박테리오로돕신

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박테리오로돕신

[ Bacteriorhodopsin ]

박테리오로돕신은 고세균 (Archaea)인 할로박테리아 (Halobacteria)에서 주로 발견되는 막단백질이다. 빛에너지를 흡수하여 양성자 (H+)를 세포안에서 밖으로 운반하는 양성자 펌프 역할을 한다. 그 결과 형성되는 양성자 구배 (proton gradient)는 ATP를 생성하는 화학에너지로 전환된다 (그림 1). 이는 식물, 조류, 진정세균 등 광자 에너지를 이용하는 다른 생물체들이 클로로필 색소를 이용하여 양성자 구배를 이루는 것과는 매우 대조되는 시스템이기 때문에 진화 과정에서 서로 독립적으로 발생하여 진화되어 온 시스템으로 추정된다.

그림 1. 박테리오로돕신의 기능. 위) 박테리오로돕신 (보라색)이 양성자를 세포밖으로 퍼내면, ATP 합성효소 (ATP synthase) 라는 효소 (검은색)가 세포밖에 축적된 양성자를 세포내로 들여보내면서 ATP가 생성된다. 아래) 할로박테리아의 세포막은 곳곳에서 세포내로 함몰되면서 "보라막"을 이룬다. 세포막의 면적을 극대화하고 세포 밖에 국지적으로 양성자를 축적하기 쉽게한다.()

목차

  1. 1.박테리오로돕신의 분자생물학적 구조
  2. 2.박테리오로돕신의 양성자 펌프 기능 기작
  3. 3.광유전학 (Optogenetics)
  4. 4.관련용어
  5. 5.참고문헌

박테리오로돕신의 분자생물학적 구조

박테리오로돕신은 내재막 단백질 (integral membrane protein)으로서 고세균 세포막의 50 %정도를 차지하는 "보라막 (purple membrane)"이라고 불리는 결정화된 특수한 세포막 부위에 분포되어 있다. 박테리오로돕신 자체가 보라색이고 초록색을 매우 잘 흡수한다. 육각형의 결정구조는 세 개의 박테리오로돕신으로 이루어져 있다. 7개의 내재막 알파 헬릭스로 이루어진 박테리오로돕신은 1개의 레티날 (retinal)을 품고 있다 (그림 2와 그림 3).

그림 2. 세포막내에서 바라본 박테리오로돕신. 빨간줄은 세포밖 경계선 파란줄은 세포내 경계선을 표시함. ()

그림 3. 세포막 위에서 내려다 본 3 개의 박테리오로돕신 결정화 구조. 각기 다른 색으로 표시된 7개의 내재막 알파 헬라이스와 보라색의 레티날이 보인다. ()

박테리오로돕신의 양성자 펌프 기능 기작

박테리오로돕신이 빛에너지를 흡수할 수 있는 것은 레티날을 함유하고 있기 때문이다. 레티날은 빛광자의 에너지를 흡수하여 구조적 변화를 일으키고, 그에 따라 레티날에 결합되어 있는 박테리오로돕신의 구조 변화를 유도하여 양성자 펌프 기능을 할 수 있게 해준다 (그림 4).

그림 4. 빛에 의한 레티날의 구조 변화. 레티날은 박테리오로돕신의 216번째 아미노산인 라이신에 결합되어있다. 빛 광자로부터 에너지를 흡수하면 레티날의 트랜스형이 시스형으로 바뀌면서 박테리오로돕신의 구조를 변화 시켜, 세포질 내 양성자 이온이 박테리오로돕신의 96번째 아스파르트산과 레티날-216라이신, 그리고 85번째 아스파르트산 으로 릴레이 되면서 세포밖으로 배출 할 수 있도록 한다. ()

박테리오로돕신은 미생물계 로돕신에 속하는데, 사람을 포함하여 척추동물 눈의 망막에 존재하는 색소단백질인 로돕신과 매우 흡사하다. 이들 로돕신도 레티날을 함유하는데 레티날은 비타민 A로부터 유래한다. 당근에 많이 들어 있는 카로틴 (carotene) 색소는 체내에서 비타민 A의 일종인 레티놀로 만들어 진후 레티날로 전환 될 수 있다. 그러나, 척추동물 로돕신은 GPCR의 일종이지만 박테리오로돕신은 양성자 펌프이다.

광유전학 (Optogenetics)

박테리오로돕신과 유사한 또 다른 단백질로는 황색계열 빛에 의하여 활성화 되는 염소이온 펌프인 할로로돕신 (halorhodopsin)과 청색계열 빛에 의하여 활성화 되는 양이온통로 (cation channel)인 채널로돕신 (channelrhodopsin)을 들 수 있다 (최근에는 음이온 통로로 작용하는 채널로돕신도 발견되고 있다.). 이 들 할로로돕신혹은 채널로돕신을 신경세포에 발현 시키고 황색 혹은 청색의 빛을 쬐어 주면, 막전위를 낮추거나 높일 수 있어서 그 신경세포의 활성을 억제하거나 증강시킬 수 있는 생물공학적 방법인 광유전학기술 (Optogenetics)가 개발되어 여러 가지 신경계 활성 기작 및 질병 치료 기전 연구에 이용되고 있다.

관련용어

로돕신 (rhodopsin), GPCR (G protein coupled receptor), 광합성 (photosynthesis), 고세균 (Archaea), 할로박테리아 (Halobacteria), 양성자 구배 (proton gradient), 내재막 단백질 (integral membrane protein), 레티날 (retinal), 카로틴 (carotene), 할로로돕신 (halorhodopsin), 채널로돕신 (channelrhodopsin), 광유전학기술 (Optogenetics)

참고문헌

생명과학(Brooker저, 3판, 홍릉과학출판사), 분자생물학 (Weaver저, 5판, 라이프사이언스)