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282: 후각 수용체 (Odorant Receptors)
잠깐 호흡을 해서 냄새가 나는 것을 모두 느껴보기 바란다. 지금 내 사무실에서는 많은 냄새가 떠돌고 있다. 효모 같은 냄새로부터는 복도 끝에 있는 연구실에서 세균 배지를 고압멸균로 멸균하고 있음을 알 수 있다. 오래된 책에서 풍기는 독특한 냄새는 내가 아직 완전히 디지털 미디어로 이행하지 않았음을 보여주지만 은은한 먼지 냄새를 맡으면 내가 그것들을 읽은 지 얼마나 시간이 흘렀는지 알 수 있다. 내 책상 위에 있는 머그컵에서는 하루 종일 기분 좋은 향기가 풍기지만 날에 따라서는 강한 커피향으로 대체된다. 후각은 우리 주위에 대한 정보를 지속적으로 제공하고 근처나 멀리서 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 단서를 제공한다. 이들 많은 향은 우리가 숨쉬는 공기를 감시하고 흥미로운 분자가 가까이 있음을 우리에게 알려주는 일련의 후각 수용체(olfactory odorant receptor)에 의해 인식된다.
냄새 물질과 수용체
냄새 물질(odorant)은 보통 공기 중을 떠돌아 코에 도달하는 작은 분자로 점막(mucous membrane)에 들어가 후각 수용체까지 도달할 수 있는 화학적 특성을 갖고 있다. 생각할 수 있는 냄새 물질의 수를 특정하는 것은 어려우나 10,000~400억 종류나 되는 분자가 있을 것으로 추정되고 있다. 우리의 게놈을 살펴보면 우리의 코에는 약 400가지 후각 수용체가 있다는 것을 알 수 있다. 이들 수용체는 코에 있는 특수 신경세포에 의해 감시되고 있으며, 보통 개별 신경세포에 포함된 후각 수용체는 1종류뿐이다. 그러나 이것들을 조합함으로써 우리 후각의 풍부함이 실현되고 있다. 각각의 후각 수용체는 보통 몇몇 유사한 유형의 냄새 물질 분자에 결합하고, 각종 냄새 물질은 여러 종류의 후각 수용체에 결합한다. 이후 뇌는 모든 조합을 분류해 특정 향을 식별한다.
냄새 나는 것이 항상 나쁜 것만은 아니다
여기에 그려져 있는 후각 수용체(PDB 엔트리 8f76)는 냄새 분자의 프로피온산(propionate)을 인식한다. 순수한 프로피온산에는 자극적이고 불쾌한 냄새가 있다. 하지만 스위스 치즈 제조자들은 프로피온산을 생성하는 특별한 세균을 신중하게 배양하고 이를 이용해 소량의 프로피온산을 넣어 치즈에 매력적인 풍미를 더한다. 이 수용체는 프로피온산보다 약간 작은 분자로 식초에 날카로운 냄새를 제공하는 아세트산(acetate)도 인식한다. 이것은 빛을 감지하는 로돕신(rhodopsin) 혹은 아드레날린 수용체(adrenergic receptor)나 세로토닌 수용체(serotonin receptor) 등의 신경전달물질 수용체와 비슷한 G단백질 연결 수용체(G protein-coupled receptor, GPCR)이다. 다른 GPCR과 마찬가지로 냄새 분자는 수용체가 가진 특정 세포 외 부위에 결합해 수용체의 형상 변화를 일으킨다. 이것이 세포 내의 G단백질 (G protein)에 의해 감지되어 결국 신경세포를 자극한다.
냄새 물질을 전달하다
많은 동물들은 냄새 분자를 포착해 후각 수용체에 전달하는 작은 단백질도 만든다. 여기에 나타낸 것은 PDB 엔트리 1e00의 구조이며, 돼지에서 얻은 것이다. 한편 곤충의 경우 더듬이나 기타 감각기관에서 냄새 물질을 포착하는 데 도움이 되는 다양한 종류의 냄새 물질 결합 단백질(odorant-binding protein, OBP)을 만든다. PDB 아카이브를 보면 나방이 짝을 이루는 상대를 찾거나 모기가 물 사람을 찾는데 사용하는 냄새 물질 결합 단백질의 구조가 다수 발견된다. 여기에 나타낸 것은 그중 하나로 PDB 엔트리 3n7h의 구조이다. 이곳에는 모기퇴치제인 DEET가 결합되어 있어서 보통 냄새 물질이 들어오는 터널을 차단하고 있다. 포유류의 단백질과 곤충의 단백질은 전혀 다른 양식으로 접혀 있다는 점에 주목하기 바란다. 이는 그것들이 비슷한 기능을 수행하기 위해 따로 진화했다는 증거를 나타내고 있다.
구조 보기
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PDB 엔트리 8f76에서 볼 수 있듯이 이 후각 수용체가 갖는 결합 부위는 프로피온산을 둘러싸고 특정 아미노산을 사용하여 프로피온산 및 이와 유사한 산성 저분자를 인식한다. 프로피온산의 한쪽 끝에는 음으로 대전된 산성기가 있기 때문에 수용체는 양으로 대전된 아르기닌(arginine)을 사용하여 이를 포착하고 글루타민(glutamine)과 세린(serine)을 사용하여 프로피온산과 안정화시키는 수소결합을 만든다. 프로피온산의 다른 한쪽 끝에는 수용체 안에 있는 소수성 아미노산의 작은 주머니에 의해 둘러싸인 2개의 소수성 탄소 원자가 포함된다. 탄소 원자가 1개 적은 아세트산도 이 주머니에 잘 들어가지만 프로피온산보다 큰 산은 여기에 들어가지 않는다. 이미지 아래의 버튼을 클릭하여 인터랙티브 조작이 가능한 이미지로 전환하여 이 구조를 더욱 자세히 살펴보기 바란다.
이해를 높이기 위한 토픽
참고문헌
- 8f76 2023 Structural basis of odorant recognition by a human odorant receptor. Nature 615 742-749
- 2022 Transport features predict if a molecule is odorous. Proc Natl Acad Sci USA 119 e2116576119
- 2022 Odorant-binding proteins of mammals. Biol Rev 97 20-44
- 3n7h 2012 Anopheles gambiae odorant binding protein crystal complex with the synthetic repellent DEET: implications for structure-based design of novel mosquito repellents. Cell Mol Life Sci 69 283-297
- 1e00 2000 Complexes of porcine odorant binding protein with odorant molecules belonging to different chemical classes. J Mol Biol 300 127-139