신경전달물질계(Neurotransmitter Systems)

머리글

정상인의 뇌 안에서는 여러 가지 질서 정연한 화학반응들이 일어나고 있다. 화학반응들 중에서 가장 중요한 것은 접합전달과 관련된 화학반응이다. 이 장에서 우리는 주요 신경전달물질계의 다양성과 우아함에 관해 좀 더 깊이 살펴볼 것이다.

신경전달물질계의 중심에는 신경전달물질이 있다. 이미 배운 바와 같이 신경전달물질은 아미노산, 아민, 펩티드의 세가지로 구분한다(표. 신경전달물질의 종류). 각각의 신경전달물질 분자가 특정 신경전달물질계를 결정한다. 계에는 신경전달물질의 합성, 소포내 저장, 재섭취, 분해, 작용을 담당하는 분자적 기구가 포함된다.

최초로 규명된 신경전달물질은 1920년대 오토 루이(Otto Loewi)에 의해 규명된 아세틸콜린(ACh)이다(루이와 Vagostoff). 영국 약리학자 헨리 데일(Henry Dale)은 ACh을 생산하고 유리하는 세포를 기술하기 위해 콜린성(cholinergic)이라는 용어를 도입하였다. 데일은 아민 신경전달물질인 노르에피니프린(norepinephrine, NE)을 사용하는 신경세포을 노르아드레나린성(noradrenergic, 영국에서는 NE을 노르아드레나린(noradrenaline)이라 함)이라 했다. (접합 전달의 신경약리학적 연구에 대한 공헌으로 1936년에 데일은 루이와 함께 노벨상을 받았다.) 신경전달물질이 추가로 규명될 때 -성(-ergic)이란 접미사를 사용하는버릇이 계속되었다. 그래서 글루타메이트를 사용하면 글루타메이트성(glutamatergic) 시냅스, GABA를 사용하면 가바성(GABAergic) 시냅스, 펩타이드를 사용하면 펩타이드성(peptidergic) 시냅스라고 한다. 이 형용사는 신경전달물질계를 부르는데도 사용된다. 예를 들어 ACh과 이와 관련된 모든 분자 기구들을 합쳐서 콜린성계(cholinergic system)라 한다.

신경전달물질계를 구성하는 요소는 무엇인가?

Otto Loewi 및 Henry Dale이 노벨상을 수여받도록 한 연구업적을 찾아 정리하시오. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '1'인 학생)

신경전달물질계 연구

신경전달물질계 연구의 첫단계는 신경전달물질의 규명이다. 뇌내 수많은 화학물질 중에서 어떤 것이 신경전달물질로써 기능을 할까? 신경과학자들은 수년에 걸쳐 신경전달물질로 간주될 수 있는 분자들이 가져야 하는 조건들을 확립하였다.

1. 그 분자는 접합전 신경세포내에서 합성되고 저장되어 있어야 한다.
2. 그 분자는 자극에 의해 접합전 축삭 말단에서 유리되어져야 한다.
3. 그 분자는 접합전 신경세포의 자극에 의해 나타나는 접합후 신경세포의 반응에 유사한 반응을 야기해야 한다.

아세틸콜린이 신경근 접합에서 신경전달물질임을 증명하기 위해 사용되는 실험적 절차를 구체적으로 기술하고, 그러한 연구 논문을 찾아 요약하라. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '2'인 학생)

전달물질과 전달물질 합성 효소의 위치확인(Localization of Transmitter and Transmitter Synthetic Enzymes)

신경전달물질을 규명하려는 연구자들은 특별한 분자가 신경전달물질일 것이라는 예감을 갖는 것에서 연구를 시작한다. 대개 그 분자가 뇌조직에 높은 농도로 있고, 특정 신경세포에 적용될 때 활동 전위 발화 속도를 변화시킨다는 사실에 기초를 둔다. 예감을 어떻게 얻었던 간에 이를 확인하는 첫 단계는 그 분자가 특정 신경세포에 들어있고 거기서 합성된다는 사실을 보여주는 것이다. 이것을 확인하기 위해 많은 방법들이 여러 가지 다른 신경전달물질에 대해서 사용된다. 오늘날 사용되는 가장 중요한 두가지 방법은 면역세포화학법(immunocytochemistry)와 in situ hybridization이다.

면역세포화학법(immunocytochemistry)

면역세포화학법은 해부학적으로 특정세포에 특정분자의 위치를 확인하는데 사용되는 방법이다. 원리는 매우 간단하다. 일단 신경전달물질 후보 분자는 화학적으로 순수하게 분리되어 동물의 혈류내 주입되어 면역반응을 자극한다. (가끔 면역반응을 일으키기 위해 후보 분자와 더 큰 분자를 화학적으로 결합시켜 주입되기도 한다.) 면역반응 중 하나는 이물질 분자의 특이적 위치에 단단하게 결합하는 항체의 생성이다. 이들 특이적 항체 분자는 접종된(immunized) 동물의 혈액 표본으로부터 회수되어 현미경상에서 보여질 수 있는 색을 마커로 표지된다. 이 표지된 항체가 뇌조직 절편에 적용되어 후보 분자와 결합되어 후보 분자를 포함하는 세포들만 특정 색깔로 보여질 것이다. 면역세포화학법은 특이적 항체가 생성되게 한 분자(신경전달물질 및 합성효소)를 가진 세포의 위치확인에 사용될 수 있다. 신경전달물질 후보와 그것의 합성효소가 같은 축삭 말단에 있다거나 신경세포내 들어 있다는 것을 보여주므로써 특정 신경세포내 그 분자가 합성되고 존재한다는 조건을 만족시킬 수 있다.

In situ hybridization

In situ hybridization이라는 방법은 세포가 특정 펩타이드나 단백질을 생성한다는 것을 확인하기 위하여 사용된다. 앞에서 배웠듯이 단백질 분자는 특이적 mRNA의 명령에 따라 리보솜에서 조립된다. 신경세포에 의해 합성되는 모든 폴리펩타이드는 각기 독특한 mRNA분자를 가진다. mRNA transcript는 다양한 순서로 연결된 네가지 핵산으로 구성된 사슬이다. 각 핵산은 한 개의 다른 보조 핵산과 단단하게 결합되는 특별한 성질을 가진다. 그래서 mRNA 가닥의 핵산 배열을 알고 있다면 실험실에서 보조 가닥을 만들 수 있다. 이 보조 가닥은 velcro(찍찍이) 끈처럼 mRNA에 붙을 수 있다. 이 보조 mRNA 가닥을 probe라 부르고 이 probe가 mRNA에 결합하는 과정을 hybridization이라 한다(In situ hybridization: mRNA 가닥은 특정한 순서로 배열된 뉴클레오티드로 구성된다. 각 뉴클레오티드는 다른 뉴클레오티드에 붙는다. In situ hybridization의 방법에서, 합성된 probe는 어떤 mRNA에 붙을 수 있는 보조 가닥이다. 만약에 probe가 뇌 조직에 적용된다면 특정 mRNA를 포함하는 세포에 표지되어 세포의 위치가 드러날 것이다.) 특별한 펩타이드에 대한 mRNA가 신경세포에 위치하고 있는지 알기 위해서 probe을 뇌 조직 절편에 적용하고 probe를 검출될 수 있게 만들어 probe를 포함하는 신경세포를 찾는다.

In situ hybridization을 위해, probe는 보통 radioactive 물질로 표지한다. radioactivity를 직접 볼 수 없기 때문에 radioactive 방출에 민감한 특별한 필름 위에 뇌 조직을 놓아 hybridized probe가 검출될 수 있다. 조직에 노출된 필름을 인화하여 radioactive한 세포의 존재를 볼 수 있다. radioactivity의 분포를 보는 기술은 autoradiography라 한다.

요약하면, 면역세포화학법은 뇌 조직 절편에서 단백질 등 특정 분자의 위치를 학인하기 위한 방법이고, in situ hybridization은 단백질에 대한 특정한 mRNA transcript의 위치를 학인하기 위한 방법이다.

전달물질 유리 연구

위치가 확인된 후 접합전 신경세포를 자극할 때 전달물질 후보 분자가 유리되는 것을 확인해야 한다. 몇몇 경우에서, 목표하는 접합을 가진 조직에서 접합으로 가는 특정한 세포나 축삭이 자극될 수 있고, 그 조직에서 유리되는 표본을 채취하여 유리된 물질의 화학적 구조를 분석할 수 있다. 이러한 일반적 접근법을 사용하므로써 루이와 데일이 말초 시냅스에서 전달물질 ACh를 규명할 수 있게 하였다.

말초신경계와는 달리 중추신경계의 대부분은 각기 다른 신경전달물질을 사용하는 시냅스가 다양하게 섞여 있다. 그래서 단 한 가지 신경전달물질만 포함하는 한 가지 부류의 시냅스를 자극하기란 불가능하다. 뇌의 특정 부위를 자극하여 시냅스 지역을 자극하고 거기서 유리되는 여러 가지 화학물질을 측정한다. in vitro 상태에서 살아있게 유지된 뇌조직의 절편을 고농도의 K⁺을 포함하는 용액에 담궈 막의 탈분극을 야기하여 전달물질의 유리를 자극한다. 축삭 말단으로 Ca²⁺의 유입에 의해 전달물질의 유리가 일어나므로 반드시 조직을 담고있는 용액내 Ca²⁺ 이온의 존재 유무에 따라 후보물질의 유리가 일어남을 보여야 한다.

그러나 전달물질 후보물질이 칼슘 의존적 방식으로 탈분극에 의해 유리된다는 사실이 보여졌을 때라도 여전히 용액에서 검출된 분자가 축삭 말단으로부터 유리되었다고 확신할 수 없다. 그것들은 시냅스 활성화의 이차적 결과로써 유리되었을 수도 있기 때문이다. 뇌 조직에서 다양하게 구성된 신경세포 집단을 단일하게 분리할 수 없음은 전달물질 확인을 어렵게 한다.

시냅스 작용의 모방 연구(Studying Synaptic Mimicry)

어떤 분자가 신경세포내 존재하고, 신경세포내에서 합성되고, 신경세포로부터 유리된다고 하여도 다음 조건을 만족시키지 않으면 안된다. 그 조건은 어떤 분자가 야기하는 반응이 접합전 신경세포를 자극하여 나타나는 접합후 반응과 동일해야 한다.

신경전달물질 후보의 접합후 작용을 평가하기 위하여 microiontophoresis라는 방법이 사용된다. 대부분의 신경전달물질 후보들은 용해되어 전하를 띈다. 직경이 수 μm에 불과한 미세한 끝을 가진 유리피펫은 이온화된 후보물질을 포함하는 용액을 담고 있다. 피펫의 끝을 신경세포의 접합후 막 가까이에 조심스럽게 놓고, 피펫을 통해 전류를 흘리면 전달물질 후보가 극소량 방출된다. 접합후 신경세포내 미세전극은 막전위에 대한 전달물질 후보의 효과를 측정하는데 사용된다.

수용체 연구(Studying Receptor)

신경전달물질은 특이적 수용체에 결합함으로써 접합후 효과를 나타낸다. 대체로 두가지 신경전달물질이 동일한 수용체에 결합하지는 않지만, 동일한 신경전달물질이 여러 가지 다른 수용체에 결합 할 수 있다. 신경전달물질이 결합하는 여러 가지 다른 수용체들을 수용체 아형(receptor subtype)이라 한다. 예를 들어, ACh은 두가지 다른 콜린성 수용체 아형에 작용한다. 하나는 골격근에, 다른 하나는 심근에 있는 수용체에 작용한다.

다양한 신경전달물질계의 여러 가지 수용체 아형을 연구하기 위하여 거의 모든 생물학적 화학적 분석이 시도 되었다. 접합 전달의 신경약리학적 분석과 리간드-결합(ligant-binding) 방법, 수용체 단백질의 분자적 분석의 세가지 접근방법이 특별히 유용한 것 같다.

신경약리학적 분석(Neuropharmacological analysis)

수용체 아형에 대해 알려진 많은 부분은 신경약리학적 분석을 사용하여 밝혀진 것이다. 예를 들어, 골격근과 심근에 있는 콜린성 수용체는 여러 가지 약물에 다르게 반응하는 서로 다른 아형이다. 담배(tobacco) 식물에서 유도된 니코틴(nicotine)은 골격근에서 콜린성 수용체 효현제이지만 심장에서 아무런 효과가 없다. 반면에 독을 가진 버섯종에서 유도된 무스카린(muscarine)은 골격근에서 효과가 없고 심장에서 콜린성 수용체 효현제이다. ACh은 심장과 골격근에 모두 작용한다. 그래서 두가지 ACh 수용체 아형은 니코틴과 무스카린의 작용에 의해 구별될 수 있다. 그리고 실제 이들 효현제의 이름을 따라서 수용체 아형의 이름을 골격근에서 니코틴성 수용체(nicotinic receptor), 심장에서 무스카린성 수용체(muscarinic receptor)라 부른다. 이들 두 개의 ACh 수용체 아형에 작용하는 선택적 길항제도 구별된다. 화살촉에 묻혀 사냥에 사용되었던 큐라레(curare)는 니코틴성 수용체에서 ACh의 작용을 방해하여 근 마비(paralysis)를 일으키고, 벨라도나(belladonna) 식물에서 유도된 아트로핀(atropine)은 무스카린성 수용체에서 ACh을 길항하여 동공 확대와 같은 효과를 나타낸다.

글루타메이트 수용체 아형을 구별하는데 여러 가지 약들이 사용되었다. AMPA 수용체, NMDA 수용체, kainate 수용체 등 세가지 아형이 있다. 수용체의 이름은 각 수용체 아형에 작용하는 효현제의 이름을 따랐다. (AMPA는 alpha-amino 3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate, NMDA는 N-methyl-D-aspartate를 의미한다.) 글루타메이트는 이들 세가지 아형 모두를 활성화시키지만, AMPA는 AMPA 수용체에 작용하고, NMDA는 NMDA 수용체에만 작용한다.

NE 수용체는 α-수용체와 β-수용체 두 가지 수용체 아형으로 존재하고, GABA 수용체는 GABA_A 수용체와 GABA_B 수용체 아형으로 존재한다. 사실 거의 모든 신경전달물질계에 대해 약물에 의한 수용체 아형의 구분 방식이 적용될 수 있다. 그래서, 선택적 약물은 수용체의 하부단위를 구별하는데 매우 유용하였다(표. 몇가지 수용체 아형의 신경약리학)

덧붙여, 신경약리학적 분석은 다양한 뇌기능에 신경전달물질계의 기여를 조사하는데 매우 중요하다.

수종의 수용체 아형의 신경약리학적 구분
neurotransmitter	Receptor Subtype	Agonist	Antagonist
Acetylcholine (ACh)	Nicotinic receptor Muscarinic receptor	Nicotine Muscarine	Curare Atropine
Norepinephrine (NE)	α receptor β receptor	Phenylephrine Isoproterenol	Phenoxybenzamine Propranolol
Glutamate	AMPA NMDA	AMPA NMDA	CNQX AP5
GABA	GABAA GABAB	Muscimol Baclofen	Bicuculine Phaclofen

 

리간드 결합 방법(ligand-binding method)

신경전달물질계 연구의 첫 단계는 신경전달물질을 규명하는 것이라고 앞에서 언급하였다. 그러나 많은 약물들이 신경전달물질 수용체와 선택적으로 상호작용한다는 1970년대의 발견과 함께 수용체에 작용하는 신경전달물질이 규명되기 전에도 수용체를 분석하기 위해서 약물이 사용될 수 있음을 인식하였다. 이러한 접근의 선구자는 존스 홉킨스 대학(Johns Hopkins University)의 솔로몬 스나이더(Solomon Snyder)였다(아편계 수용체의 발견-Solomon Snyder).

스나이더와 그의 제자 퍼트(Candace Pert)가 원래 해결하려던 문제는 헤로인(heroin)이나 모르핀(morphine), 기타 아편계(opiate) 화합물이 어떻게 뇌에 효과를 미치는가였다. 그들은 아편계 약이 신경막의 특이적 수용체에 효현제일 것이라는 가설을 세우고, 이를 검증하기 위하여 방사능 표지된 아편계 화합물을 뇌의 여러부분에서 분리한 신경막에 소량씩 적용하였다. 수용체가 막에 존재한다면 표지된 아편계 화합물은 수용체와 단단하게 결합할 것이다. 방사능 표지된 약물은 뇌의 일부 신경세포의 막에 있는 특이적 장소를 표지하였다. 아편계 수용체의 발견 후에 이들 수용체에 작용하는 생체내 신경전달물질, 즉, 내인성 아편계 화합물 또는 엔돌핀(endorphin)을 규명하기 위한 연구가 시작되었다. 곧 엔케팔린(enkephalin)이란 펩타이드가 이들 수용체에 작용하는 신경전달물질이라는 것이 밝혀졌다. 이어서 신경약리학적 분석은 엔케팔린이 아편계 수용체의 몇가지 아형에 작용한다는 것을 보여주었다.

수용체의 특이적 부위에 결합하는 화학물질은 그 수용체에 대한 리간드(ligand)라 불린다. 리간드라는 말은 라틴어의 "결합하다(to bind)"에서 유래되었다. 방사능 표지된 리간드를 사용하여 수용체를 연구하는 기술은 리간드 결합 방법(ligand-binding method)라 한다. 수용체에 대한 리간드는 효현제, 길항제, 심지어는 신경전달물질 그자체가 될 수 있다. 리간드 결합 방법은 뇌에서 여러 가지 신경전달물질 수용체의 해부학적 분포를 파악하는데 굉장한 가치를 가진다.

opiate 수용체를 분류하고 각 수용체의 분자구조적 특징과 기능적 특징을 기술하고, 각 수용체에 작용하는 효현제, 길항제의 2차원적 구조를 그려라. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '3'인 학생)

분자적 분석(Molecular analysis)

지난 10년간은 단백질 분자를 연구하는 새로운 방법 덕택에 신경전달물질 수용체에 대한 정보가 폭증했다. 이러한 방법으로 얻어진 정보는 신경전달물질 수용체 단백질을 전달물질-개폐 이온 통로(transmitter-gated ion channel) 및 G-단백 결합 수용체(G-단백질-coupled receptor)의 두 군으로 나눌 수 있게 하였다.

분자 신경생물학자들은 많은 단백질들을 구성하는 폴리펩티드의 구조를 결정했고 이러한 연구는 몇가지 깜짝 놀랄 결과를 이끌어내게 했다. 수용체 아형의 다양성은 여러 가지 약물의 작용으로부터 이미 기대되었지만, 다양성의 정도는 기능적 수용체의 하부단위로서 얼마나 다양한 폴리펩타이드들이 제공될수 있는지를 결정되고 나서야 평가되었다.

예로, 전달물질-개폐 이온 통로인 GABA_A 수용체를 고려해 보자. 이 통로는 α,β,γ,δ,ε라는 다섯 개의 주된 하부단위 단백질로 만들어진다. 그러나 α-subunit로써 적어도 6개의 다른 폴리펩타이드들(alpha1-6)이 서로 대체될 수 있고, 세가지의 폴리펩타이드(beta1-3)가 βsubunit로써 대체될 수 있고, 두 개의 폴리펩타이드(gamma1-2)가 γsubunit으로 대체될 수 있다. 비록 이것이 최종적인 숫자는 아니지만 흥미로운 계산을 위해서 이 숫자들을 사용해 보자. GABA_A 수용체-개폐 통로를 형성하는데 5개 하부단위가 필요하고 선택할 수 있는 하부단위는 13개 이다. 그렇다면 하부단위의 가능한 조합은 74,269개 이다. 이것은 GABA_A 수용체의 74,269개 아형이 존재할 수 있다는 것을 의미한다.

하부단위의 가능한 조합 중 대부분은 신경세포에서 결코 만들어지지 않거나 만들어지더라도 제대로 작동되지 않을 것임을 알아야 한다. 앞의 수용체 아형의 신경약리학에 관한 표에 나타난 수용체 분류는 여전히 유효하지만 뇌에서 가능한 수용체 아형의 다양성을 과소평가하고 있다.

신경전달물질 화학(Neurotransmitter Chemistry)

주된 신경전달물질은 아미노산과 아민, 펩타이드이다. 진화는 보수주의적이고 기회주의적이어서 흔히 새로운 용도에 흔하고 익숙한 것들을 접목시킨다. 이러한 방식이 신경전달물질의 진화에 있어서도 사실인 것 같다. 대부분에 있어서 신경전달물질들은 생명의 기초 화학물질과 유사하거나 동일하다. 세균에서부터 기린에 이르기까지 모든 종의 세포들이 대사에 사용하는 것과 동일한 물질을 신경전달물질로 사용되고 있다. 단백질을 만드는 기본 단위인 아미노산은 생명체에 필수적인 것이다. 알려진 신경전달물질의 대부분은 (1) 아미노산, (2) 아미노산에서 유도된 아민, (3) 아미노산으로 만들어진 펩타이드 이다. 예외적으로 ACh은 미토콘드리아에서 세포호흡의 보편적 산물인 acetyl CoA와 신체의 지방대사에 중요한 물질인 choline에서 유도된다.

아미노산과 아민 신경전달물질은 각각 다른 신경 집단에 저장되어 있다가 유리된다. 헨리 데일(Henry Dale)에 의해서 확립된 규칙은 신경세포들을 신경전달물질에 따라 상호 배타적인 군(콜린성, 글루타메이트성, 가바성 등등)으로 분류하는 것이다. 신경세포가 신경전달물질에 관한 점에서 독특한 정체성을 가진다는 생각은 흔히 데일의 원리(Dale's principle)라 불린다. 엄격히 말해서 펩타이드를 가지는 많은 신경세포들은 보통 아미노산이나 아민 중에서 한가지와 펩타이드 등의 둘 이상의 신경전달물질을 유리하기 때문에 데일의 원리를 어기고 있다. 그럼에도 불구하고 아미노산과 아민 신경전달물질들은 동일한 신경세포에 같이 존재하지 않는다.

콜린성 신경세포(Cholinergic Neurons)

ACh은 신경근 연결에 존재하는 신경전달물질이다. 따라서 이것은 척수안의 모든 운동 신경세포에서 합성된다. 다른 콜린성 세포들이 말초신경계와 중추신경계의 특정 회로의 기능에 기여하는 것에 대해서는 뇌와 행동의 화학적 조절에서 보게 될 것이다.

ACh 합성은 콜린 아세틸트랜스페라제(choline acetyltransferase, ChAT)라는 특이적 효소를 필요로 한다. 모든 접합전 단백질과 마찬가지로 ChAT는 세포 몸체에서 만들어져서 축삭 말단으로 운송된다. 오직 콜린성 신경세포만이 ChAT를 포함하고 있으므로 이 효소는 신경전달물질로 ACh을 사용하는 세포에 대한 훌륭한 표식이 된다. ChAT는 축삭 말단의 세포질안에서 ACh을 합성하고, ACh 운송자(transporter)는 접합 소포내에 ACh를 농축한다.

ChAT는 acetyl CoA로부터 아세틸기(acetyl group)를 콜린(choline)으로 전달한다(아세틸콜린의 합성과 분해). 콜린의 근원은 세포외액인데 아주 낮은 마이크로몰라 농도로 존재한다. 콜린은 특이적 운송자를 통하여 콜린성 축삭 말단으로 섭취된다. 콜린의 이용도(availability)가 축삭 말단에서 합성되는 ACh의 양을 제한하기 때문에 신경세포안으로 콜린의 운송이 ACh 합성의 속도-제한 단계(rate-limiting step)로 일컬어 진다. 콜린성 접합 전달의 결함이 있는 어떤 질병에 대해서 뇌에서 ACh 수준을 증가시키기 위해 식이적 콜린 보충이 처방되기도 한다.

콜린성 신경세포는 ACh 분해효소인 아세틸콜린에스테라제(acetylcholinesterase, AChE)도 만든다. AChE은 접합 간극으로 분비되고 이것은 콜린성 축삭 말단 막과 연관된다. 그러나 AChE은 몇몇 비콜린성(noncholinergic) 신경세포들에 의해서도 만들어지기 때문에 이 효소들은 ChAT만큼 콜린성 접합에 대한 유용한 표식이 되지 못한다.

AChE은 ACh을 콜린과 아세트산(acetic acid)으로 분해한다(그림. 아세틸콜린의 합성과 분해). 이렇게 해서 생긴 대부분의 콜린은 콜린성 축삭 말단으로 섭취되고 ACh 합성에 재사용된다. AChE가 신경가스와 살충제의 표적이 된다. AChE의 억제는 ACh의 파괴를 막고 골격근과 심근의 콜린성 접합 전달을 파괴한다. 급성 효과는 심박동수와 혈압을 현저한 감소이다. 그렇지만 AChE의 비가역적 억제로 인한 사망은 호흡 마비(respiratory paralysis)의 결과 때문이다.

콜린성 수용체

콜린성신경계의 구성과 기능을 기술하시오.(제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '4'인 학생)

카테콜아민성 신경세포(Catecholaminergic Neurons)

아미노산인 티로신(tyrosine)은 카테콜(catechol)이라는 화학구조를 포함하는 세가지 아민 신경전달물질의 전구체이다(그림). 이 물질들을 합하여 카테콜아민(catecholamine)이라 한다. 이 카테콜아민 신경전달물질은 도파민(dopamine, DA), 노르에피네프린(norepinephrine, NE), 에피네프린(epinephrine, E)이다(카테콜 및 카테콜아민 신경전달물질). 카테콜아민 신경세포는 운동, 기분, 주의집중, 내장 기능의 조절 조절에 관련된 신경계 영역에서 발견된다.

모든 카테콜아민 신경세포는 tyrosine hydroxylase(TH)라는 효소를 포함하고 있고, 이것은 카테콜아민 합성의 첫단계인 tyrosine을 도파(dopa)라는 물질로 변환하는 과정을 촉매한다(카테콜아민 합성). TH의 활동이 카테콜아민 합성에 대한 속도-제한 단계이다. 이 효소의 활동은 축삭 말단의 세포질내 여러 가지 신호들에 의해 조절된다. 예를 들어 축삭 말단에서 카테콜아민 유리의 감소는 세포질내 카테콜아민 농도의 상승을 초래하여 TH를 억제한다. 이러한 형태의 조절을 최종산물 억제(end-product inhibition)라 부른다. 반면에 카테콜아민이 빠른 속도로 유리되고 있는 기간 동안에 신경전달물질의 유리에 동반한 [Ca²⁺]i의 증가가 TH 활동의 증가를 촉발하고 따라서 신경전달물질 공급이 요구를 따라 잡는다. 더하여 자극의 기간이 지속되면 효소에 대한 mRNA의 합성이 증가하게 한다.

도파는 효소 dopa decarboxylase에 의해서 신경전달물질 도파민(dopamine, DA)으로 변환된다(그림). dopa decarboxylase는 카테콜아민 신경세포에 풍부하게 존재하기 때문에 합성되는 도파민의 양은 이용가능한 도파의 양에 달려있다. 파킨슨 병(Parkinson's disease)이라 불리는 운동 장애의 경우에 뇌에 있는 도파민성 신경세포는 천천히 퇴화하여 결국 죽게 된다. 파킨슨 병의 치료 전략은 도파를 투여하는 것이다. 도파 투여는 살아있는 신경세포에서 DA 합성을 증가시키고 유리될 수 있는 DA의 양을 증가시킨다.

신경전달물질로서 NE을 사용하는 신경세포는 TH, dopa decarboxylase와 함께 dopamine-β-hydroxylase(DBH)라는 효소를 포함하는데 이 효소는 도파민을 노르에피네프린으로 변환한다(그림). DBH는 세포질에서 발견되지 않고 접합 소포내에서 위치한다는 사실은 매우 흥미롭다. 그래서 노르아드레나린성 축삭 말단에서 DA는 세포질에서 접합소포로 전송되고 거기서 NE으로 만들어진다 .

카테콜아민 신경전달물질의 합성의 마지막은 에피네프린 또는 아드레나린(adrenaline)이다. 아드레나린성 신경세포는 NE을 에피네프린으로 변환시키는 phentolamine N-methyltransferase(PNMT)라는 효소를 포함한다(그림). 흥미롭게도 PNMT는 아드레나린성 축삭 말단의 세포질내에 있다. 따라서 NE이 먼저 소포안에서 합성되고 세포질로 유리되어 세포질에서 에피네프린으로 변환되고 다시 소포내로 운송된다. 뇌에서 신경전달물질로 제공되는 것 이외에도 에피네프린은 부신(adrenal gland)에서 혈류로 유리된다. 순환하는 에피네프린은 조화된 내장 반응을 만들기 위해 몸 전체에 있는 수용체에 작용한다.

접합 간극내 카테콜아민의 작용은 축삭 말단으로 신경전달물질의 선택적 섭취에 의해 끝나게 된다. 이 단계는 여러 가지 많은 수의 약물에 민감하다. 예를 들어 암페타민(amphetamine)과 코카인(cocaine)은 카테콜아민 섭취를 억제해서 간극내에서 신경전달물질의 작용을 지속시킨다. 일단 축삭 말단내로 섭취되어 들어간 카테콜아민은 재사용되기 위해서 접합 소포내로 다시 재충전되거나 미토콘드리아의 바깥막에서 발견되는 monoamine oxidase(MAO)의 작용으로 효소적으로 파괴된다.

노르아드레나린성 수용체

도파민성 수용체

노르아드레나린성계의 구성과 기능을 기술하시오. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '5'인 학생)

도파민성계의 구성과 기능을 기술하시오. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '6'인 학생)

세포토닌성 신경세포(Serotonergic Neurons)

아민 신경전달물질인 세로토닌(serotonin) 혹은 5-hydroxytryptamnie(5-HT)은 아미노산인 트립토판(tryptophan)에서 유도된다. 세로토닌성 신경세포는 비교적 그 수가 적지만 기분과 감정적 행동, 수면을 조절하는 뇌 계통에서 중요한 역할을 하는 것 같다.

세로토닌의 합성은 도파민의 합성과 마찬가지로 2단계로 일어난다. 트립토판은 tryptophan decarboxylase에 의해 중간 산물인 5-hydroxytryptophan(5-HTP)으로 변환되고 이것은 다시 5-HTP decarboxylase에 의해서 5-HT로 변환된다. 세로토닌 합성은 신경세포 주위의 세포외액에 존재하는 트립토판의 이용도에 의해 제한된다. 뇌의 트립토판의 근원은 혈액이고 혈액 트립토판의 근원은 음식이다. 따라서 음식에서 트립토판이 부족하면 빠르게 뇌의 세포토닌 고갈을 초래한다.

축삭 말단으로부터 유리된 5-HT는 특이적 운송자(transporter)의 작용에 의해서 접합 간극으로부터 제거된다. 세로토닌 재섭취 과정은 카테콜아민 재섭취와 같이 여러 가지 많은 약물들에 민감하다. 예를 들어 fluoxetine(상품명 프로작(Prozac))을 포함하여 임상적으로 중요한 몇몇 항우울제들은 세로토닌 재섭취를 선택적으로 억제한다. 일단 축삭 말단에 들어오게 된 세로토닌은 접합 소포에 재충전되거나 MAO에 의해 분해된다.

세로토닌성 수용체

세로토닌성계의 구성과 기능을 기술하시오. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '7'인 학생)

아미노산성 신경세포(Amino Acidergic Neurons)

아미노산인 글루타메이트(glutamate). 글리신(gylcine), 가바(GABA)는 대부분의 중추신경게 시냅스에서 신경전달물질로 제공된다. 이 중에서 오직 GABA만이 신경전달물질로서 사용되는 신경세포에만 독특한 아미노산이고, 나머지는 단백질을 구성하는 20종류의 아미노산에 속하는 것이다.

글루타메이트와 글리신은 세포내 존재하는 효소를 이용하여 포도당이나 다른 전구체로부터 유도된다. 이 아미노산의 합성에 있어서 신경세포간의 차이점은 양적인 차이에 있다. 예를 들어 글루타민성 축삭 종말의 세포질내의 글루타메니트의 평균 농도는 약 20mM정도로 비글르타메이트성 신경세포내의 농도보다 2-3배 높다. 그렇지만 글루타메이트성 신경세포와 비글루타메이트성 신경세포 사이의 더 중요한 구별은 접합소포를 충전시키는 운송자(vesicular transporter)에 있다. 다른 세포에서와 달리 글루타메이트 축삭 말단에 있는 소포의 글루타메이트 운송자가 접합 소포내 글루타메이트 농도를 약 50 mM까지 축적시킬 수 있다.

가바는 단백질을 구성하는 20종류의 아미노산 중 하나에 속하지 않기 때문에 가바를 신경 전달물질로 사용하는 신경세포안에서만 합성된다. 가바의 전구체는 글루타메이트이고 주요 합성 효소는 glutamic acid decarboxylase(GAD)이다. 그래서 GAD는 가바성 신경세포의 중요한 표식이 된다. 면역세포화학적 연구는 가바성 신경세포가 뇌에서 광범위하게 분포되어 있음을 보여주었다. 가바성 신경세포는 신경계에서 접합 억제의 주된 근원이다.

아미노산 신경전달물질의 접합 작용은 접합전 말단과 아교세포의 선택적 섭취에 의해 종결된다.

글루타메이트성 수용체

억제성 아미노산 수용체

기타 신경전달물질 후보 및 세포내 매개인자(messenger)

아민과 아미노산에 덧붙여 몇몇 다른 작은 분자들은 신경세포들사이에서 화학적 매개인자로 제공될 수 있다. 예를 들어 연구자들은 최근에 ATP에 초점을 맞추고 있다. 이 분자는 세포 대사에 있어서 핵심 분자이면서 신경전달물질로서의 가능성을 가진다. ATP는 중추신경계과 말초신경계의 많은 시냅스의 소포내 존재하면서 Ca²⁺-의존적 방식으로 간극내로 유리된다. ATP는 양이온 통로를 열어 몇몇 세포를 직접적으로 흥분시킨다. 이런 의미에서 ATP의 신경전달물질 기능의 일부는 글루타메이트의 기능과 유사하다.

세포간 교신을 위해 제시된 가장 최근의 이색적인 화학 매개인자는 산화질소(nitric oxide, NO)이다. 일산화탄소(carbon monoxide)도 증거가 빈약하지만 매개인자로 제시되었다. 이 두가지 물질은 모두 내연 엔진으로부터 나오는 주 공기 오염물질이다. NO는 신체의 많은 세포에서 아미노산인 arginine으로부터 만들어지고 강력한 생물학적 효과를 가진다. 신경계에서 NO는 고유한 기능을 가진 것 같다. 그것은 소포가 아닌 방법으로 접합후 신경세포에서 유리되어 접합전 말단에 작용하는 것 같다. "후(post)"에서 "전(pre)"의 방향으로 교신은 역행성 교신(retrograde communication)이라 불린다. NO는 역행성 매개인자(retrograde messenger)라고 일컬어진다. 작은 NO 분자는 막 투과성 분자이기 때문에 다른 어떤 전달물질보다 자유롭게 확산될 수 있고 심지어는 한세포를 통과하여 다른 세포에 까지 영향을 줄 수 있다. 그것의 영향은 그것을 유리하는 세포의 장소에 국한되지 않고 오히려 국소 조직 전역을 통하여 퍼질 수 있다. 한편 NO는 소멸성으로 매우 빨리 파괴된다. 이 기체 전달물질의 기능은 광범위하게 연구되고 있고 뜨거운 논란이 되고 있다.

신경전달물질의 화학이란 주제를 마무리하기 전에 신경전달물질이라고 하는 많은 화학물질들이 몸의 비신경성 부분에 높은 농도로 존재할 수 있다는 사실을 다시 한번 지적하고 싶다. 화학물질은 신경계에서 교신을 매개하기도 하지만 다른 곳에서는 완전히 다른 기능을 매개하기도 한다. 물론 아미노산은 신체의 단백질을 만들기 위해 사용되고, ATP는 모든 세포의 에너지의 근원이다. 일산화질소는 내피세포(endotherial cell)에서 분비되고 혈관 평활근의 이완을 야기한다. 가장 높은 농도의 ACh을 가진 세포는 뇌에 있는 것이 아니라 각막(cornea)에 있다. 비슷한 경우로 세로토닌농도가 가장 높은 곳은 신경세포가 아니라 혈소판이다. 이러한 관찰은 화학물질이 신경전달물질의 역할로 규정되기 전에 먼저 철저한 분석을 강조하고 있다.

전달물질-개폐 이온 통로(Transmitter Gated Ion Channels)

앞에서 ACh와 아미노산 신경전달물질이 빠른 접합 전달을 매개한다고 배웠다. 이 통로는 아주 작고 멋진 기계이다. 한 개의 통로는 화학물질과 전압에 민감한 검출기(detector)이고, 그것은 매우 정확하게 놀랄만큼 큰 전류의 흐름을 조절하고, 비슷한 이온들을 구별하여 가려내고, 다른 수용체 계통에 의해 조절될 수 있다. 그러나 각 통로는 길이가 단지 11nm에 불과하여 최상의 컴퓨터로 질을 높인(computer-enhanced) 전자현미경적 방법으로 겨우 보일 수 있다.

전달물질-개폐 통로의 기본 구조

가장 철저히 연구된 전압-개폐 이온 통로는 골격근에 있는 니코틴성 ACh 수용체이다. 이것은 막을 통과하는 술통(barrel)의 통널처럼 배열된 5개 단백질 하부단위(subunit)로 구성된 오량체(pentamer)이다. 네 개의 폴리펩티드가 니코틴성 수용체의 하부단위로 사용되는데, 이것들은 각각 α,β,γ,δ라 한다. 완전한 통로는 두 개의 α단위와 한 개씩의 β,γ,δ단위로 이루어진다(줄여서 α₂βγδ). 알파 단위의 각각에 ACh 결합부위가 있고, 통로가 열리기 위해서는 양쪽 모두에 ACh가 결합해야 한다.

비록 각각의 하부단위가 각기 다른 일차적 구조를 가질지라도 서로가 유사한 아미노산 배열을 가진 부분이 있다. 예를 들어, 각 하부단위 폴리펩타이드는 알파 헬릭스(alpha helix)로 꼬이게 될 4개의 분리된 절편을 가진다. 이들 절편의 아미노산 잔기들은 소수성(hydrophobic)이므로 네 개의 알파 헬릭스는 막을 뚫고 놓여 있다고 생각되어진다.

뇌에 있는 많은 다른 전달물질-개폐 통로의 하부단위의 일차 구조는 추론되고 있는데 명백한 유사성이 존재한다. 모두가 막에 걸쳐져 있는 네 개의 절편을 포함하는데(글루타메이트-개폐 통로의 하부 단위는 절편이 한 개 더 있다.) 네 개의 절편들은 대략적으로 같은 위치에 유지되고 있다. 대부분의 통로는 오량체 복합체로 생각되고 있다. 이러한 일차구조의 유사성보다 더욱 흥미로운 것은 아마도 통로의 반응의 다양성이다. 서로 다른 전달물질 결합 부위가 어떤 통로는 글루타메이트에 반응하게 하는 반면 어떤 통로는 가바에 반응하게 한다. 좁은 이온 구멍 주위에 있는 어떤 아미노산들은 몇몇 통로를 통해서 오직 Na⁺, K⁺만 흐르도록 하고 다른 몇몇 통로를 통해서는 오직 Ca²⁺만 흐르게 하고, 또 다른 몇몇 통로를 통해서는 Cl^-만 흐르도록 한다.

아미노산-개폐 통로

아미노산-개폐 통로는 중추신경계의 대부분의 빠른 접합 전달을 매개한다. 감각계, 기억, 질병 같은 매우 이종의 주제에서 중심이 된다. 이러한 통로들의 여러 가지 특성은 그들을 서로 구별시켜 주고 뇌내에서 그들의 기능을 결정한다.

• 통로 결합부위의 약리학은 어떤 전달물질이 통로에 영향을 주고 약물이 어떻게 통로에서 상호작용하는가를 기술한다.
• 전달물질의 결합과정과 통로 개폐의 역동학(kinetics)은 통로 효과의 기간을 결정한다.
• 이오 통로의 선택성은 통로가 흥분을 일으키는지 억제를 일으키는지, 또 Ca²⁺가 의의있는 양 으로 세포내 들어오는지를 결정한다.
• 열린 통로의 전도도는 통로 효과의 크기를 결정하는데 도움을 준다.

  이들 특성은 통로의 분자적 구조에 따른 직접적인 결과이다.

  글루타메이트-개폐 통로(Glutamate-Gated Channels)

  세가지 글루타메이트 수용체 아형은 그들의 선택적인 효현제인 AMPA, NMDA, kainate의 이름을 가지고 있다. 이들이 글루타메이트-개폐 통로이다. AMPA-개폐 통로와 NMDA-개폐 통로는 뇌에서 다량의 빠른 흥분성 접합 전달을 매개한다. kainate 수용체는 뇌 전역에 걸쳐 존재하지만 기능은 잘 알려져 있지 않다.

  AMPA-개폐 통로는 Na⁺와 K⁺에 대해 모두 투과성이 있다. 정상적 음성 막전위 상태에서 통로 활성화의 효과는 세포내로 Na⁺ 이온의 유입으로 빠르고 큰 탈분극을 유도한다. 그래서 중추신경계 시냅스의 AMPA 수용체는 니코틴성 수용체가 신경근 연결에서 접합 흥분을 매개하는 것과 거의 동일한 방식으로 흥분성 전달을 매개한다.

  AMPA 수용체는 뇌의 많은 시냅스에서 NMDA 수용체와 공존하기 때문에 대부분의 글루타메이트 의존성 EPSP는 양쪽 수용체에 의해서 기여된 요소를 모두 갖고 있다. NMDA-개폐 통로도 Na⁺을 허용하여 세포의 흥분을 유도하지만 두가지 방식에서 AMPA 수용체와 차이가 난다. (1) NMDA-개폐 통로는 Ca²⁺ 이온에 투과성이 있다. (2) NMDA-개폐 통로를 통하여 안쪽 방향 이온 흐름은 전압-의존성이다. 이러한 성질을 순서대로 살펴보자.

  세포 기능에 있어 세포내 Ca²⁺의 중요성은 매우 특별하다. 이미 Ca²⁺이 접합전 신경전달물질 유리를 촉발한다는 것을 알고 있으며, 접합후 Ca²⁺은 많은 효소들을 활성화시키고 다양한 통로의 열림을 조절하고 유전자 발현에 영향을 줄 수 있다. 세포내 과도한 농도의 Ca²⁺은 세포의 죽음을 초래할 수도 있다(흥분성 독). 기본적으로 NMDA 수용체의 활성화는 광범위하고 지속적인 접합후 신경세포에서 변화를 야기한다. 또한 기억의 분자기전에서 보겠지만 장기 기억(long-term memory)를 이끄는 변화를 야기할 수도 있다.

  NMDA-개폐 통로가 열릴 때 Ca²⁺와 Na⁺은 세포내로 들어가고 K⁺은 세포밖으로 나오지만 안쪽방향 으로 이온 흐름의 크기는 접합후 막전위에 의존적이다. 글루타메이트가 NMDA 수용체에 결합할 때 통로 구멍이 열린다. 그렇지만 정상 휴지막 전위에서 이 통로가 Mg²⁺ 이온에 의해 막혀 있어서 이온들이 자유롭게 통로를 지날 수 없다. 이것이 "마그네시움 차단(magnessium block)"이다. 막이 탈분극될 때는 Mg²⁺이 통로 구멍에서 빠져 나오기 때문에 이온들이 통로를 통해 세포내로 들어가게 된다. 이때 막의 탈분극은 보통 동일한 시냅스 및 이웃 시냅스에서 AMPA 통로의 활성화를 따른다. 그래서 NMDA 통로를 통한 안쪽방향으로 이온 흐름은 전달물질-개폐 더하기 막의 전압-의존적(voltage-dependent)이다. 글루타메이트의 수용체 결합과 막의 탈분극이 시간적으로 일치해야만 통로를 통한 전류가 흐를 것이다(NMDA-개폐 통로를 통한 안쪽방향 이온 흐름. (a) 글루타메이트가 통로를 열리게 하지만 휴지기 막전위에서 구멍은 Mg²⁺에 의해 막혀있다. (b) 막의 탈분극은 마그네슘 차단을 해소시키고 Na⁺과 Ca₂₊이 들어올 수 있게 한다.) 이러한 특성은 중추신경계의 많은 지역에서의 시냅스 통합에 있어서 중요한 영향력을 가진다.

AMPA 수용체와 NMDA 수용체의 구조와 성질을 비교검토하라.(제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '8'인 학생)

가바-개폐 및 글리신-개폐 통로(GABA-Gated and Glycine-Gated Channels)

중추신경계에서 시냅스 억제의 대부분은 가바에 의해 매개되고 나머지가 글리신에 의해 매개된다. 가바_A 수용체와 글리신 수용체는 Cl^- 통로를 개폐한다. 억제성 가바_A와 글리신 수용체는 음이온에 대해 선택적인 반면에 흥분성 니코틴성 ACh 수용체는 양이온에 대해서 선택적이다. 그럼에도 불구하고 이들 수용체의 구조는 매우 유사하다. 글리신-개폐 통로와 ACh-개폐 통로 수용체는 전달물질과 결합하는 β하부단위를 가지고 있지만 α하부단위는 가지고 있지 않다. 가바는 가바 수용체의 α하부단위와 β하부단위 모두에 결합할 수 있다.

뇌에서 시냅스 억제가 과다하면 의식 소실 및 혼수를 야기하고, 모자라면 발작을 야기한다. 그래서 시냅스 억제의 수준은 매우 엄격하게 조절될 필요성이 있다. 가바_A 수용체가 가바 결합부위를 가지고 있으면서 다른 여러 가지 화학물질의 결합부위를 가진다는 사실이 필요성의 이유를 설명할 지도 모른다. 예를 들어, benzodiazepine계(diazepam(Valium) 등)와 barbiturate계(phenobarbital 등)의 두가지 부류의 약물은 각각 가바_A 통로의 바깥면에 특이적 장소에 결합한다. 이들 약물은 단독으로 통로에 거의 작용하지 않는다. 그러나 가바가 존재할 때 benzodiazepine계 약물은 통로 열림의 빈도를 증가시키고, barbiturate계 약물은 통로 열림의 기간을 증가시킨다. 결과적으로 이들 약물은 억제성 Cl^- 흐름을 증가시켜 강한 IPSP와 항진된 억제를 초래한다.

그러나 분명히 약물의 효과를 보여주기 위해 가바 수용체 위에 약물에 대한 특별한 결합부위를 만들어 두지는 않았을 것으로 생각된다. 그래서 benzodiazepine과 barbiturate 결합부위에 결합하는 내인성 리간드가 존재할 것이라는 가정하에 이들 내인성 리간드를 발견하려는 많은 시도가 있어왔고 그러한 리간드가 존재한다는 상당한 증거가 있다.  

가바A 수용체 및 가바B 수용체의 구조와 성질을 비교검토하시오. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '9'인 학생)

G-단백질 연결 수용체(G-protein coupled receptor) 및 효과기

알려진 모든 신경전달물질계에서 다양한 G-단백질 연결 수용체가 있다. 접합 전달을 다룬 장에서 수용체를 통한 신호 전달은 (1) 수용체 단백질에 신경전달물질의 결합, (2) G-단백질의 활성화, (3) 효과기의 활성화의 세 단계로 되어 있다.

G-단백질 연결 수용체의 기본 구조

대부분의 G-단백질 연결 수용체들은 공통 구도를 갖는다. 공통 구도는 막을 가로지르는 7개의 알파 헬릭스로 구성된 단일 펩타이드이다. 폴리펩타이드의 세포외 고리 중 2개는 전달물질 결합 부위를 형성한다. 이 영역의 구조적 변이가 수용체에 결합하는 신경전달물질, 효현제, 길항제의 종류를 결정한다. 세포내 고리 중 2개는 G-단백질에 결합하여 활성화시킨다. 이곳의 구조적 변이가 결합하는 G-단백질의 종류, 결합하는 효과기 단백질의 종류를 결정하여 활성화 되는 반응에 차이를 야기한다.

일부 G-단백질 연결 수용체의 목록이 표에 나와있다(표). 약 100가지 수용체가 기술되어 있다. 이들 대부분은 몇 년전부터 강력한 분자신경생물학 방법이 적용되고부터 알려지게 되었다.

일부 G-단백질 연결 신경전달물질 수용체
Neurotransmitter	Receptor(s)
Acetylcholine(ACh)	Muscarinic receptors(M1, M2, M3, M4, M5)
Glutamate(Glu)	Metabotropic glutamate receptors(mGluR1-7)
GABA	GABAB receptor
Serotonin(5-HT)	5-HT1(A,B,C,Dalpha,Dbeta,E,F), 5-HT2,2F, 5-HT4, 5-HT5alpha,5beta
Dopamine(DA)	D1, D2S,2I, D3, D4, D5
Norepinephrine(NE)	alpha1, alpha2, beta1, beta2, beta3
Enkephalin	mu, delta, kappa

보편적인 G-단백질

G-단백질은 신경전달물질 수용체에서 시작하여 효과기 단백질까지 대부분의 신호 경로에서 공통되는 연결을 보인다. G-단백질은 guanosine triphosphate(GTP)-binding 단백질의 줄임말이다. G-단백질은 실제로 약 20가지 종류의 다양한 계통이 있다. G-단백질 종류보다 훨씬 많은 종류의 전달물질 수용체가 있기 때문에 몇몇 종류의 G-단백질은 여러가지 수용체에 의하여 활성화될 수 있다. 모든 G-단백질은 동일한 기본방식에 따라 동작한다.

1. 각각의 G-단백질은 α,β,γ라는 세 가지 하부단위를 가진다. 휴지 상태에서 guanosine diphosphate(GDP) 분자는 Gα하부단위에 결합하고 이 복합체는 막의 내측면에서 떠 다닌다.
2. 만약 이 GDP에 결합된 G-단백질이 적절한 형의 수용체와  만나고 수용체가 전달물질 분자와 결합되게 되면 G-단백질은 GDP를 유리하여 세포질로부터 얻은 GTP로 대체된다.
3. GTP에 결합된 활성화된 G-단백질은 Gα-하부단위-GTP 및 Gβγ 복합체로 나누어진다. Gα-하부단위-GTP는 여러 효과기 단백질을 자극하기 시작할 수 있다.
4. Gα-하부단위는 GTP를 GDP로 분해하는 효소이다. 그러므로 Gα는 결국 결합된 GTP를 GDP로 변환하므로써 효과기 단백질을 자극하는 활동을 끝낸다.
5. Gα와 Gβγ 하부단위는 함께 되돌아 와서 이 순환을 다시 시작하게 한다.

   최초로 발견된 G-단백질은 효과기 단백질을 자극하는 효과를 가졌다. 이어서 발견된 또 다른 G-단백질은 동일한 효과기 단백질을 억제하는 효과를 가졌다. 그래서 G-단백질을 구분하는데 사용되는 간단한 표현은 자극 효과를 가진 G-단백질을 G_s, 억제 효과를 가진 G-단백질을 G_i로 나타내는 것이다.

G-단백질 연결 효과기 계통

접합 전달에서 G-단백질의 활성화는 두가지 효과기 단백질(G-단백질-개폐 이온 통로 및 G-단백질-활성효소)을 통하여 통하여 효과를 나타낸다. 전자는 어떤 화학적 중간산물을 거치지 않기 때문에 흔히 단축경로라 불리고, 후자는 중간산물을 거치므로 이차 매개인자 다단계 과정이라 불린다.

단축 경로(shortcut pathway)

다양한 신경전달물질들이 단축경로를 사용한다. 한가지 예가 심장에 있는 무스카린 수용체이다. 이 ACh 수용체는 G-단백질을 통하여 포타시움 통로에 연결되어 있다. 이것은 ACh이 심박동을 느리게 하는 이유를 설명한다. 또 다른 예는 신경세포의 가바B 수용체인데 역시 단축 경로에 의해 포타시움 통로에 연결되어 있다.

단축 경로는 신경전달물질이 결합하고 30-100msec 이내에 비교적 빠른 반응이 일어나는 경로이다. 전달물질-개폐 통로 보다는 느리고, 이차 매개인자 다단계 과정보다는 빠르다. 또한 단축 경로는 다른 효과기 계통과 비교하여 매우 국소적이다. G-단백질이 막을 따라 확산될 때, G-단백질은 명백히 아주 멀리까지 움직일 수 없기 때문에 근처의 통로만 영향을 받는다.

이차 매개인자 다단계 과정(second messenger cascade)

G-단백질은 특별한 효소를 직접 활성화시켜 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 효소 활성화는 정교하게 연결된 생화학적 반응을 촉발할 수 있다. 이 다단계 반응은 흔히 신경세포 기능을 변화시키는 "하류(downstream)" 효소의 활성화로 종결된다. 첫 효소와 마지막 효소 사이에 있는 여러 가지 화학적 중간산물을 총괄하여 이차 매개인자(second messenger)라 한다. 신경전달물질에서부터 다단계 반응을 거쳐 하류 효소의 활성화에 이르기까지 연결된 전 과정을 이차 매개인자 다단계 과정(second messenger cascade)이라 한다.

접합 전달에서 NE-β수용체 활성화에 의해 시작된 cAMP 이차 매개인자 다단계 과정을 다룬다. 이 과정은 β수용체가 자극성 G-단백질 Gs를 활성화하므로써 시작하고, 이 Gs는 막결합 효소 adenylyl cyclase를 자극하므로써 진행되고, adenylyl cyclase는 ATP를 cAMP로 변환시킨다. 그래서 생긴 세포질 cAMP의 증가는 pretein kinase A(PKA)라 불리는 특정한 하류 효소를 활성화시킨다.

많은 생화학적 과정은 촉진과 억제에 의해 조절된다. 그리고 cAMP 생산도 예외가 아니다. α2 수용체라 불리는 NE 수용체 아형의 활성화는 억제성 G-단백질인 Gi의 활성화를 초래한다. Gi는 adenylyl cyclase의 활동을 억제한다.

일부 매개인자 다단계 반응은 갈라져 나갈 수 있다. 그림은 다양한 G-단백질의 활성화가 adenylyl cyclase 처럼 막에 떠다니는 효소인 PLC(phospholipase C)를 어떻게 자극할 수 있는지를 보여준다. PLC는 막의 인지질(PIP₂ 또는 phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate)을 잘라서 이차 매개인자로써 작용하는 diacylglycerol(DAG)과 inositol-1.4.5-triphosphate(IP3)의 두 분자를 형성하게 한다. 지용성인 DAG는 막에 떠다니면서 하류 효소인 protein kinase C(PKC)를 활성화시키고, 수용성인 IP₃는 세포질 안쪽으로 확산되어 활면소포체나 다른 막으로 싸인 소기관의 특정 수용체에 결합한다. 이 수용체들은 IP₃-개폐 칼슘 통로이기 때문에 IP₃는 소기관들에 저장되어 있던 Ca²⁺을 배출하게 한다. 이미 언급한 것처럼, 세포질내의 Ca²⁺의 상승은 지속적이고 광범위한 효과를 촉발시킬 수 있다. 그중 한가지 효과는 칼슘-칼모듈린-의존적 protein kinase(CaMK)라는 효소를 활성화시키는 것이다.

글루타메이트는 metabotropic 수용체를 활성화시킨다. cAMP 활성화 및 PKC 활성화의 기전을 기술하시오. (제출대상: 번호의 마지막 숫자가 '0'인 학생)

인산화(phosphorylation) 및 탈인산화(dephospholylation)

많은 이차 매개인자 다단계 반응에서 주요 하류 효소는 protein kinase(PKA, PKC, CaMK)이다. protein kinase는 세포질내 ATP로부터 단백질로 phosphate를 전송하게 한다. 이 반응을 인산화(phosphorylation)라 한다. 단백질에 phosphate기의 첨가는 단백질의 모양을 조금 변화키고 생물학적 활동을 변화시킨다. 예를 들어, 이온 통로의 인산화는 통로의 개폐에 영향을 줄 수 있다.

심근 세포의 β-수용체 활성화는 cAMP의 증가, PKA의 활성화, 세포의 전압-개폐 칼슘 통로의 인산화를 초래하여 통로의 열림을 촉진시켜 Ca²⁺이 유입되어 심장을 강하게 뛰게 한다. 대조적으로 많은 신경세포에서 β-수용체의 자극은 칼슘 통로에 영향을 미치지 않고 몇몇 포타시움 통로를 억제하고 K⁺ 전도도의 감소를 초래하여 약간의 탈분극을 유도하고 길이상수를 감소시키고 신경세포를 더욱 흥분하기 쉽게 만든다.

만약 전달물질에 의해 자극된 kinase가 역전됨이 없이 계속해서 단백질을 인산화시킨다면 모든 단백질이 빠르게 인산화되고 더 이상 조절은 불가능하게 된다. 이를 방지하는 것이 protein phosphatase라는 효소이다. 이 효소는 phosphate기를 제거하는 작용을 가진다. 따라서 어느 시점에 있어서 통로의 인산화 정도는 kinase에 의한 인산화와 phosphatase에 의한 탈인산화의 역동적 균형에 따라 달라진다.

신호 다단계 반응의 기능

전달물질-개폐 통로를 사용하는 접합 전달은 단순하고 빠르다. G-단백질 연결 수용체를 포함하는 전달은 복잡하고 느리다. 그러한 다단계 과정의 잇점이 무엇일까? 한가지는 신호 증폭(signal amplification)이다. 한 개의 G-단백질 연결 수용체는 여러개의 이온 통로 활성화를 초래한다.

신호 증폭은 다단계 반응의 여러 위치에서 일어날 수 있다. 하나의 신경전달물질 분자가 수용체와 결합하면 아마도 10-20개의 G-단백질이 활성화된다. G-단백질은 adenylyl cyclase를 활성화시키고, 이것은 많은 cAMP 분자를 만고, cAMP는 퍼져나가 많은 kinase를 활성화시키고, 각각의 kinase는 많은 통로를 인산화 시킬 수 있다. 만약에 모든 단계의 구성요소들이 집단적으로 함께 묶여 있다면 신호전파가 매우 제한될 것이다. 빠르게 확산될 수 있는 작은 매개인자의 이용은 세포막의 넓은 범위에 걸쳐 먼거리까지 신호 전파를 가능하게 한다. 또한 신호 다단계 반응은 조절을 위한 많은 위치를 제공한다. 결국 신호 다단계 반응은 세포에서 장시간 지속되는 화학적 변화를 생성할 수 있다. 그래서 이러한 변화가 야기할 수 있는 여러 가지 중에 특히 평생동안 형성되는 기억에 대한 기초적인 기전을 제공할 수 있다.

수용체 정리

신경전달물질계에서 분기(divergence)와 수렴(convergence)

글루타메이트는 뇌에 있는 가장 흔한 흥분성 신경전달물질이다. 반면에 가바는 널리 퍼진 억제성 신경전달물질이다. 그러나 이 단순한 내용은 단일 신경전달물질이 많은 다른 효과를 나타낼 수 있기 때문에 전체 줄거리의 일부분일 뿐이다. 글루타메이트 분자는 여러 가지 종류의 글루타메이트 수용체와 결합하여 서로 다른 효과를 매개할 수 있다. 이렇게 한가지 전달물질이 하나 이상의 수용체 아형을 활성화시키는 능력과 한가지 이상의 접합후 반응을 야기하는 능력을 분기(divergence)라 한다.

분기는 신경전달물질계들의 규칙이다. 알려진 모든 신경전달물질은 다양한 수용체 아형을 활성화 시킬 수 있다. 최근에 강력한 분자생물학적 방법으로 수용체의 종류가 계속 밝혀지고 있다. 다양한 수용체 아형이 있기 때문에 한가지 전달물질은 여러 신경세포에 여러 가지 방식으로 영향을 줄 수 있고, 심지어 동일 신경세포의 서로 다른 부분에 영향을 줄 수도 있다. 또한 어떤 G-단백질과 어떤 효과기 계통의 활성화에 따라서 분기는 수용체를 넘어선 지점에서도 일어날 수 있다. 그래서 분기는 전달물질 효과의 어떤 단계에서도 일어날 수 있다

신경전달물질은 또한 효과의 수렴을 나타낼 수 있다. 여러 전달물질은 각각 특이적 수용체를 활성화하지만 동일한 효과기 계통으로 수렴하여 영향을 줄 수 있다. 하나의 세포내에서 수렴은 G-단백질, 이차 매개인자 다단계 반응, 이온 통로의 종류등의 수준에서 일어날 수 있다.

결론

신경전달물질들은 신경세포들 사이, 근세포와 선세포와 같은 신경세포와 다른 효과기 세포 사이의 필수적인 연결체이다. 전달물질을 빠르고 느리게, 또 분기하고 수렴하여 화학적 변화를 초래하는 사건 사슬중 한가지 연결체로 생각하는 것이 중요하다. 뇌에서 정보 망은 신경세포간 신호 전파 경로와 신경세포내 신호 전파 경로의 두가지를 상상해 볼 수 있다. 이 정보망은 신경세포의 요구가 개체의 행동과 함께 변동할 때 망의 효과가 역동적으로 변화하면서 섬세한 균형을 유지하고 있다.

한 개의 신경세포내에서 신경 전파 망은 뇌 자체의 신경망과 약간은 닮았다. 신경세포는 다양한 시간과 장소에서 신경세포를 두드리는 전달물질의 형태로 여러 가지 입력을 받는다. 이들 입력은 일부 신호 경로를 통하여 증가된 힘을 야기하고, 일부 다른 신호 경로를 통하여 감소된 힘을 야기한다. 그래서 정보는 입력의 단순한 합이 아니라 특별한 출력을 만들기 위해 재조합된다. 신호가 신호를 조절하고, 화학적 변화가 지속되는 흔적을 남길 수 있고, 약물은 신호 전파의 힘의 균형을 이동시킬 수 있다. 그래서, 뇌는 뇌의 화학물질 그 자체이다.

수정 2001. 2. 11. 1999. 4. 12 이만기