전위 의존성 나트륨 채널 (Voltage-gated Sodium Channels) | 이달의 분자

243: 전위 의존성 나트륨 채널 (Voltage-gated Sodium Channels)

Author: David S. Goodsell Translator: PDBj

2가지 시점에서 본 전위 의존성 나트륨 채널. 전위를 감지하는 부분은 자홍색이며 보조 서브유닛은 녹색으로 나타냈다. 또한 아래 그림에서는 막의 대략적인 위치를 회색 띠로 나타냈다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

여기 앉아서 이 기사를 쓰다 보면 내 신경계에 다양한 신호가 흘러서 이야기를 어떻게 시작해야 하는지 정리하는 데 도움을 준다. 그리고 당신이 이 말을 읽고 이해할 때도 뇌 속에서 같은 일이 일어난다. 신경 자극은 신경계 전체를 맹렬한 속도로 누비며 세포에서 세포로 신호가 전달되고, 그것이 함께 생각을 구성하거나 행동을 제어한다. 이러한 메시지를 보내는 방법에는 몇 가지 종류가 있다. 신경전달물질과 AMPAR 수용체 등의 수용체에 의한 복잡한 구조에 의해 어떤 세포에서 다음 세포로 시냅스를 넘어 신호가 전달된다. 반면 신경세포의 긴 축삭(axon)을 따라 이루어지는 신호 전파는 그에 비하면 다소 단순하며, 전위 의존성 나트륨 채널(voltage-gated sodium channel)과 이를 보좌하는 단백질에 의해 이루어진다.

신호의 물결

축삭의 막에는 많은 채널이 있으며, 그것들은 막 내외에서의 전위차에 의해 개폐되고 있다. 전위차가 크면 이들 채널은 굳게 닫혀 있지만 차이가 작아지면 잠시 동안만 열려 나트륨 이온이 막을 통과할 수 있게 된다. 신호를 보내려면 몇 가지 간단한 절차가 필요하다. 우선 이온 펌프는 세포 바깥쪽으로 나트륨을 퍼내 채널을 닫은 상태로 만드는 전위차를 만들어낸다. 그리고 막을 넘어 나트륨을 유입시켜 내외의 전위차를 동일하게 만드는 다른 종류의 채널에 의해 신호가 생성된다. 이 과정에 의해 국소적인 전위차가 작아지고 근처에 있는 나트륨 이온 채널이 열린다. 그 채널 주변의 전위도 내려가고 축삭의 더욱 하류에 있는 채널도 열리게 된다. 스포츠 이벤트 시에 경기장에서 행해지는 파도타기처럼 채널이 열리는 동작의 물결이 축삭을 타고 전달되어 최종적으로는 다음 세포까지 도달한다. 물론(생물학에서는 흔히 볼 수 있지만) 실제로는 이렇게 단순하지 않고 칼륨 채널과 기타 단백질도 물결을 개량하는 데 도움이 된다.

전압 감지

우리의 전위 의존성 나트륨 채널(여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 6j8j)은 막을 관통하는 구멍을 만드는 긴 단백질 사슬로 이루어져 있다. 이 구멍 주위에는 전위의 변화를 감지하는 부위가 4개 존재한다. 이 밖에도 몇 가지 추가 서브유닛(녹색으로 나타낸 부분)이 있어 채널의 작용을 조절하고 있다. 전위의 변화를 감지하는 부분에는 양전하를 띤 아미노산의 아르기닌이나 라이신을 몇 개 가진 나선형의 구간이 포함되며, 이것이 국소적인 전압에 반응하여 구멍을 개폐한다.

무서운 독소

테트로도톡신(가운데 있는 녹색으로 나타낸 부분)과 거미 독소(노란색으로 나타낸 부분)가 결합된 전위 의존성 나트륨 채널. 전위의 변화를 감지하는 부분은 자홍색으로 나타냈다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

나트륨 채널은 우리의 뇌와 근육 사이를 오가는 신호를 모두 전송하고 있기 때문에 상상할 수 있듯이 공격을 받으면 영향을 받기 쉽다. 다양한 동물들이 이 채널의 작용을 저해하여 마비를 일으키는 작은 독소를 만들고 있다. 여기에 나타낸 구조(PDB 엔트리 6a95)에는 그러한 독소가 두 가지 나타나 있다. 테트로도톡신(tetrodotoxin)은 복어를 비롯한 다양한 생물이 만드는 치명적 독소로, 채널 한가운데 결합해 물리적으로 구멍을 막아버린다. 반면 거미 독소(노란색으로 나타낸 부분)는 전위의 변화를 감지하는 부분에 결합하여 그 작용을 저해하고 먹이를 마비시킨다. 이 독소들이 꼭 모두 심한 것이라고 말할 수는 없다. 왜냐하면 나트륨 채널의 활동을 어떻게 조절해야 통증이나 다른 질병을 억제할 수 있는지에 대한 힌트를 우리에게 주기 때문이다.

구조 보기

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최근에 세균에서 유래한 보다 단순한 모양을 가진 나트륨 채널에서 전위로 개폐하는 채널의 열린 상태와 닫힌 상태의 스냅샷이 포착됐다. 이 세균에서 유래한 채널은 같은 서브유닛이 4개 모여 우리 세포가 가진 단일가닥으로 된 채널과 비슷한 구조를 만들고 있다. 전위가 내려가면 전위의 변화를 감지하는 부분이 움직이고 중앙의 구멍으로 이어지는 부분이 당겨지는 것을 이 구조(PDB 엔트리 5vb8, 6p6w)는 나타내고 있다. 이 움직임을 보다 자세히 보기 위해 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 이미지로 전환해 보기 바란다.

이해를 높이기 위한 토픽

거미, 전갈 등 유독생물에서 유래한 독소의 구조가 이 외에도 PDB에 다수 등록되어 있습니다. 그중에는 전위 의존성 나트륨 채널에 결합하는 것도 있습니다.
PDB에는 다른 종류의 이온을 통과시키는 전위 개폐형 채널의 구조도 등록되어 있습니다. 나트륨 채널과는 어디가 다르고 어디가 비슷할까요?

참고문헌

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6p6w Wisedchaisri, G., Tonggu, L., McCord, E., Gamal El-Din, T.M., Wang, L., Zheng, N., Catterall, W.A. 2019 Resting-State Structure and Gating Mechanism of a Voltage-Gated Sodium Channel. Cell 178 993-1003
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6a95 Shen, H., Li, Z., Jiang, Y., Pan, X., Wu, J., Cristofori-Armstrong, B., Smith, J.J., Chin, Y.K.Y., Lei, J., Zhou, Q., King, G.F., Yan, N. 2018 Structural basis for the modulation of voltage-gated sodium channels by animal toxins. Science 362 eaau2596
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