251: 아데닐산고리화효소 (Adenylyl Cyclase)

Author: David S. Goodsell Translator: PDBj

전자현미경으로 결정된 아데닐산고리화효소의 구조. 막은 개략적인 위치를 모식적으로 나타내고 있다.
전자현미경으로 결정된 아데닐산고리화효소의 구조. 막은 개략적인 위치를 모식적으로 나타내고 있다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

아데닐산고리화효소(adenylyl cyclase)는 신호 증폭기이다. 호르몬의 결합을 세포에 대한 응답으로 변환하는 신호 전달의 흐름에서 중심적인 역할을 한다. 아드레날린(adrenaline)이나 글루카곤(glucagon) 같은 호르몬이 G단백질 연결 수용체(G-Protein Coupled Receptor, GPCR)에 결합하고, 이것이 G 단백질을 활성화하고 그 다음 아데닐산고리화효소를 활성화한다. 그리고 아데닐산고리화효소는 촉매 반응을 하여 ATP에서 2개의 인산을 잘라내고 남은 인산에 결합을 덧붙인다. 이 결과로 생기는 고리형 AMP(cyclic AMP, cAMP)라는 분자는 방출되어 빠르게 세포 안으로 퍼져나가 다양한 단백질의 기능을 제어한다. 이 역할에서 고리형 AMP는 호르몬이 가져온 원래의 정보를 전달하는 이차 전달자(second messenger)로 불리는 경우가 많다. 추가적인 이점으로는 이 과정에서 신호가 증폭된다. 왜냐하면 아데닐산고리화효소는 활성화되면 많은 고리형 AMP 분자를 만들어내는 효소이기 때문이다.

신호 전달 복합체

고리형 AMP에 의한 신호는 세포의 성장, 발생, 학습, 기억 등 다양한 과정에서 필요한 에너지 공급과 제어를 위해 당 분해와 합성의 균형을 맞추는 중요한 역할을 온몸에서 수행하고 있다. 이 많은 과정을 제어하기 위해 우리 세포는 10종류의 아데닐산고리화효소를 가지고 있다. 그중 9종류는 비슷하게 생겼으며 막 관통 부분과 막의 세포 안쪽에 있는 촉매 도메인으로 구성되어 있다. PDB 엔트리 6r3q는 9형(AC9) 구조를 나타내며, 이 형태는 폐, 뇌, 심장 및 기타 조직에서 볼 수 있다. 이 구조는 G단백질(G Protein)에 결합되어 있어 신호 전달 복합체가 활동하는 모습에 대한 정보를 제공한다.

이차 전달자

이차 전달자(second messenger)는 매우 중요하므로 아데닐산고리화효소는 대부분의 생물에서 발견된다. 세균의 경우 아데닐산고리화효소에 의해 만들어진 고리형 AMP는 이화(異化) 활성제 단백질(catabolite activator protein)에 의해 검출되어 이것이 세포의 전체 에너지 균형을 제어하는 데 도움이 되고 있다. 우리 세포는 가용성의 아데닐산고리화효소(예: PDB 엔트리 4clk, 여기에 나타나지 않음)를 갖고 있어 9회 막에 결합하는 형태와는 상당히 다르다. 그리고 이것은 중탄산염이나 이산화탄소의 농도 감지에 관여하고 있다. 이 효소들은 극히 나쁜 목적으로 사용되기도 한다. 예를 들어 탄저균은 감염처의 개체 내에서 신호 전달을 방해하는 아데닐산고리화효소로 작용하는 부종 인자 단백질(edema factor protein)을 만든다.

이온 채널의 활성화

고리형 AMP에 결합한 과분극 활성화 이온 채널 HCN1의 구조. 아래에 나타낸 고리형 AMP의 확대도에서 6원환화한 인산의 위치를 별표로 나타냈다.
고리형 AMP에 결합한 과분극 활성화 이온 채널 HCN1의 구조. 아래에 나타낸 고리형 AMP의 확대도에서 6원환화한 인산의 위치를 별표로 나타냈다. 고해상도 TIFF 이미지는이쪽。

고리형 AMP는 다양한 단백질을 제어하고 있다. 예를 들어 PKA(고리형 AMP 의존성 단백질 키나아제, cAMP-dependent protein kinase)는 고리형 AMP에 의해 활성화되어 에너지 이용을 제어하는 다양한 다른 단백질을 인산화한다. HCN1(과분극 활성화 이온 채널, hyperpolarization-activated ion channel)은 페이스메이커 심장이나 신경세포의 이온 유입 및 유출과 관련된 전위 개폐형 채널이다. 여기에 나타낸 구조는 PDB 엔트리 5u6p의 구조로서, 동일한 서브유닛이 4개 모여 이온 채널을 구성하고 있으며, 각각에 고리형 AMP가 결합되어 있다. 고리형 AMP가 결합함으로써 채널의 활성이 올라가고 결국 심박수를 상승시킨다.

구조 보기

아데닐산고리화효소와 G단백질

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초기에 밝혀진 아데닐산고리화효소의 구조는 대부분 촉매 도메인만을 사용하여 결정된 것이었다. 그것은 막 단백질의 결정화가 매우 어려웠기 때문이다. 이 구조(PDB 엔트리 1cjk)는 활성화된 G 단백질에 있는 중요한 α 나선이 어떻게 아데닐산고리화효소 측면의 패임에 결합되어 있는지를 나타낸다. 촉매 도메인은 비슷한 2개의 부분으로 이루어져 있으며 비슷한 패임 2개가 인접하여 존재한다. 한쪽 패임에는 ATP가 결합하여 고리화 반응이 수행된다. 이 구조의 경우 수식하여 절단할 수 없게 한 형태의 ATP가 이 패임에 결합되어 있다. 다른 한쪽 패임은 제어에 관여하는 것으로 생각되며 식물 자극 단백질 포르스콜린(forskolin)이 그 안에 결합되어 있다. 그림 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 이미지로 전환하고 구조를 보다 자세히 살펴보기 바란다.

이해를 높이기 위한 토픽

  1. PDBj 사이트에서 고리형 AMP를 키워드로 사용하여 검색하면 고리형 AMP로 제어되는 다양한 단백질을 볼 수 있습니다.
  2. CMP의 화합물 사전 페이지를 보면 고리형 AMP의 구조를 볼 수 있습니다.

참고문헌

  1. 6r3q Qi, C., Sorrentino, S., Medalia, O., Korkhov, V.M. 2019 The structure of a membrane adenylyl cyclase bound to an activated stimulatory G protein. Science 364 389-394
  2. Halls, M. L., Cooper, D. M. F. 2017 Adenylyl cyclase signalling complexes - pharmacological challenges and opportunities. Pharmacology & Therapeutics 172 171-180
  3. 5u6p Lee, C.H., MacKinnon, R. 2017 Structures of the Human HCN1 Hyperpolarization-Activated Channel. Cell 168 111-120.e11
  4. 4clk Kleinboelting, S., Diaz, A., Moniot, S., Van Den Heuvel, J., Weyand, M., Levin, L.R., Buck, J., Steegborn, C. 2014 Crystal Structures of Human Soluble Adenylyl Cyclase Reveal Mechanisms of Catalysis and of its Activation Through Bicarbonate. Proc Natl Acad Sci U S A 111 3727
  5. 1cjk Tesmer, J.J., Sunahara, R.K., Johnson, R.A., Gosselin, G., Gilman, A.G., Sprang, S.R. 1999 Two-metal-Ion catalysis in adenylyl cyclase. Science 285 756-760

이 기사는 RCSB PDB의 PDB-101로 제공되고 있는 「Molecule of the Month」의.2020년11월의 기사를 한국어로 번역한 것입니다.전재·인용에 대해서는 이용 규약을 봐 주세요.

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