키네신

3. 구조

키네신 슈퍼패밀리 구성원들은 다양한 형태를 가지지만, 대표적인 키네신-1 모터는 두 개의 중사슬(KHC)과 두 개의 경사슬(KLC)로 구성된 단백질 이량체(분자 쌍)이다. 중사슬은 아미노 말단에 구형 머리(모터 도메인), 짧고 유연한 목 연결부, 줄기(긴 중앙 알파 나선형 코일 코일 도메인), 경사슬과 결합하는 카르복시 말단 꼬리 도메인으로 구성된다. 두 개의 KHC 줄기는 서로 얽혀 코일 코일을 형성하며, 이는 두 KHC의 이량체화를 유도한다. 대부분의 경우, 수송되는 화물은 KLC의 TPR 모티프 서열에 결합하지만, 경우에 따라 중사슬의 C-말단 도메인에 결합하기도 한다.^[13]

키네신 슈퍼패밀리의 분자 구조는 이량체로, 분자량 약 12만의 무거운 사슬 2개와 분자량 약 6만의 가벼운 사슬 2개로 구성된다. 무거운 사슬은 모터 도메인, 스템, 꼬리(여기에 가벼운 사슬이 결합)로 구성된다.

분자 형태는 약 80nm의 막대 모양(무순이와 같은 형태)이다.

3. 1. 전체 구조

3. 2. 모터 도메인

4. 조절 기작

키네신은 기본적으로 낮은 효소 활성을 가지지만, 미세소관에 결합하면 활성이 현저하게 증가한다.^[16] 또한, 많은 키네신 슈퍼패밀리 구성원들은 꼬리 도메인이 모터 도메인에 결합하여 자가 억제 상태를 유지한다.^[17] 이러한 자가 억제는 화물, 화물 어댑터 또는 다른 미세소관 결합 단백질과의 결합을 통해 해제될 수 있다.^[18][19][20]

5. 물질 운반

세포 내에서 기체나 포도당과 같은 작은 분자들은 확산을 통해 이동하지만, 큰 분자, 소낭, 미토콘드리아와 같은 세포소기관들은 너무 크고 세포질이 복잡하게 얽혀있어 확산만으로는 목적지까지 이동하기 어렵다. 따라서 운동 단백질이 이러한 큰 물질들을 세포 내 필요한 곳으로 운반하는 역할을 한다.^[21] 키네신은 미세소관을 따라 아데노신 삼인산(ATP)를 가수분해하며 한 방향으로 이동하면서 이러한 물질들을 운반한다.^[21] ATP 가수분해는 각 단계를 추진하며, 방출된 에너지가 머리를 다음 결합 부위로 전진시킨다고 생각되었으나,^[22] 최근에는 머리가 앞으로 확산되어 미세소관에 결합하는 힘이 화물을 끌어당긴다는 주장도 제기되었다.^[23]

키네신은 세포 내 물질 운반 외에도, 뉴런에서 신경전달물질을 시냅스까지 운반하는 등 다양한 생리적 과정에 관여한다.^[2] HIV와 같은 바이러스는 키네신을 이용하여 세포 내에서 이동하기도 한다.^[24]

6. 운동 방향

대부분의 키네신은 미세소관의 (+) 말단 방향으로 이동하는 전향성 수송(anterograde transport)을 수행한다.^[30] 이와 반대로, 또 다른 운동 단백질인 디네인은 미세소관의 (-) 말단 방향으로 이동하는 역행성 수송(retrograde transport)을 수행한다.

최근에는 출아 효모 세포에서 키네신 Cin8 (키네신-5 패밀리의 구성원)이 (-) 말단 방향, 즉 역행성 수송 방향으로도 이동할 수 있다는 것이 발견되었다. 이는 효모 키네신 동질사중합체가 양방향으로 이동하는 능력을 가졌음을 의미한다.^[31][32][33] 연구에 따르면, Cin8 모터는 방추극 방향으로 약 25-55 nm/s의 속도로 이동하며, 특정 조건에서는 최대 380 nm/s의 속도를 낼 수 있다.^[35]

초파리 NCD, 출아 효모 KAR3, 애기장대 ATK5와 같은 키네신-14 패밀리 단백질은 예외적으로 미세소관 (-) 말단을 향해 이동한다.^[37]

7. 운동 메커니즘

2023년, 키네신이 미세소관을 따라 "걷는" 모습을 실시간으로 시각화한 연구 결과가 보고되었다.^[38] "손뼉치기" 메커니즘에서 키네신 머리는 서로를 지나쳐 걸어가며, 선두 위치를 번갈아 가진다. 따라서 각 단계에서 선행 머리는 후행 머리가 되고, 후행 머리는 선행 머리가 된다. 각 단계는 다음과 같이 진행된다.

• 이 과정은 후행 머리가 ATP 가수분해에서 유래한 무기인산(Pi)을 방출하는 것으로 시작된다.
• 후행 머리는 미세소관에서 분리되어 오른쪽으로 이동한 비결합 상태로 회전한다.
• 선행 머리는 ATP에 결합하는데, 이는 목 연결체가 선행 머리에 도킹하게 하여 후행 머리를 미세소관을 따라 이동 방향으로 더 멀리 이동시킨다. 후행 머리는 비결합 상태로 남아있다.
• 선행 머리의 ATP가 가수분해된다.
• 후행 머리는 ADP를 방출하고 미세소관에 결합하여 선행 머리가 된다.^{[39][40][41][42][43][44]}

• '''손바닥 교대 모델(Hand-over-Hand Model)''': 키네신의 두 개의 모터 도메인이 번갈아 가며 마치 걷는 것처럼, 또는 끌어당기듯이 앞으로 나아가 움직인다는 가설이다. 그 원동력은 넥 링커(neck linker)라고 불리는 영역이 ATP/ADP의 결합 및 해리에 따라 앞으로 구부러졌다 펴지는 운동을 반복하기 때문이라고 생각된다.

• '''미끄럼설''': 키네신이 미세소관 위를 미끄러지듯 이동한다는 가설이다.

8. 이론적 모델링

분자 모터 단백질 키네신에 대한 다수의 이론적 모델이 제안되었다.^[45][46][47] 단백질 구조의 역할, ATP로부터 기계적 일로 에너지가 변환되는 정확한 방식, 그리고 열적 요동이 하는 역할에 대한 불확실성이 남아 있기 때문에 이론적 조사에는 많은 어려움이 있다. 이는 상당히 활발한 연구 분야이다. 특히 단백질의 분자 구조와 실험적 조사에서 얻은 데이터를 더 잘 연결하는 접근 방식이 필요하다.

단일 분자 역학은 이미 잘 설명되어 있다.^[48] 하지만 이러한 나노 스케일 기계는 일반적으로 대규모 팀으로 작동하는 것으로 보인다. 단일 분자 역학은 모터의 고유한 화학적 상태와 그 기계적 단계에 대한 관찰에 기반한다.^[49] 낮은 농도의 아데노신 이인산(ADP)에서 모터의 거동은 두 가지 화학기계적 모터 사이클의 경쟁에 의해 결정되며, 이는 모터의 정지력을 결정한다. 높은 ADP 농도에서 세 번째 사이클이 중요해진다.^[49] 단일 사이클을 가진 모델도 논의되었다. Seiferth 등은 다중 사이클 모델에서 인접한 상태가 병합될 때 모터의 속도 또는 엔트로피 생성과 같은 양이 어떻게 변하는지, 그리고 결국 사이클 수가 감소하는지 보여주었다.^[50]

최근 실험 연구에 따르면 키네신은 미세소관을 따라 이동하는 동안 서로 상호 작용하며,^[51][52] 이 상호 작용은 단거리이고 약한 인력(1.6±0.5 K_BT)이다. 개발된 한 모델은 이러한 입자 상호 작용을 고려하는데,^[48] 상호 작용 에너지에 따라 동적 속도가 변한다. 에너지가 양수이면 결합 생성 속도(q)가 높아지고 결합 해리 속도(r)는 낮아진다. 미세소관의 출입 속도도 에너지에 의해 변한다는 것을 이해할 수 있다. 두 번째 부위가 점유되어 있으면 출입 속도는 α*q가 되고, 마지막에서 두 번째 부위가 점유되어 있으면 출입 속도는 β*r이 된다. 이 이론적 접근 방식은 특히 매우 큰 음의 에너지의 제한적인 경우에 이 모델에 대한 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 일치한다. 완전 비대칭 단순 배타 과정(TASEP) 결과는 에너지를 0으로 하면 이 모델에서 복구할 수 있다.

:\{q\backslash over\; r\}\; =\; e^\{E\backslash over\; K\_B\; T\}

9. 유사분열

최근 몇 년 동안, 미세소관 기반 분자 모터(여러 종류의 키네신 포함)가 유사분열(세포 분열)에서 역할을 한다는 것이 밝혀졌다. 키네신은 적절한 방추사 길이에 중요하며, 전중기와 중기 동안 방추사 내에서 미세소관을 서로 분리하는 것과, 후기 동안 중심체에서 미세소관 마이너스 말단을 탈중합하는 데 관여한다.^[53] 특히, 키네신-5 계열 단백질은 방추사 내에서 미세소관을 서로 분리하는 역할을 하고, 키네신 13 계열은 미세소관을 탈중합하는 역할을 한다.

10. 키네신 슈퍼패밀리

인간 키네신 상과(superfamily) 단백질은 키네신 연구자 공동체가 개발한 표준 명명법에 따라 키네신-1부터 키네신-14까지 14개의 과(family)로 분류된다.^[12] 각 과는 고유한 구조와 기능을 가지며, 다양한 세포 내 수송 과정에 관여한다.

키네신-1 경쇄:

• 1 – KLC1, 2 – KLC2, 3 – KLC3, 4 – KLC4

• KIFAP3 (KAP-1, KAP3으로도 알려짐)

참조

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