교의 마지막에 45^o로 변해야 한다.

 그러나 각도의 변화가 얻어지지 못함

S₂ 수축모델

- 연결교의 형성  두터운 미세근섬유의 표면에서 S₂지역이 배출되도록 자극하게 된다

- 돌쩌귀지역이 두터운 미세근섬유의 표면에 부착

 빠른 나선 코일의 변형 발생

 단축과 힘이 얻어지고

 α-나선의 입체모양이 부자연스럽게 만들게 됨 - 돌쩌귀 지역의 α-나선에서 나선-코일의 변이로

발생되는 힘의 양은 수축하는 근육에서 예상되는 각 연결교에 의해서 얻어지는 긴장과 거의 같음

화학기계적인 변환

- ATP의 가수분해와 마이오미세근섬유 움직임과 관계 - S₂수축모델 적용가능

- 90^o의 상태  마이오신이 엑턴과의 부착은 미약하고 부착되지 않은 그리고 엑턴에 부착된 마이오신 사이의 빠른 평형은 초기에 연결교가 만들어지는 마이오신의 상태에 해당

- 마이오신 엑턴에 45^o로 부착

 부착이 강하고 일을 하게 된 마이오신 입체구조생성

마이오신 연결교회로의 단계 - 1단계: 마이오신에 ATP부착

 가수분해로로 얻어진 생성물은 마이오신에 (M-ADP-Pi)로 부착되어 남아있음

 복합체의 재배치로 [M-ADP-Pi]를 얻게 됨 - 2단계: 엑턴에 대한 마이오신의 친화력의 증가

45^o상태의 마이오신 입체구조선호

 10~12nm의 이동  연결교는 미세근섬유운동의 속도에 의해 얻어진 입체구조변화

 연결교가 일하게 됨

- 3단계: ATP가 마이오신 머리에 다시 부착, 약한 부착상태의 (90^o)로 되돌아감

- 사후강직:

ATP의 고갈로 연결교의 파괴가 불가능한 상태

에너지의 출처와 운동의 조절

1. 에너지의 출처

- 근육수축: 마이오신의 ATPase  ATP의 가수분해

 ATP의 재합성에 의해서 공급

- 각 연결교회로에서 한 개의 ATP분자의 가수분해 필요 - 쉬고 있는 근육에서 Ca²⁺펌프

 근육에너지 소비의 7%

- 격렬한 수축 운동  50~100배의 ATP 소비 발생 - 근육수축 에너지 대부분 중간대사

- 느린 섬유(ST, I형) 높은 산화성 능력을 가짐 - 지방산의 β-산화  지속적인 연장된 일

 TCA회로, 전자전달사슬 활용

- 보통사람 800 km 달리는데 필요한 에너지 보유

 트라이아실글리세롤을 지방산으로 전환 - 글라이코젠으로 32 km 더 달릴 수 있고,

간의 글라이코젠  5km 더 달림

- 느린섬유  장시간 운동 마라톤, 크로스 칸트리

 연장된 운동에 중요

- 지속적인 운동  글라이코젠 소실

 지방산의 산화가 주된 에너지

- 빠른섬유  근육과 간에 저장된 해당과정에 의존, 글루코스신생합성  글루코스  해당과정

- 운동으로 얻어진 젓산

 산화성 섬유에서 세포막의 투과성에 제한

- 젓산의 유출  농도가 10mmol/L 이하일 때 가능 - 남아있는 젓산

 글리세알데하이드-3-인산탈수소효소의 단계에서 해당과정을 방해

- 산화성인산화를 자극시키는 NAD⁺/NADH의 비율유지  산화환원-완충용액으로 행동

- 대부분이 젓산 높은 산화성 능력을 갖는 세포로 확산

- 강력한 운동 근육의 pH 7.0-7.1에서 6.4-6.5로 감소 젓산의 농도1.1mmol/L  30mmol/L 로 증가

- 집중적인 운동에 의한 피로  pH의 감소

- 아미노산 대사:

α-케토글루탈산 같은 TCA회로의 중간체

 탄수화물이나 지질의 산화를 계속 도와줌 - 퓨린뉴클레오타이드: 집중적인 수축과정

 아데닐산탈아미노화효소

 빠른섬유에서 AMP  IMP로 바뀌는 반응 (1) IMP로 전환시킴으로 AMP의 축적을 방지 (2) 세포에서 아데노신의 상실을

방지(뉴클레오사이드만 세포막 투과)

아데닐산탈아미노화효소

- 결핍시: 운동 중에 암모니아 생성 불가능

 질병의 진단방법으로 쓰임

- 심장에서 AMP의 축적  국소빈혈의 증상 - 분비되는 아데노신

 관상동맥관 구조에서 강력한 확장물질로 작용 - 심장근육층  골격근육에서보다 적은

아데닐산탈아미노화 효소의 활성을 가짐 - 심장근육에서 아데노신 손실

 산소치료와 관상동맥확장물질에 감응하지 않음, ATP농도 감소

- 림파구에서 아데닐산탈아미노화효소의 결핍

 심각한 면역결핍증

- 마이토콘드리아와 마이오근섬유의 ATPase

사이에서 에너지 이동  인산크레아틴으로 매개 - 마이토콘드리아 호흡자극  ATP 배출

 ATP로부터 인산크레아틴 생성

- 크레아틴 인산화효소  ATP + 크레아틴 생성

- 크레아틴의 증가  근육활동 증가 시 호흡의 자극 - 인산크레아틴

 세포내에서 에너지 저장물로도 기능 - 단기간에 갑자기 소요되는 에너지

2. 인산크레아틴의 왕복체계

크레아틴인산화효소 - 분자량 40,000, 이량체의 단배질

- 뇌의 동위효소: B-소단위체의 이량체 - 골격근육: M-소단위체의 동종이량체 - 심장근육: 80-85% MM, 15-20% MB - 응용: 전체 크레아틴인산화효소와

크레아틴인산화효소-2(MB)

 혈청에서 농도 측정

 심근 파열된 환자의 심근손상의 정도 진단

3. 근육수축운동의 조절

- Ca²⁺의 증가

 골격, 심장, 평활근, 비근육엑턴 수축의 시작 - 수축의 조절에서 차이  내인성

- 골격근육, 심장근육:

(1) 트로포마이오신 엑턴에 부착  연결교 형성 방해 (2) 근소포체에서 Ca²⁺의 증가  연결교 형성

 수축이 일어나기 위하여 “엑턴이 연결”

- 평활근 마이오신의 가벼운 사슬의 칼슘에 좌우되는 인산화

 마이오신을 엑턴-활성화된 Mg²⁺-ATPase로 변경

 “마이오신과 연결”

- 수축조절의 주된 메커니즘:

 골격근육, 심장근육에서 마이오신과 엑턴의 상호작용에 Ca²⁺의 영향

 평활근과 비근육체계에서 칼슘-자극에 의한 마이오신 가벼운 사슬의 인산화

- 골격근육의 근소포체로부터 Ca²⁺의 분비는 작동전위에 대한 감응에 의해 일어남

 특수한 세포막의 구조는 전압에 민감한 Ca²⁺

분비 메커니즘의 발생지역

- 칼슘 “방아쇠”라 부르는 근세포원형질의 칼슘농도의 초기증가

 근소포체의 Ca²⁺투과성을 증가시키도록 자극

심장근육층에서 칼슘의 분비

- 작동전위가 높게 평평하게 유지되는 동안 현저한 양의 칼슘이 섬유내부로 진입

 칼슘은 자극제로 기능

- 노아에피네프린  아데닐산고리화효소의 활성화

 cAMP의 증가

 cAMP에 좌우되는 단백질인산화효소의 활성화

 Ca²⁺의 통로단백질의 인산화

 통로의 전압에 대한 감수성의 증가, 활성화

 근소포체에서 Ca²⁺의 분비 증가 - 가벼운 사슬에 칼슘의 부착

 엑턴부착의 증가  긴장의 축적

평활근에서 칼슘의 분비 - 세포막의 전위차와 수축과 연결

 전위차에 좌우되는 Ca²⁺통로에 의해 중재 - 평활근에서 통로의 크기가 적고, 표면에 대한

부피의 비율이 크기 때문에  세포의 Ca²⁺

유입 허용  세포질 Ca²⁺농도에 비교적 큰 영향 - Ca²⁺유입  방아쇠 칼슘으로 가능

- 혈관의 평활근수축  세포 외부에 Ca²⁺에 좌우 - Ca²⁺통로를 선택적으로 막는 물질:

verapamil, nifedipine, diltiazem

 세포를 이완시켜 혈압을 낮춤

4. 근육과 관련된 유전병

- 역동적인 증후군(dynamic syndrome)

 힘을 사용할 때 일어나는 증상, 근육의 퇴화 - 근육의 수축운동 후에 유출되는 혈액

 젓산 낮은 농도,

- 산화적인산화 장애  높은 젓산

- 근육의 가인산분해효소의 결핍환자

 글루코스주입 증상완하

- 마비성 중증근무력증: 자동면역장애로, 모터끝

평판에 아세틸콜린 수용체의 수가 항수용체 항체에 의해 감소되어 나타남

 신경근육전달 단백질의 결손 - Duchenne형 근육장애:

비정상적인 DMD유전자에 의해서 나타남

 정상적인 DMD유전자는 다이스트로핀 단백질 코드

 마이오섬유의 구조, 기능의 복합적인 상태 유지

12.2 홀몬의 생화학

홀몬의 발견

- 다중세포 생물체의 생존

 분화된 세포기능의 조정과 상호협력에 따라 좌우 내외적인 상황에 대한 형태적, 생리적 상태를

안정된 범위내로 유지하려는 성질

 항상성(homeostasis)

- 항상성 조건을 파괴시키려는 외부 위협에 대해

 세포가 수용체 중계로 다른 세포에 신호전달

 화학신호로 세포 간의 의사소통 - 화학신호전달체: 신경전달물질, 홀몬

- 신경전달물질:

신경단위(neuron)에서 다른 신경단위

 짧은 거리의 목표

- 홀몬  혈액을 통하여 먼 목표의 세포에 정보전달 - 세포의 틈 사이에 배출

 내분비(endocrine)(어떤 홀몬은 관을 통하여 외부환경에 배출, 스테로이드, 프로스타글렌딘) - 신경계와 내분비체계  몇몇 신호전달체를

공통으로 사용(노아에피네프린, 도파민)

- 홀몬  그리스어의 hormaein(들뜸)으로 유래

홀몬의 종류와 분자구조

(1) 아민홀몬

(2) 펩타이드, 단백질 및 당단백질홀몬 (3) 스테로이드 홀몬

(4) 에이코사노이드

- 아미노산에서 유래

- 모든 아민홀몬은 신경계의 안팎에서 합성, 탈카복실화됨(흉선홀몬 제외)

- 신경계 내부에서 중요한 신경전달물질,

신경계의 외부에서 합성하는 세포  변형된 후부연접부 뉴런, 혈액유도세포,

아민전구체 동화 및 탈카복실화 세포 - 특수수용체 지역을 통하여 영향

- 하위형태의 상대 홀몬을 가짐

- 평활근의 활성에  빠른 체계적인 영향(T₃제외) - 친수성  수용체가 목표세포 외부표면에 존재 - 대부분의 아민홀몬의 영향은 세포내의

이차전달체에 의해서 전달 1. 아민홀몬

2. 펩타이드 및 단백질홀몬

- 발생학적으로 내배엽 또는 외배엽으로부터 유도 - 3~200개 아미노산의 펩타이드

 40개 이상의 홀몬

- N-말단에 선도서열(신호펩타이드)을 가지고 큰 크기의 전전구홀몬(preprohormone)으로 합성 - 소포체의 내강에 진입하면서 제거

 전구홀몬(prohormone)

 전사후 과정 거쳐 골지체에 의해서 포장

 분비형 작은 알갱이

인슐린의 전사후 변형

- 전전구인슐린: 23개 아미노산 선도서열 제거 - 두 쌍의 염기성 잔기를 가지게 되며,

C-펩타이드로 배출

- 전구홀몬의 주된 조각은 활성이 있거나 또는

불활성이거나 칼슘에 좌우되는 세포외 유출작용에 의해 밖으로 배출됨

성장억제홀몬 - 시상하부(hypothalamus)에서 합성

 혈액을 통하여 운반되어 전방의 뇌하수체(anterior pituitary)로 보내짐

 성장홀몬의 분비 억제

- 신경연접부로 분비될 때 방해성 신경전달물질로 기능 - 췌장섬세포에서 분비되는 성장억제홀몬

 인슐린과 글루카곤의 분비 방해

- 소화기장내의 점막질에서 만들어지는 성장억제홀몬

 게스트린, 시크리틴, 소화기방해펩타이드(GIP)의 분비를 지역적으로 방해

펩타이드홀몬가족

- 오피오멜라노코틴(opiomelanocortin)가족:

엔돌핀, 아데노신 부신피질자극홀몬(ACTH-SH) - 체유선발육홀몬(somatomammotropin)가족:

성장홀몬(GH), 황체자극홀몬(prolactin)

- 인슐린가족: 인슐린, 인슐린 같은 성장인자, 소마토메딘, 릴렉신

- 시크리틴가족: 시크리틴, 글루카곤, 글라이센틴, 소화기방해폴리펩타이드

홀몬의 구조와 기능의 진화

- α-짝지움 인자: 효모에서 생식성 페로몬으로 기능

 80%의 아미노산의 순서가 일치

 생식선자극홀몬-분비홀몬(gonadotropin Gn RH)

 경골어 유로텐신 I과 관련, 양서류의 쇼베진의 구조와 유사

- 포유 동물에 투여 시

 고혈압 발생, 혈관확장과 부신피질자극홀몬 분비

3. 스테로이드홀몬

- 엔드로젠(C19) - 에스트로젠(C18) - 프로제스틴(C21)

- 코티코스테로이드(C21)

- 콜레스테롤로부터 합성되고, 적어도 한 개의 펩타이드홀몬에 의해서 조절되는 중배엽- 유도세포에 의해서 만들어짐

- 간에서 황산염, 글룩유론산 첨가

 용해도나 활성이 없음

 부착 혈청단백질을 준비  용해

- 혈액에서 스테로이드를 운반시키는 세 가지 단백질

· 알부민: 비특이성, 광범위한 수용능력

· 코티코스테로이드-부착글로뷸린(CBG)

 코티솔에 높은 부착력

· 테스토스테론-에스트라다이올-부착글로뷸린(TeBG)

 성스테로이드 특이하게 작용, 안드로젠 우선 부착 - 스테로이드대사  간에서 물질부착 기능상실

- 스테로이드홀몬을 구강투여 시 효과 없음

구강투여 시 활성이 있는 홀몬을 만들어 냄 - 코티솔의 위치1  이중결합 도입

 프레드니솔론(활성유지)

- 에스트라다이올에 17α-에티닐그룹 도입

 에티닐에스트라다이올

- 테스토스테론의 19C의 제거  프로제스틴

홀몬의 조절과 수용체

- 목표세포

 홀몬을 선택적으로 부착하고 인식할 수 있는 특수한 수용체를 가짐

- 한 개의 홀몬에 한 가지의 수용체(또는 한 개 이상의 수용체)  수용체의 수 10,000~100,000 이상

- 부착특이성(효소): 홀몬은 열쇠, 수용체는 자물쇠 - 수용체

 홀몬에 좌우되는 조절단백질

 세포내부의 효소체계와 연결

홀몬에 대한 수용체의 수

- 홀몬의 세포에 얼마나 감응되는지에 따라 영향 (1) 세포의 유전자형이 수용체의 합성을 할 수

있는지, 수요체의 수, 형태를 결정

(2) 세포의 발육상태에 따라 수용체의 수가 좌우 (3) 홀몬자체가 수용체의 수의 조절자가 됨

조절은 대응조절과 비정형조절을 함

- 대응조절:

홀몬이 자기 자신의 수용체의 수에 영향을 줄 수 있을 때 일어남

- 수의 감소, “감소조절”  목표세포가 항상 상향된 수준의 홀몬에 노출될 때 일어남, 세포가 과도한 홀몬자극에 대한 세포자신을 보호하기 위함

예) 인슐린, 카테콜아민, 생식선자극홀몬분비홀몬, 내부적인 진통제, 상피세포성장인자

- 증가조절  수용체 수의 증가  항체자극홀몬

- 비정형조절:

어떤 홀몬이 다른 홀몬의 활동에도 영향을 줄 때 나타나는 메커니즘

- 어떤 홀몬은 다른 홀몬의 수용체의 생성을 감소 - 비정형홀몬에 의해 수용체의 수의 증가

 에스트로젠은 프로제스테론, 옥시토신,

항체형성홀몬(LH)의 수용체 수를 증가시킴

- 홀몬의 수용체: 세포에서 위치와 부착되는 홀몬의 형태에 근거해서 세 가지 형태로 구분됨

· 세포내부에 진입한 다음 T₃(triiodotyronine)을 부착하는 핵수용체

· 세포질수용체:

세포에 확산에 의해 내부로 들어온 스테로이드 홀몬 부착

· 세포에 진입되지 못하는 수용성홀몬을 받아들이는 세포표면의 수용체

1. 핵수용체

- 갑상선홀몬인 T₃

 목표세포의 핵에 수용체를 갖는 유일한 홀몬

 비히스톤, 산성단백질(MW 50,000)

 연결된 DNA조각과 복합체를 만듦 - T₃부착  mRNA합성이 증가

 라이보솜에서 많은 단백질 번역

- 수용체는 T₄보다 T₃에 10배나 더 강력히 부착, 상당수의 흉선 목표세포  세포질에서 T₄

 T₃로 변형

2. 세포질수용체

- 스테로이드홀몬  목표세포내부에 수용성수용체를 가짐, 수용성단백질(MW 70,000~100,000)로 존재 - 세포질에서 홀몬이 수용체에 부착

 스테로이드-수용체 복합체는 핵으로 이동

 홀몬수용체 복합체는 수납체(acceptor)라고 부르는 크로마틴부착단백질에 부착

- 수납체는 크로마틴의 연결DNA에 있는 산성단백질

 홀몬부착지역에서 멀리 떨어진 지역의 홀몬-수용체복합체에 부착

- 수납체에 의해 조절되는 특수한 유전자의 발현을 조절(예: 글루코코티코이드  유전자 발현이 억제) - 크로마틴 홀몬-수용체 복합체의 해리

 복합체는 핵을 떠남

3. 세포표면수용체

- 수용체가 세포표면의 원형질막에 붙박이된

수용체들에 의해 확인, 홀몬 감지지역이 세포표면에 노출

- 세포표면의 3종류의 수용체

· 세포막에 내재  아데닐산고리화효소 복합체

 세포내부인산화

· 세포막에 부착된 단백질인산화효소

 내부인산화

· 세포막에 부착된 포스파디딜이노시톨-4,5- 이인산(PIP2)의 인산다이에스터레이스

 세포내부 이온화된 칼슘의 수준에 영향

이차신호전달체 - 칼슘, cAMP  상승효과,

인슐린  아데닐산고리화효소처럼 세포내부로 신호 전달 - 타이로신인산화효소  발암성유전자가 발현

- 이노시톨-1,4,5-삼인산(IP3)와 다이아실글리세롤

 칼슘조절에 영향을 주는 체계와 관련 - 3’5’-고리형 구아노신일인산(cGMP)

 좌우되는 단백질인산화효소가 많은 세포에 존재 - cAMP의 합성  아데닐산고리화효소

 생리적인 감응에 대한 특이성, 세포표면의 수용체, 아데닐산고리화효소체계에 좌우

- Rs와 Ri 수용체  단백질 Gs와 Gi 각각에 의해서 중계 - G-단백질  Gs, Gi, 트렌스듀신(눈의 레티나에서 빛에

의한 활성화 cGMP인산다이에스터레이스 구성성분)

4. 내분비체계의 구성

- 신경계:

· 절박한 혼란상황에 대처하려는 생리적 과정의 지원  글루코스의 지속적 공급에 의존

· 글루코스의 순환되는 수준이 여러 가지 홀몬들의 조절하에 놓이게 됨

· 신경계의 성숙  흉선 홀몬에 의해 조절

· 시상하부펩타이드나 부신수질홀몬

 신경계에 좌우

- 내분비계: 더욱 지속되고 정밀하게 조정됨으로 장기적인 대비

내분비체계의 조직

- 첫 번째 수준: 신경세포 유도  신경계연결유지

 시상하부, 부신수질, 갑상선 C-세포, 위나 장의 크롬친화성 세포  펩타이드와 아민홀몬 생성

 빠른 공격이나 단기간의 영향에 대처

- 두 번째: 뇌하수체, 부갑상선, 췌장의 섬  신경계 변화에 의존, 뇌하수체  신경계의존,

췌장의 섬, 부갑상선  신경신호 없음

- 세 번째: 내분비조직  부신피질, 갑상선소포, 생식선  뇌하수체홀몬의 자극에 좌우

 간접적으로 시상하부에 의해 좌우

 신경계좌우

홀몬과 비만

- 사람의 지방세포에서만 만들어지는 렙틴(leptin) 단백질의 발현

 체지방 함량에 따라 반비례

 비만은 렙틴이 적을때 나타나는 현상 - 비만은 “렙틴에 대한 저항성”

 뇌에서 렙틴수용체 감소

 식욕자극, 지방축적

- 인슐린의 수용체 뇌하수체에 존재

 렙틴 수용체와 같이 작용하여 뉴로펩타이드 Y의 분비억제

- 식욕자극 홀몬 그렐린(ghrelin)(공복시 분비)

- 위장에서는 식욕 억제 홀몬인 PYY_3-36의 분비 - 글렐린은 단독으로 식욕촉진

 렙틴, 인슐린, PYY_3-36은 뇌하수체로부터 뉴로펩타이드 Y의 분비조절

 식욕저하

- 지방세포에서는 레지스틴이라는 홀몬 분비

 인슐린작용의 억제

 당뇨의 반대 효과의 티아졸리딘다이올

 레지스틴의 생산 감소

- 복부지방에서 합성  II형 당뇨와 관계

12.3 생체감각의 생화학

오감의 체계

- 생리적인 활동을 내외부에 서로 연결시키는 작용

 생체감각체계를 통하여 이루어짐

- 진화하는 동안에 위기 상황의 인식이나 전달 방법

 시각, 청각, 후각, 미각 및 촉각 - 감각체계: 종에 따라 발전 또는 퇴화

- 사람의 감각체계: 신호감지기능을 넘어 마음을 기쁘게 하고 누리는 삶의 질의 향상

 문화적 혜택

- 청각: 공격에 대한 감지장치  적을 구별 - 인류 의사소통을 위하여 언어를 발전

- 음의 복잡한 조화를 들어서 기쁜 음악으로 기억시킴 - 후각: 느낌이 좋은 냄새

 긍정적으로 어렸을 적의 감정적인 순간의 기억을 자극

- 후각상실  경고성 신호감지 불능

개의 후각 상피세포  사람보다 4배 큼 - 미각: 독성물질과 음식물을 비교  쓴맛,

부패한 식품을 피하고 기본적인 영양을 보충해 줌

 즐기고 느낄 수 있도록 하여 생활을 풍부하게 해 줌

- 기계적인 충격, 온도 변화 공기압  적을 인지 - 후각, 미각, 시각

 단백질수용체를 이용하는 7TM수용체

- 청각, 기계적인 충격, 압력  이온통로를 활용

후각, 시각 및 맛의 체계

1. 후각의 원리

- 후각 수용체: 물고기는 적은 수용체, 쥐-100개, 사람은 쥐보다 적음

- 후각수용체는 한 개 형태의 냄새 수용체를 가짐

 제한된 수만 감지

- 후각수용체세포는 신경과정을 통하여 뇌의 주된 후각지역에 있는 미세부위의 후각구근에 신호

 후각수용체의 활성화

 사구체를 통하여 뇌에 전달

- 후각 정보처리  복합적인 구도를 형성

 냄새의 기억을 회상

- 엑셀과 버크: 후각수용체의 큰 가족이 G-단백질- 연계된 수용체들에 속함

- 냄새 물질의 부착

 수용체단백질의 입체모양의 변경

 G-단백질의 활성화

- 같은 형태의 수용체를 갖는 수용체 세포

 같은 사구체에 집중 확인

 사수체의 놀랄만한 특이성

- 사구체  다음단계의 신경세포와의 수준, 승모판 세포접촉확인

 각 승모판세포는 한 개의 사구체부터로만 활성화

2. 후각수용체의 유전자

- 엑셀과 버크

사람 유전자의 3%를 차지하는 후각수용체 유전자를 밝혀냄

- 후각수용체세포에 1,000개의 다른 유전자 밝혀짐

 후각수용체 수만큼 많은 형태의 후각수용체를 갖는 세포들이 존재

- 냄새는 복잡한 냄새분자로 구성

 냄새의 무늬모양을 형성하는 조합의 코드가 됨

 10,000가지 다른 냄새를 기억

3. 시각의 감각체계

- 광수용체:

· 밝은 빛과 색상을 감지하는 3백만 개의 고깔모양 세포

· 희미한 흑백의 색깔구별 10억 개의 막대모양의 세포 - 막대세포의 광수용체: 옵신 단백질과 11-시스-레티널

결합  로돕신에 의해서 기능

- 옵신단백질  7TM수용체단백질의 광수용체로 기능 - 색상을 감지하는 기능은 11-시스-레티널에서 수행

 알데하이드그룹  옵신단백질의

라이신의 ε-아미노그룹과 쉬프염기를 만듦

4. 시각의 메커니즘

- 빛의 흡수에 의한 11-시스레티널의 이성화

 all 트렌스-레티널로 변화

- 빛의 광자  쉬프염기 질소원자를 이성화시킴으로써 탄소결합의 회전과 동시에 아랫쪽에서 윗쪽으로 5Å 정도 위치의 변경을 유도

- 초기의 로돕신분자  베도로돕신

 빛의 활성화로 메타로돕신II로 변경

 리간드가 부착된 7TM수용체

 신호를 세포내부로 작용

- 로돕신에 부착된 G-단백질복합체를 트렌스듀신 - α-소단위체의 GDP가 GTP로 바뀜,

β,γ-소단위체는 α-소단위체와 분리

- α-소단위체에 방해제 부착

cGMP인산다이에스터레이스 활성화

 cGMP 가수분해  GMP

- cGMP-개폐 이온통로는 주변에 cGMP를 공급하면서 농도가 급감

 세포막의 초극성화를 가능하게 하여 증폭된 신호를 시신경에 전달

5. 맛의 감지체계

- 짠맛(Na⁺), 단맛(글루코스, 설탕)  냄새 확인 못함 - 우마미맛(맛나니)  글루탐산과 아스파트산

- 쓴맛  퀴닌 - 신맛  H⁺

- 맛은 혀의 미각아  감각의 누런

 미세융모에 의해서 감지

- 맛의 물질에 대한 자극  감각뉴런을 통해 운송

 전기적인 펄스  뇌에 전달

6. 맛의 전달메커니즘

- 7TM수용체  단맛과 쓴맛의 감지에 관여

- 미각아에서 특수한 G-단백질의 α-소단위체, 거스트듀신(gustducin)의 유전자 발현

- 7TM수용체유전자  T2R1

- 많은 맛을 갖는 물질  같은 신경세포 자극 - 단맛과 우마미맛

 이종이량체의 7TM수용체에 의해서 수행

단맛의 맛-수용체세포

 T1R1, T1R2 및 T1R3

- 우마미맛 수용체 T1R1, T1R3

- 짠맛  소듐이온의 이온통로를 통하여 전달 - 소듐이온 통로는 4개의 소단위체로 구성

 짠맛을 무력화시키는 기능의

아밀로라이드(amyloride)-민감한 Na⁺통로

 두 개의 나선형소단위체가 세포막에 내재 - 신맛의 감지  이온통로와 상호작용

 수소이온의 이동  전류생성

 감각뉴런의 세포막을 극성화  전위차 발생 - 매운맛, 뜨거운 맛  감촉의 인지메커니즘과 같음

청각과 촉각의 체계

- 사람 주파수 200~20,000Hz 소리 청취가능 - 시간으로 5~0.05ms에 해당

- 포유동물은 두 귀로 소리 감지: 거리의 예측, 감지시간의 차이가 0.7ms면 감지가능

- 사람은 0.02ms의 짧은 지연된 시간도 감지 - 소리의 파동

 달팽이관의 액체가 채워진 막주머니인 와우각(cochlea)의 내부에서 측정

 특정한 뉴런 16,000개의 머리카락모양의 세포(hair cell)를 가짐

- 각 머리카락모양의 세포마다 20~300개의 부동섬모(stereocilia)로 구성

- 소리의 파동은 머리카락모양 세포막에 전위차 발생  머리카락 묶음이 3Å 움직일 때

 세포막 전위차 발생 이온통로에 영향

- 감촉: 피부가 느끼는 압력이나 온도에 의한 자극

 아밀로라이드-민감한 Na⁺ 이온통로 관여

- 높은 온도, 산 등에 의한 고통의 느낌은 다른 전달 체계 활용  피부로부터 고통의 신호

 척추의 고통처리체계  뇌에 전달 - 뉴런의 노시셉터(nociceptor)

 고추의 맛 켑사이신

 바닐로이드수용체1을 이용하여 고통 전달