화학수용기

화학수용기

 

환경에 존재하는 화학물질에 대한 수용기는 혀에 위치하는 미뢰(taste bud)와 비강에 분포하는 후각상피(olfactory epithelia)의 세포이다.

 

 

후각

후각상피는 다음의 세 종류다. (1) 섬모를 가진 감각뉴우런, (2) 그들 사이를 지탱해 주는 세포, (3) 죽은 세포를 대체하기 위하여 새로운 감각뉴우런을 만들어 주는 기저세포 등이다. 감각 뉴우런의 섬모는 점액층에 잠겨 있어서 냄새나는 분자는 점액질에 용해되어서 섬모의 수용기 분자와 반응하게 된다. 그 결과 뉴우런의 나트륨이온 채널이 열리고 발생전위가 생성되며, 그 자극이 역치에 도달되면 뉴우런에 활동전위를 일으키게 된다. 이때 발생된 활동전위는 후각 신경을 따라 뇌로 전도된다. 후각 뉴우런의 반응은 유모세포보다는 느리다. 그 주된 이유는 나트륨 채널이 섬모에 있는 수용기에 의해 직접 조절되는 것이 아니고, 세포내의 환상 AMP(cAMP)의 양이 증가하므로 해서 열려지기 때문이다. 냄새나는 분자와 수용기의 결합으로 아데닐시클라아제 (adenyl cyclase)가 활성화되고 이것에 의해 CAMP 가 생성된다. 2차 전달자로서의 cAMP의 이러한 이용은 펩티드호르몬과 그 수용기의 결합에 의한 반응과 동일한 기능을 한다. 주된 문제가 남아 있다.

 

예를 들어 인슐린과 결합하기 위해서는 한 종류의 수용기만이 필요하다. 그러나 어떻게 한 종류의 수용기 분자만으로 맛의 감각에 충분하겠는가? 사람은 그 구조가 다른 1만 종류 이상의 서로 다른 냄새나는 분자를 구별할 수 있다. 그러기 위해서 1만개 이상의 다른 수용기를 가지고 있는가? 그렇지 않다. 수백 종류의 수의 세포로 구성된 용기만을 가질 뿐이다. 쥐(rat)의 후각상피에는 다른 조직에서는 발현되지 않는 수백 종류의 유전자가 존재한다. 이들 중 일부는 클론화되어 있고 일정한 서열로 배열되어 있다. 각각의 암호화된 막 단백질은 그 구조가 서로 동일하지는 않지만 유사하다. 각각의 단백질은 분자들이 서로 휘어진 일곱 부위의 소수성 - 나선구조를 하고 있으며 단백질 사슬의 4/7 정도가 세포막 내부에 위치한다. 세포 외부에 노출된 분자 부분은 냄새나는 분자와 결합할 수 있다. 그러나 많은 냄새나는 분자들은 소수성이며 쉽게 지질 이중층으로 들어가서 그곳에 있는 수용기와 결합한다. 지질 이중층에 묻혀 있는 몇 개의 4-나선들은 각 수용기 종류에 따라 현저한 아미노산 서열의 차이를 보여준다. 세포질내에 놓여진 수용기 부분은 아데닐시클라아제의 활성을 유발시키게 될 것이다. 설사 우리에게 200 ~ 300여종의 수용기 유전자가 있을지라도 어떻게 1만여종의 냄새 물질을 구별할 수 있을까? 아마도 조합 다양성(combinatorial diversity)의 방식이 이용될 것이다. 냄새 물질 A가 뉴우런 1 에 X 활동전위를 유발시키고 뉴우런 2에 Y 활동전위를 유발시킨다고 가정하자. 냄새 물질 B도 동일한 뉴우런과 작용할 수 있지만, 뉴우런 2에는 X 활동전위를, 뉴우런 1에는 Y 활동전위를 유발시킨다. 그러한 조합 체계는 후각상피내의 각각의 감각뉴우런이 그들이 가진 수백개의 수용기 유전자 중 하나만을 형질로 발현하고 있다는 것을 예상케 해준다. 이것은 정말 그럴 듯한 설명이다. 면역계의 B와 T 임파구는 단지 한 종류의 항원 수용체에 대한 유전자만을 발현시키는 조절 기작을 가지고 있다. 그리고 실제로 후각상피도 이와 유사한 기전으로 조절될 것이다. B와 T 임파구에서 DNA의 발현을 조절하는 효소 장치가 신경계의 일부에서도 발견된다.

 

 

미각

우리는 미뢰를 통해서 맛을 감지한다. 특수하게 분화된 상피세포의 집단이 주로 혀의 표면에서 발견된다. 이들 각각은 활동전위를 일으켜서 뇌로 전도할 수 있는 감각뉴우런과 연결되어 있다.

많은 실험을 통해 단지 네 종류, 즉 단맛, 신맛, 짠맛, 쓴맛 등 기본 미각만이 존재하는 것으로 확인되었다. 포도당, 염산, 소금, 퀴닌 설페이트(quinine sulfate) 등의 용액을 각각 희석해서 맛을 보면, 이들 기본적인 네 가지 미각을 감지하는 부분이 혀의 특정 부분에 분포하고 있음을 알 수 있다. 그러나 이들 미각 부위의 분포도는 미각 부위가 상당 부분 중첩되어 있으며 또한 사람에 따라서도 상당히 다양함을 보여준다. 맛을 매개해 주는 단일 기작은 없는 것으로 보여진다. 소금과 같은 염류는 단순히 미뢰세포의 이온 채널을 통해 나트륨이온을 확산시켜 탈분극시키는 방법으로 활동전위를 생성한다.

나트륨이온의 유입이 막 전위를 감소시키는 일반적인 방법이라 할지라도, 앞서의 휴지막 전위를 생성시킨 칼륨 채널의 닫힘에 의해서도 동일한 효과을 얻을 수 있다. 산(H+)은 칼륨 채널을 직접 차단하여 신맛을 느끼게 하는 활동전위를 일으키는 것으로 보여진다. 달거나 쓴맛을 내는 분자는 세포막의 수용기 분자와 결합될 것이다. 그 결과 cAMP의 세포내 농도를 증가시켜 주는 아데닐시클라아제를 활성화시키고 칼륨 채널을 닫게 된다. 사람들은 내부환경의 화학적 변화를 감지하는 수용기도 가진다. 경동맥에 있는 세포는 이산화탄소의 농도 증가를 감지하여 심장박동과 호흡 속도를 빠르게 증가시키는 신경충격을 일으킨다. 이산화탄소 수용기는 연수에서도 발견되며 호흡 속도와 호흡량을 효과적으로 조절해 준다.

갈증은 뇌의 시상하부에 있는 세포의 자극에 의해 유발된다. 이들 세포는 혈액의 삼투압 변화에 민감하다. 만일 수분이 소실되거나 염류의 유입으로 삼투압이 증가되면 즉시 심한 갈증을 느끼게 된다. 또한 항이뇨호르몬(ADH)이 뇌하수체의 후엽에서 분비되며, 신장의 세뇨관에서 수분 재흡수를 최대화시켜 준다(ADH는 시상하부에서 합성되며, 후에 뇌하수체를 통해 분비된다.)

실험동물을 이용한 연구에서 시상하부에 취식을 조절하는 두 쌍의 부위가 존재함을 흰 쥐에서 가장 확실하게 볼 수 있다. 그 중 한 쌍(공복중추, “hunger” center)의 활성화는 취식을 자극한다. 이 부위가 손상되면 기아 상태가 될지라도 취식을 하지 않게 된다. 다른 부위(포만중추, “satiety”center)의 활성화는 공복중추를 억제한다. 따라서 포만중추가 손상되면 취식이 조절되지 못하여 심한 비만상태가 된다. 쥐의 포만중추를 파괴하면 1kg 정도까지 체중이 증가한다.

포만중추를 활성화시키는 자극의 성질은 아직 불확실하다. 콜레시스토키닌(cholecystokinin), 소마토스타틴(somatostatin), 글루카곤 등이 각각 어느 정도 기여를 하고 있다는 증거가 있다. 예를 들어 뇌에 있는 콜레시스토키닌 수용기의 기능이 차단되면 쥐는 취식량이 8배로 증가될 것이다. 이들 중추에 안전하게 작용하는 약물은 신경성 식욕 감퇴 등과 같은 섭취 이상 질환을 치료하는 데 유용한 방법이 될 것이다.