세포 내에서 신호전달 과정 시 증폭은 어떤 방식으로 일어나나요?
안녕하세요. 세포 내에서 신호가 전달될 때 여러 단계에 걸쳐 신호가 전달되는 과정에서 증폭이 일어난다고 한다던데 어떠한 방식으로 나타나는 것인지 궁금합니다.
안녕하세요.
네, 질문해주신 세포 내 신호전달(signal transduction)에서 말하는 “증폭(amplification)”은, 세포 밖에서 온 작은 자극이나 소수의 리간드 분자가 세포 안에서 연속적인 분자 반응 사슬을 거치면서 수백~수천 배로 커져서 최종적인 생리적 반응을 일으키는 현상을 말하는 것인데요, 예를 들어, 하나의 호르몬 분자가 수용체 단백질에 결합하면, 그 수용체는 단순히 하나의 반응만 일으키는 것이 아니라 여러 개의 G단백질을 차례차례 활성화할 수 있습니다. 즉, 1개의 자극이 10개의 활성화된 단백질로 바뀌는 식으로 신호가 곱셈 효과를 갖습니다. 대표적인 예는 MAP kinase 경로나 protein kinase A 경로가 있는데요, 활성화된 단백질 인산화 효소(kinase)는 여러 개의 기질 단백질을 동시에 인산화할 수 있습니다. 예를 들어, 한 분자의 kinase로부터 수십 개의 다른 단백질 인산화가 일어나고 그 각각이 다시 또 다른 수십 개의 단백질 활성화로 이어질 수 있으며, 이처럼 연속적이고 누적적인 인산화 반응은 지수적으로 신호를 증폭시킵니다. 이때 신호 전달 중간에서 생성되는 cAMP, Ca²⁺, IP₃, DAG 같은 작은 분자들이 대표적인데요, 예를 들어, 하나의 G단백질이 효소(아데닐릴 고리화효소)를 활성화하여 이 효소가 수천 개의 ATP를 cAMP로 전환할 수 있습니다. 이렇게 만들어진 수천 개의 cAMP는 단백질 kinase A 분자 수백 개를 동시에 활성화하여, 다시 수천 개의 단백질을 조절하며, 이 작은 분자들은 빠르게 퍼지고 수적으로 많기 때문에 강력한 증폭 효과를 내는 것입니다. 감사합니다.
1명 평가세포 내에서 신호전달 과정 중 신호 증폭은 주로 연쇄적인 효소 활성화를 통해 일어납니다.
즉, 하나의 신호가 다음 단계로 넘어갈 때마다 반응하는 분자의 수가 기하급수적으로 늘어나는 방식으로, 이 과정은 '신호전달 캐스케이드'라 합니다.
간단히 예를 들어 말씀드리면 소수의 호르몬이 세포막에 있는 수용체에 결합하고, 활성화된 수용체가 여러 개의 G 단백질 같은 세포 내 초기 전달자를 활성화시킵니다. 그럼 활성화된 G 단백질 하나가 다량의 2차 전달자를 생성합니다. 예를 들어, G 단백질이 아데닐산 고리화효소를 활성화하면, 이 효소는 ATP를 cAMP로 변환하며, cAMP의 농도가 급격히 증가하는 것입니다.
그럼 cAMP와 같은 2차 전달자는 특정 단백질 인산화효소를 활성화합니다. 활성화된 단백질 인산화효소는 수십에서 수백 개의 다른 단백질을 인산화시켜 활성화시키게 되는데, 이 과정은 인산화 연쇄 반응을 형성하며, 각 단계에서 신호기가 크게 증폭되는 것입니다.
세포 내 신호 전달 과정에서 증폭은 효소적 연쇄 반응을 통해 일어납니다. 하나의 리간드가 수용체에 결합하면 소수의 G 단백질을 활성화시키고, 이 활성화된 G 단백질은 다수의 아데닐릴 고리화효소를 활성화시킵니다. 활성화된 효소 하나는 수백 개의 cAMP(고리형 아데노신 일인산) 분자를 생성하며, 이 cAMP는 다시 여러 개의 단백질 인산화효소를 활성화합니다. 이처럼 한 단계의 신호가 다음 단계에서 여러 분자를 활성화하는 연쇄 반응을 통해 최초의 미미한 신호가 최종적으로는 매우 강력한 세포 반응을 유도하게 됩니다. 예를 들어, 소수의 아드레날린 분자가 간세포에 결합하면 수만 개의 포도당 분자를 생성하게 되는 것입니다.