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기체 신호전달 분자

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1. 개요

기체 신호전달 분자는 신경전달물질의 일종으로, 일산화 질소, 일산화 탄소, 황화 수소와 같은 기체들이 이에 해당한다. 산소는 세포 내 가스 수용체를 통해 작용하며, 이산화 탄소는 혈액 공급 조절에 관여하고 모기가 이를 감지하여 사람에게 접근한다. 일산화 질소는 혈관 확장 작용을 하며, 아산화 질소는 오피오이드 수용체에 직접 작용하는 등 다양한 생리적 역할을 한다. 탄소 서브옥사이드는 Na+/K+-ATP-ase 및 Ca 의존성 ATP-ase를 억제하며, 이산화황은 폐 신장 수용체로부터의 신경 신호를 차단하고 혈관 기능을 조절한다. 또한, 시안화 수소는 신경 조절 물질로, 암모니아는 산/염기 균형에, 메탄은 저산소증과 스트레스의 신호로 작용할 수 있다. 에틸렌은 식물의 식물 호르몬으로, 과일 숙성, 꽃 개화, 낙엽 조절에 관여하며, 소량으로 포유류에서도 생성되어 DNA와 단백질을 알킬화할 수 있다.

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기체 신호전달 분자
일반 정보
유형분자
발견18세기 후반
조지프 프리스틀리
칼 빌헬름 셸레
역할세포 신호 전달
관련 질병다양한 질병 (심혈관, 신경퇴행성 질환, 암 등)
종류
주요 기체 신호 전달 분자일산화 질소 (NO)
황화수소 (H2S)
일산화 탄소 (CO)

2. 기체 신호전달물질

기체 신호전달 분자는 신경전달물질의 한 종류이다. 기체 신호전달 분자로 분류되는 기체는 일산화 질소, 일산화 탄소, 황화 수소 세 가지뿐이다.

2. 1. 산소 (O₂)

산소(O2)는 많은 생리학적 및 병리학적 과정에서 중요한 기체 신호 전달 분자이자 생물학적 메신저이며, 세포 내 가스 수용체 단백질 및 기타 신호 전달 경로를 통해 작용한다.[1][2] 세포 또는 유기체 내 O2 수준은 정상 산소 상태를 보장하고 통제되지 않는 저산소 또는 무산소 또는 고산소 상태를 방지하기 위해 엄격하게 조절되어야 한다. 포유류의 경우, 경동맥 소체와 같은 특수 조직이 O2 수준을 감지한다.

2. 2. 이산화 탄소 (CO₂)

이산화 탄소(carbon dioxide|이산화 탄소영어)는 국소적 자동 조절에서 혈액 공급을 중재하는 물질 중 하나이다. 이산화 탄소 수치가 높으면 모세 혈관이 확장되어 해당 조직으로 더 많은 혈류가 흐르도록 한다.

모기는 미각 수용체, 즉 가스 수용체를 통해 이산화 탄소를 감지하여 인간에게 끌린다.[3]

신체는 신진대사에 산소를 필요로 하지만, 일반적으로 낮은 산소 수치는 호흡을 자극하지 않는다. 대신, 호흡은 더 높은 이산화 탄소 수치에 의해 자극된다.[4]

호흡 중추는 동맥 CO2 압력을 40mmHg로 유지하려고 한다. 의도적인 과호흡을 하면 동맥 혈액의 CO2 함량이 10mmHg–20mmHg로 낮아질 수 있고 (혈액의 산소 함량은 거의 영향을 받지 않음), 호흡 충동이 감소한다. 이것이 과호흡 없이 과호흡 후에 숨을 더 오래 참을 수 있는 이유이다. 이는 숨을 쉬어야 할 필요성이 압도되기 전에 의식을 잃을 위험이 있으며, 그렇기 때문에 과호흡은 프리 다이빙 전에 특히 위험하다.

2. 3. 일산화 질소 (NO)

일산화 질소(NO)는 척추동물의 신호 전달에 관여하는 생물학적 메신저로, 다양한 생리학적 및 병리학적 과정에서 핵심적인 역할을 한다. 예를 들어, 인체에서 강력한 혈관 확장제 역할을 한다([1]). 포유류 세포는 NO에 결합하여 NO 의존성 세포 신호를 유발하는 가용성 구아닐산 고리화 효소를 가지고 있다([1]).

2. 3. 1. 일산화질소 생합성 효소 (NOS)

일산화질소 생합성 효소(NOS)는 신체가 일산화 질소를 이용할 수 있도록 돕는 효소이다.

2. 4. 아산화 질소 (N₂O)

아산화 질소(N2O)는 생물학적 시스템에서 일산화 질소의 효소적 또는 비효소적 환원에 의해 형성될 수 있다.[5] 시험관 내 연구에 따르면, 내인성 아산화 질소는 일산화 질소와 티올의 반응으로 형성될 수 있다.[6] 일부 연구자들은 NO의 N2O로의 환원 과정이 간세포, 특히 세포질과 미토콘드리아에서 일어나며, 아산화 질소가 포유류 세포에서 생성될 수 있다고 제안했다.[7] 아산화 질소는 탈질 과정에서 일부 박테리아에 의해 생성된다고 잘 알려져 있다.[8]

1981년, 아산화 질소(N2O)를 이용한 임상 연구를 통해 이 기체가 약리학적 수용체에 직접 작용하여 신경전달물질로 작용한다는 사실이 처음으로 제안되었다.[9][10][11] 이러한 관찰은 시험관 내 실험으로 확인되었고,[12] 이후 NIDA에서 재현되었다.[13]

아산화 질소는 오피오이드 수용체에 대한 직접적인[14][15] 및 간접적인 작용 외에도[16], NMDA 수용체 매개 활성 및 이온 전류를 억제하고 NMDA 수용체 매개 흥분 독성 및 신경 변성을 감소시키는 것으로 나타났다.[17] 또한 아산화 질소는 메티오닌 합성 효소를 억제하고 호모시스테인메티오닌으로의 전환을 늦추며, 호모시스테인 농도를 증가시키고 메티오닌 농도를 감소시킨다. 이러한 효과는 림프구 세포 배양[18] 및 인간 간 생검 샘플에서 나타났다.[19]

아산화 질소는 에 리간드로 결합하지 않으며 티올 함유 단백질과 반응하지 않는다. 그럼에도 불구하고, 연구에 따르면 아산화 질소는 헤모글로빈, 미오글로빈, 시토크롬 산화 효소와 같은 일부 헴 함유 단백질의 내부 구조에 가역적이고 비공유적으로 "삽입"되어 구조와 기능을 변경할 수 있다.[20] 아산화 질소가 이러한 단백질의 구조와 기능을 변경하는 능력은 헤모글로빈의 시스테인 티올의 적외선 스펙트럼 변화[21] 및 시토크롬 산화 효소의 부분적이고 가역적인 억제를 통해 입증되었다.[22]

내인성 아산화 질소는 내인성 오피오이드[23][24] 및 NMDA 시스템 경화증, 중증 패혈증, 중증 말라리아 또는 자가 면역을 조절하는 역할을 할 수 있다. 인간을 대상으로 한 임상 검사가 수행되었지만, 결과는 아직 발표되지 않았다.[25]

2. 5. 탄소 서브옥사이드 (C₃O₂)

생명체에서 발견된 탄소 서브옥사이드의 6환 또는 8환 거대 고리 중합체. 이들은 내인성 디곡신 유사 Na+/K+-ATP-ase 및 Ca 의존성 ATP-ase 억제제, 내인성 나트륨 이뇨제, 항산화제 및 항고혈압제 역할을 한다.


탄소 서브옥사이드(C₃O₂)는 이 헤모산소화효소-1에 의해 산화되는 과정 등에서 소량 생성될 수 있다. 일산화 탄소(CO)를 생성하는 생화학적 과정이나 말론산으로부터 형성될 수도 있다. 생물체 내의 탄소 서브옥사이드는 일반식 (C₃O₂)n (주로 (C₃O₂)6 및 (C₃O₂)8)을 갖는 거대 고리형 폴리탄소 구조로 빠르게 중합될 수 있다. 이러한 거대 고리 화합물은 Na+/K+-ATP-ase 및 Ca 의존성 ATP-ase의 강력한 억제제이며, 디곡신과 유사한 생리적 특성과 나트륨 이뇨 및 항고혈압 작용을 한다.[26][27][28] 이들은 Na+/K+-ATP-ase 및 Ca 의존성 ATP-ase의 내인성 디곡신 유사 조절자, 내인성 나트륨 이뇨제 및 항고혈압제로 여겨진다. 일부 연구자들은 탄소 서브옥사이드의 거대 고리 화합물이 자유 라디칼 형성과 산화 스트레스를 감소시키고 망막 등에서 내인성 항암 보호 메커니즘에 역할을 할 수 있다고 보고한다.[29]

2. 6. 이산화황 (SO₂)

이산화황(SO2)은 포유류 생물학에서 하는 역할이 아직 완전히 밝혀지지는 않았다.[30] 이산화황은 폐 신장 수용체로부터의 신경 신호를 차단하고 헤링-브로이어 팽창 반사를 억제한다.

이산화황은 올레산으로 인해 발생한 실험적 폐 손상을 줄이는 역할을 한다. 내인성 이산화황, 즉 생체 내에서 자연적으로 생성되는 이산화황은 실험적 폐 손상 과정에서 지질 과산화, 자유 라디칼 형성, 산화 스트레스, 염증을 감소시키는 효과를 보였다. 반대로, 폐 손상이 발생하면 내인성 이산화황 생산이 줄어들고, 지질 과산화, 자유 라디칼 형성, 산화 스트레스, 염증이 증가했다. 또한, 내인성 SO2를 만드는 효소를 차단하면 실험에서 폐 조직 손상이 더 심해졌다. 반대로, 아세틸시스테인이나 글루타티온을 쥐의 먹이에 첨가하면 내인성 SO2 생성량이 늘어나 폐 손상, 자유 라디칼 형성, 산화 스트레스, 염증, 세포 자멸사가 줄어들었다.[31]

내인성 이산화황은 심장혈관 기능을 조절하는 역할을 할 수 있으며, 이산화황 대사가 비정상적이거나 부족하면 동맥 고혈압, 죽상 경화증, 폐동맥 고혈압, 협심증 등 여러 심혈관 질환을 일으킬 수 있다.[32]

선천성 심장 질환으로 인해 폐동맥 고혈압이 있는 어린이는 호모시스테인 수치가 높고 내인성 이산화황 수치는 정상 어린이보다 낮다. 이러한 생화학적 지표는 폐동맥 고혈압의 심각도와 밀접한 관련이 있었다. 연구자들은 호모시스테인을 질병 심각도를 나타내는 유용한 생화학적 지표 중 하나로, 이산화황 대사를 이러한 환자들을 위한 잠재적인 치료 목표 중 하나로 보았다.[33]

내인성 이산화황은 세포 증식을 억제하는 방식으로 혈관 내피 평활근 세포의 증식 속도를 낮춘다. 이는 MAPK 활성을 낮추고 아데닐산 시클라제와 단백질 키나아제 A를 활성화하여 가능하다.[34] 평활근 세포 증식은 혈관이 고혈압으로 인해 변형되고 협착되는 주요 과정 중 하나이므로, 동맥 고혈압과 죽상 경화증을 일으키는 중요한 원인이 된다.

낮은 농도의 내인성 이산화황은 내피 의존성 혈관 확장을 유발한다. 높은 농도에서는 내피 비의존성 혈관 확장을 일으키고, 심박출 기능에 음성 변력 효과를 주어 혈압과 심근 산소 소비량을 효과적으로 낮춘다. 이산화황의 혈관 확장 효과는 ATP 의존성 칼슘 통로 및 L형("디히드로피리딘") 칼슘 통로를 통해 나타난다. 내인성 이산화황은 또한 강력한 항염증, 항산화, 세포 보호 작용을 한다. 혈압을 낮추고, 혈관이 고혈압으로 인해 변형되는 것, 특히 내막이 두꺼워지는 것을 늦춘다. 또한 지질 대사를 조절한다.[35]

내인성 이산화황은 이소프로테레놀 아드레날린성 과자극으로 인한 심근 손상을 줄이고 심근 항산화 방어 능력을 강화한다.[36]

2. 7. 시안화 수소 (HCN)

일부 연구자들은 뉴런이 내생적 또는 외생적 오피오이드에 의해 수용체가 활성화되면 시안화 수소(HCN)를 생성할 수 있음을 보였다. 또한 HCN의 신경 생성은 NMDA 수용체를 활성화시키고 뉴런 세포 간의 신호 전달(신경 전달)에 중요한 역할을 한다는 것을 보여주었다. 더욱이, 오피오이드 하에서 증가된 내생적 뉴런 HCN 생성은 적절한 오피오이드 진통에 필요한 것으로 보였는데, 오피오이드의 진통 작용이 HCN 제거제에 의해 약화되었기 때문이다. 그들은 내생적 HCN을 신경 조절 물질로 간주했다.[37]

백혈구는 탐식 작용 동안 HCN을 생성한다.[37]

2. 8. 암모니아 (NH₃)

암모니아(Ammonia영어, NH3)는 정상적인 경우와 비정상적인 경우 모두에서 동물 생리학적 역할을 한다. 암모니아는 정상적인 아미노산 대사를 통해 생합성되지만, 고농도에서는 독성이 있다.[40] 요소 회로라고 알려진 일련의 반응을 통해 암모니아를 요소로 전환한다. 간경변과 같이 간 기능에 장애가 생기면 혈액 내 암모니아 양이 증가하는 고암모니아혈증이 유발될 수 있다. 마찬가지로 오르니틴 트랜스카바밀라아제와 같이 요소 회로를 담당하는 효소에 결함이 생겨도 고암모니아혈증이 발생한다. 고암모니아혈증은 간성 뇌증의 혼란과 혼수뿐만 아니라 요소 회로 결함 및 유기산뇨증이 있는 사람들에게 흔한 신경 질환의 원인이 된다.[41]

암모니아는 정상적인 동물의 산/염기 균형에도 중요하다. 글루타민에서 암모늄이 형성된 후, α-케토글루타르산은 분해되어 두 분자의 중탄산염을 생성할 수 있으며, 이는 식이 산에 대한 완충제로 사용 가능하다. 암모늄은 소변으로 배설되어 순 산 손실을 초래한다. 암모니아 자체는 신장 세뇨관을 통해 확산되어 수소 이온과 결합하여 추가적인 산 배설을 가능하게 한다.[42]

2. 9. 메탄 (CH₄)

일부 연구자들은 내생 메탄(CH4)이 장내 세균총에 의해 생성되어 혈액으로 흡수될 뿐만 아니라, 소량으로 진핵생물 세포(지질 과산화 과정에서)에 의해서도 생성된다는 것을 밝혀냈다. 또한 내생 메탄 생성은 실험적인 미토콘드리아 저산소증(예: 아자드화 나트륨 중독) 동안 증가한다는 것을 보여주었다. 그들은 메탄이 저산소증과 스트레스의 세포 간 신호 중 하나일 수 있다고 생각했다.[43]

다른 연구자들은 세포 내 메탄 생성 또한 패혈증 또는 세균 내독소혈증 동안 증가하며, 지질다당류(LPS) 투여에 의한 내독소혈증의 실험적 모방을 포함한다는 것을 밝혀냈다.[44]

또 다른 연구자들은 장내 세균총에 의해 생성된 메탄이 장에 대해 완전히 "생물학적으로 중립적"이지 않으며, 연동운동의 정상적인 생리적 조절에 참여한다는 것을 보여주었다. 그리고 그 과다는 트림, 고창증 및 복통뿐만 아니라 기능성 변비를 유발한다.[45]

2. 10. 에틸렌 (C₂H₄)

에틸렌(H2C=CH2)은 식물에서 식물 호르몬 역할을 한다.[46] 식물 전체 수명 동안 미량 수준으로 작용하며, 과일숙성, 의 개화, 낙엽(또는 탈리)을 자극하거나 조절한다.

에틸렌은 고대 이집트인들이 무화과에 상처를 내어 숙성을 자극하면서부터 사용되었다(상처는 식물 조직에 의한 에틸렌 생성을 자극한다). 고대 중국인들은 배의 숙성을 촉진하기 위해 밀폐된 방에서 을 태웠다. 1864년, 가로등의 가스 누출이 식물의 성장 지연, 뒤틀림, 줄기의 비정상적인 비후를 유발한다는 사실이 밝혀졌다.[46] 1901년, 드미트리 넬류보프(Dimitry Neljubow)는 활성 성분이 에틸렌임을 밝혔다.[48] 1917년, 사라 다우트(Sarah Doubt)는 에틸렌이 낙엽을 자극한다는 사실을 발견했다.[49] 1934년, 게인(Gane)은 식물이 에틸렌을 합성한다고 보고했다.[50] 1935년, 크로커(Crocker)는 에틸렌이 과일 숙성뿐만 아니라 식물 조직의 노화를 담당하는 식물 호르몬이라고 제안했다.[51]

양 사이클


에틸렌은 잎, 줄기, 뿌리, 꽃, 과일, 덩이줄기, 씨앗을 포함한 고등 식물의 사실상 모든 부분에서 생성된다. 에틸렌 생산은 다양한 발달적 및 환경적 요인에 의해 조절된다. 식물의 수명 동안 에틸렌 생산은 발아, 과일의 숙성, 잎의 낙엽, 꽃의 노화와 같은 특정 성장 단계에서 유도된다. 또한 기계적 상처, 환경 스트레스, 옥신 및 기타 조절제를 포함한 특정 화학 물질과 같은 다양한 외부 측면에 의해서도 유도될 수 있다.[52]

에틸렌은 아미노산 메티오닌에서 효소 Met 아데노실트랜스퍼라제에 의해 ''S''-아데노실-L-메티오닌(SAM, Adomet이라고도 함)으로 생합성된다. SAM은 효소 1-아미노시클로프로판-1-카르복실산(ACC)으로 ACC 합성효소(ACS)에 의해 전환된다. ACS의 활성은 에틸렌 생산 속도를 결정하므로 이 효소의 조절이 에틸렌 생합성의 핵심이다. 마지막 단계에는 산소가 필요하며 이전에 에틸렌 형성 효소(EFE)로 알려진 효소 ACC-산화효소(ACO)의 작용이 관련된다. 에틸렌 생합성은 내인성 또는 외인성 에틸렌에 의해 유도될 수 있다. ACC 합성은 특히 인돌 아세트산(IAA) 및 사이토키닌과 같은 높은 수준의 옥신에서 증가한다.

에틸렌은 ''애기장대''의 ETR1 가스 수용체 단백질과 같은 5개의 막횡단 단백질 이량체 패밀리에 의해 인식된다. 에틸렌 수용체는 ''애기장대'' 및 토마토 게놈의 여러 유전자에 의해 암호화된다. ''애기장대''의 5개, 토마토의 6개 이상으로 구성된 유전자 패밀리의 돌연변이는 에틸렌에 대한 불감성을 유발할 수 있다.[53] 에틸렌 수용체의 DNA 서열은 다른 많은 식물 종에서도 확인되었으며, 시아노박테리아에서도 에틸렌 결합 단백질이 확인되었다.[46]

홍수, 가뭄, 냉각, 상처, 병원균 공격과 같은 환경적 단서는 식물에서 에틸렌 형성을 유도할 수 있다. 홍수 시 뿌리는 산소 부족, 즉 무산소증으로 고통받아 1-아미노시클로프로판-1-카르복실산(ACC)이 합성된다. ACC는 식물 내에서 위쪽으로 운반된 다음 잎에서 산화된다. 생성된 에틸렌은 잎의 나스티 운동(비대칭 굴성)을 유발하여 식물이 물을 잃도록 도울 수 있다.[54]

식물 내 에틸렌은 다음과 같은 반응을 유도한다.

  • 묘목 삼중 반응, 현저한 정단 갈고리가 있는 배축의 비후 및 단축.
  • 수분 시, 꽃가루가 암술머리에 도달하면 에텐의 전구체인 1-아미노시클로프로판-1-카르복실산(ACC)가 꽃잎으로 분비되어 ACC가 ACC 산화효소와 함께 에틸렌을 방출한다.
  • 잎과 꽃의 노화를 자극한다.
  • 식물 사용을 위해 성숙한 목부 세포의 노화를 자극한다.
  • 잎 낙엽을 유도한다.
  • 씨앗 발아를 유도한다.
  • 뿌리털 성장을 유도한다[55]—근권 형성(rhizosheath formation)을 통해 물과 미네랄 흡수 효율을 증가시킨다[56][57]
  • 홍수 시 부정근의 성장을 유도한다[58][59]
  • 침수된 식물 조직에서 저산소 조건(저산소증) 하에서 생존을 자극한다[60][61][62][63]
  • 잎 잎자루가 자라고 잎이 아래로 처지며 자체적으로 말리는 비대칭 굴성을 자극한다.
  • 과일 숙성을 자극한다.[64]
  • 일부 과일에서 추가적인 에틸렌 방출을 유발하는 기후성 호흡의 증가를 유도한다.
  • 중력 굴성에 영향을 미친다.
  • 토양 압축,[65][66] 그늘[67][68] 및 홍수에 대한 반응으로 뿌리 성장을 억제한다[63]
  • 영양 굴곡을 자극한다.
  • 묘목 단계 외의 줄기 성장 억제 및 줄기 및 세포 확장, 측면 분지 성장을 자극한다(위생굴성 반응 참조).
  • 옥신 수송 방해(높은 옥신 농도에서)
  • 일부 수생 식물 또는 일부 벼 품종과 같이 습관적으로 침수되는 식물에서 반대의 현상이 발생하는 경우를 제외하고( 및 보존) shoot 성장 및 기공 닫힘을 억제한다.
  • 파인애플에서 개화를 유도한다.
  • ''Pharbitis nil''[69] 및 ''국화 morifolium''[70]에서 단일 단일 유도 꽃 개시를 억제한다.


지질 과산화로 인해 인간을 포함한 포유류에서도 소량의 내인성 에틸렌이 생성된다. 일부 내인성 에틸렌은 에틸렌 옥사이드로 산화되어 알킬화 DNA단백질을 할 수 있으며, 여기에는 헤모글로빈이 포함된다(N-말단 발린과 특정 부가물을 형성함, N-히드록시에틸-발린).[71] 환경(외인성) 에틸렌 옥사이드와 마찬가지로 내인성 에틸렌 옥사이드는 DNA에서 구아닌을 알킬화하여 부가물 7-(2-히드록시에틸)-구아닌을 형성하며, 이는 고유한 발암 위험을 야기한다.[72] 또한 돌연변이 유발 물질이다.[73][74]

참조

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