액틴 필라멘트

액틴 필라멘트는 액틴 단백질의 중합화를 통해서 만들어진다. 액틴은 분자량이 42 kDa이며 지름이 4 nm인 공과 같은 구조를 갖고 있는 단백질이기 때문에 G-액틴 (Globular-actin)이라고 부른다. 모든 진핵세포에서 가장 높은 농도로 분포하며 매우 다양하고 중요한 생물학적 기능을 수행한다. 액틴은 중합체를 통해서 ‘미세섬유’라는 구조를 형성하기 때문에 이 구조를 ‘액틴 필라멘트(actin filament)’ 또는 ‘F-액틴 (Filamentous actin)’이라 부른다. 액틴 필라멘트를 구성하는 액틴의 아형에는 알파, 베타, 감마, 세 가지가 있다. 알파 액틴은 근육에 분포하여 근육 이완수축 기관을 구성하며, 베타와 감마 액틴은 거의 모든 세포에서 공존하여 세포골격을 형성하고 세포 내부 운동을 중재하는 역할을 한다.  

목차

액틴은 374 개의 아미노산으로 구성된 단백질로써 여러 개의 나선 구조와 산성을 띠는 N-말단, 그리고 알칼리성을 띠는 C-말단을 갖고 있는 것이 생화학적인 특징이다. 액틴은 세포 내에서 단백질의 접힘 과정을 거쳐, 친수성을 띄는 N-말단과 C-말단은 액틴의 표면에 분포하고 소수성 부위는 단백질의 내부에 분포하여 공과 같이 둥근 구조를 갖는다 (그림 1).      

(그림 1) G-액틴의 리본 모델; 12시 방향에 있는 포켓 구조의 안에 있는 ADP 분자가 위치한 부위는 ATP 결합 부위임 ( http://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page )

이와 같은 단백질 3차 구조는 그림 왼편의 큰 도메인과 오른편의 도메인 하나를 이루고, 이들 사이에 있는 틈새의 바닥은 ATP와 결합하는 기능을 한다. G-액틴의 ATP 결합 부위가 있는 부위는 뾰쪽한 구조를 갖고 있으며 끝 부분에 위치하고 있어서 ‘(-) 말단’이라 부른다. 그리고 반대편의 구조는 대조적으로 평평한 구조를 갖고 있으며 ‘(+) 말단"이라 부른다. 이렇게 구조적인 차이를 보이는 (-) 말단과 (+) 말단은 대칭축에 대해서 비대칭을 나타낸다. G-액틴과 ATP가 결합하게 되면, G-액틴의 (+)말단과 다른 G-액틴의 (-) 말단 사이의 친화력이 증가하여 이량체를 형성한다. 이는 F-액틴의 조립을 추진하는 생화학적 반응을 주도한다. 따라서 G-액틴이 ATP와 결합하는 과정을 조절하는 환경은 F-액틴의 생성 과정을 조절하는 중요한 요인이 된다. G-액틴은 ATP와 결합하고 난 후에 활성화되는 ATP 가수분해효소(ATPase)의 기능을 가지고 있다. ATP 가수분해효소의 활성은 평소에 매우 낮다. 그러나 G-액틴이 ATP와 결합하여 액틴필라멘트의 구조의 일부가 되면, 이 효소의 활성은 40,000 배 정도 증가한다.  

액틴 필라멘트는 G-액틴의 중합체로 이루어진 가닥 하나가 다른 가닥 하나와 나선형으로 꼬인 구조를 갖는다. 액틴 필라멘트는 나선 축을 중심으로 166 °의 회전각과 27.5Å의 축 방향 이동 거리를 유지하여 나선형의 필라멘트 구조를 형성한다. 액틴 필라멘트는 하나의 나선 회전에 약 2.17개의 G-액틴이 필요로 하며 나선 축에 대해서 비대칭 구조를 갖는다 (그림 2).

(그림 2) 13 개의 액틴 단위체로 구성된 액틴 필라멘트의 Ken Holmes 모델 ( http://commons.wikimedia.org/wiki/Main_Page )

액틴 필라멘트를 구성하는 G-액틴은 동일한 방향으로 나열하는 형태로 중합화를 이루고 있기 때문에 액틴 필라멘트의 한 쪽 끝 부위는 G-액틴의 ATP 결합 부위를 가지고 있는 (-) 말단으로 반대편 끝 부위는 (+) 말단을 갖고 있어서, G-액틴의 구조적 극성을 그대로 유지한다.

G-액틴의 ATP 가수분해효소는 액틴 필라멘트의 형성과 해체에 가장 핵심적인 역할을 한다. G-액틴의 ATP 가수분해효소가 촉매하는 반응의 산물, ADP 및 Pi는 액틴 필라멘트의 표면에 결합하여 오랜 동안 머물러 있으면서 소위 "액틴 사이클(actin cycle)"이라는 현상을 야기한다. '액틴 사이클(actin cycle)'은 ATP 가수분해와 액틴의 중합화 과정이 연결되어 나타나는 현상이다. 좀 더 구체적으로 설명하면, G-액틴–ATP 단량체가 필라멘트의 (+) 말단에 우선적으로 첨가되는 동안, F-액틴–ADP 단량체는 (-) 말단에서 분해되어 F-액틴으로부터 나온다. 이러한 현상이 계속되는 현상을 "수레 돌리기(treadmilling)"라고 부른다. (-) 말단의 F-액틴-ADP 단량체에서 ADP가 ATP로 바뀌기기 때문에 떨어져 나오지 않은 상황을 "액틴 사이클"이 닫혔다고 부른다. 이는 G-액틴과 ATP의 양이 액틴 필라멘트의 형성과 해체를 조절하는데 중요하다고 할 수 있다. 

액틴 필라멘트는 세포의 내부와 주변의 환경에 반응하여 여러 종류의 액틴-결합-단백질(actin-binding-proteins)과 결합하여 신속하고 역동적으로 조립과 해체를 이룬다. 

액틴은 근육의 이완 수축, 세포 운동, 세포 분열, 세포질 분리, 소낭 및 세포 소기관 이동, 세포 신호전달 뿐만 아니라, 세포의 모양, 세포연접과 같이 중요한 기능에 관여한다. 이와 같은 과정의 대부분은 액틴과 세포막 사이에 광범위하고도 긴밀한 상호 작용으로 이루어진다.

G-액틴은 세포질에 분포하는 세포골격을 이루는 주요 구성인자로서 세포골격의 모양을 신속하고 역동적으로 변화함으로써 세포가 내부 신호나 외부 환경에 반응하여 세포의 모양을 변형하는데 중요한 역할을 한다.

G-액틴은 세포 소기관을 형성하는 구성 인자로서 세포 내에 얼개와 연결되어 세포막 외부의 변형을 조절함으로써 세포내도입, 세포질 분열 등과 같이 생물학적으로 중요한 현상을 주도한다.

G-액틴은 액틴 필라멘트-특이적 모터 단백질이 미오신과 상호작용을 통하여 물질의 수송을 담당하는 특정한 소낭이 이동하는 경로의 역할을 수행한다. 근육세포-특이적인 액틴 필라멘트와 미오신 사이의 활주 운동은 근육의 수축 및 이완을 담당한다. 위에서 나열한 G-액틴의 기능들은 배아의 발생, 상처의 회복, 암세포의 침습에서도 중요한 역할을 한다.

이와 같이 다양하고 필수적인 생물학적 기능으로 인하여, 액틴 유전자는 원핵 세포에서부터 진핵 세포에 이르는 진화 과정에서 잘 보존되어 있다.

G-액틴, F-액틴, 액틴 필라멘트, 세포골격

세포생물학 (Alberts 저, 4판, 교보문고)