[생물 임용 노트]신호 전달 - 2) 세포 내 신호 전달 : GPCR

GPCR(G protein-coupled receptor)

GPCR을 통한 신호 전달은 3가지 필수 요소가 있어야 한다.

• 세포막 수용체 : 7개의 막 횡단 나선 분절이 존재
• 세포막 실행 효소 : 2차 전령을 생산
• G-protein
• α, β, γ 소단위로 구성된 공통 구조를 갖는다.
• 자극이 없을 때 α 소단위에 GDP가 붙어 있으며, 이는 불활성 상태이다.
• 리간드 자극으로 수용체 활성 시 GDP는 GTP로 교체되어 활성화된다.
• 활성화 시 α와 β, γ는 분리되어 표적 단백질에 신호를 전달한다.

β-아드레날린성 수용체와 기작

20~28개의 아미노산 잔기로 구성된 소수성 영역이 7개 존재하여 세포막을 횡단한다.

β-아드레날린성 수용체의 반응 기작

1. 에피네프린이 수용체에 결합
   • 수용체의 세포 내부 영역의 입체 구조를 변화시켜 G_s와 상호작용한다.

2. 결합 수용체가 G_s의 GDP를 GTP로 대체하여 G_s를 활성화한다. 이때 G_s의 βγ 소단위가 α 소단위에서 떨어진다.
3. G_s는 AC(adenylyl cyclase)로 이동하여 활성화한다.
4. AC가 cAMP의 생성을 촉진한다.
5. cAMP가 PKA(protein kinase A)를 활성화한다. 이는 입체 다른 자리 조절 기전(allosteric effect)에 의해 일어난다.
6. PKA가 세포 단백질을 인산화 시켜 에피네프린에 대한 세포 반응을 일으킨다. 이 과정에서 신호 증폭이 일어난다.
7. cAMP가 분해되면서 PKA가 불활성화 된다.
8. 반응 종결은 다음 3가지 요인에 의해 일어난다.
   • 혈중 에피네프린 농도가 Kd 값 이하로 하락
   • G_sα의 GTP 가수분해
   • Cyclic nucleotide phosphodiesterase에 의한 cAMP 분해

민감 소실

에피네프린이 지속적으로 존재하는 동안에도 반응이 약화된다.

민감 소실 기작

1. 수용체에 에피네프린 결합 시 β ARK(β-아드레날린 수용체 카이네이스)는 수용체의 C 말단 근처의 여러 Ser 잔기를 인산화한다. 이는 G_sβγ 소단위체를 활성화한다.(1> ~ 2>)
2. 수용체 인산화는 βarr(β 어레스틴)의 결합 자리를 만들고 βarr의 결합은 수용체와 G-protein 사이의 상호작용을 효과적으로 억제한다.(3> ~ 4>)
3. 수용체의 격리와 세포 내 함입으로 세포 속에 작은 소포를 생성한다. 함입된 소포의 수용체는 탈 인산화된 후 세포막으로 이동해 민감 회복이 일어난다.

cAMP의 기작

세포 밖의 신호는 다른 조직이나 세포에서 매우 다른 효과를 나타낼 수 있다. 이는 조직의 수용체 종류, 수용체 연결, G 단백질의 종류, PKA 등에 의해 인산화된 표적 효소에 의해 결정이 된다.

• 글루카곤, ACTH - 흥분성 기작, cAMP의 농도를 증가시킴
• 소마토스타틴, 프로스타글란딘 - 억제성 기작, cAMP의 농도를 감소시킴

PLC 회로(DAG, IP₃, Ca²⁺ 기작)

PLC 회로 기작

1. 호르몬이 수용체에 결합
2. 결합 수용체가 G_q에서 GDP를 GTP로 교환
3. GTP가 결합한 G_q는 PLC로 이동하여 활성화
4. 활성화된 PLC가 PIP₂를 IP₃와 DAG로 분해
5. IP₃가 E.R.의 특정 수용체에 결합하여 격리된 Ca²⁺를 유리시킴
6. DAG와 Ca²⁺는 세포막 표면의 PKC를 활성화
7. PKC에 의해 세포 반응이 일어남(인산화 기작)
8. 이 과정을 통해 골격, 효소, 유전자 발현, 신경, 면역, 세포 분열 등을 조절

Ca²⁺기작

신경 세포의 exocytosis, 근수축, 아메바 운동 등에 관여한다.
흥분되지 않은 세포는 Ca²⁺ 농도가 E.R., 미토콘드리아 세포막의 Ca²⁺ 펌프에 의해 10^-7M 이하로 낮게 유지된다.
호르몬, 신경 자극 등에 의해 특정 Ca²⁺ 통로를 통해 세포 내로 유입되거나, E.R. 에 저장된 Ca²⁺가 방출되어 세포 반응을 일으킨다.

CaM(calmodulin)

• 독특한 결합 구조인 EF hand가 존재함
• Ca²⁺ 결합으로 입체 구조가 변화해 CaM 카이네이스를 활성화하고, 표적을 인산화하여 그 작용을 조절함
• CaM은 Ca²⁺/칼모듈린 의존성 단백질 카이네스의 소단위를 말한다. 예> 포스포릴레이스b(phosphorylase b)

AC(adenylyl cyclase)와 PDE(phosphodiesterase)는 Ca²⁺에 의해 활성화된다. 이러한 Ca²⁺의 일시적, 공간적 농도 변화는 cAMP 농도의 일시적이고 국소적인 변화를 만들어낸다. 이로 인해 Ca²⁺-cAMP의 crosstalk이 가능해진다.