운동단백질

운동단백질은 생명체를 구성하는 세포의 기능에 필수적인 물질이다. 운동단백질에 대한 일반적인 정의는 매우 광범위해서 분자의 수송, 분자의 다중화 및 세포 자체의 이동을 추진하는 분자를 뜻한다. 예를 들어 세포 안에서 특정한 물질을 특정한 방향으로 수송하거나 특정한 분자의 다중화를 촉진할 수 있는 단백질을 말한다. 또한, 세포 자체를 특정한 방향으로 움직이는 과정을 촉진하는 단백질도 운동단백질에 포함된다. 이들 운동 단백질은 ATP와 같이 높은 에너지를 가지고 있는 분자를 가수 분해하여 나오는 에너지를 운동 또는 기계 작업으로 변환하는 기능을 가지고 있다. 그러나 분자세포생물학적 의미에서 운동단백질은 세포골격을 따라 이동하면서 특정한 분자를 특정한 방향으로 수송하는 단백질을 지칭하기 때문에 본 장은 이러한 기능을 지닌 단백질에 국한하여 논의하고자 한다.

목차

세포골격을 따라서 자신을 이동하는 세포골격 운동단백질은 수송하는 물질의 종류에 따라서 두 가지 범주로 구분한다. 첫째, 액틴필라멘트를 구성하는 액틴 단위체와 상호 작용하여 액틴필라멘트 위에서 이동할 수 있는 단백질로서 대표적인 예는 미오신 단백질이다. 둘째, 미세소관을 구성하는 튜불린 단백질과 상호 작용하여 미세소관을 따라 특정한 방향으로 이동할 수 있는 단백질로서 대표적인 예는 키네신 (Kinesin)과 디네인 (Dynein)이다. 키네신과 디네인은 각각 미세소관의 양성말단 (plus-end)과 음성말단 (minus-end) 방향으로 이동하는 특정방향 이동성을 갖는다. 

미오신은 ATP의 형태의 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 힘과 운동을 촉발시킨다. 최초로 발견된 미오신은 미오신 II로서 근육의 수축과 이완에 관여한다. 미오신 II 이외에도 여러 미오신 유형들이 비 근육 세포에서 분자의 수송과 세포의 이동에 가담한다. 미오신 V는 소포와 세포 기관의 수송을 담당하고 미오신 XI는 세포질에 분포하는 액틴필라멘트 네트워크를 따라 이동하여 세포내 소기관과 세포질이 특정한 방향으로 이동하게 된다. 이제까지 알려진 미오신의 유형은 18 가지의 미오신의 구조와 기능은 유형에 따라 다양해서 구조와 기능이 가장 잘 밝혀진 미오신 II와 미오신 V의 구조와 기능을 대표적으로 살펴본다.

대부분의 미오신 분자의 구조는 머리, 목 및 꼬리 영역으로 구분된다. 미오신 II의 첫 번째 단위체는 약 2000 아미노산으로 구성된 중쇄 (Myosin Heavy Chain; MHC) 단백질이다. 중쇄의 N 말단과 C 말단은 각각 머리와 꼬리 영역을 담당하고 중앙 영역은 목 영역을 담당한다. 두 개의 중쇄는 코일의 형태로 감기면서 머리와 머리를 맞대고 있는 이량체를 형성한다 (그림 1).

그림 1. 미오신 II를 구성하는 중쇄의 이량체; 2개의 중쇄 단백질은 중앙의 코일-코일 구조를 통해서 이량체를 형성한다. 기다란 럭비 공과 같이 생긴 중쇄의 머리 부위는 서로 반대 방향을 향하고 있다. ()

미오신 머리 영역은 ATP와 결합한 후에 액틴필라멘트의 액틴과 결합함으로써 ATP 가수 분해를 촉발시켜 발생한 에너지를 사용하여 액틴필라멘트의 양성 말단 쪽으로 이동한다. 목 영역은 머리 영역에 의해서 생성된 힘을 변환시키는 지렛대의 역할을 하는 한편 미오신의 기능을 조절하는 미오신 소단위체와 결합하는 부위이다. 셋째, 꼬리 영역은 수화물 소포 (Cargo vesicle)와 결합하여 소포의 수송을 담당하거나 다른 미오신 소단위체와 작용을 매개하며 꼬리 부위의 운동 활성을 조절하기도 한다. 미오신의 두 번째 단위체는 경쇄 (Myosin Light Chain; MLC)이다. 미오신 경쇄는 조절 경쇄 (Regulatory light chain)와 필수 경쇄 (Essential light chain)로 구분된다. 조절경쇄는 분자량이 20 kDa이며 중쇄의 목 영역과 결합하여 머리의 구조적 안정성을 확보하고 근육 수축을 조절하는 기능을 한다. 필수 경쇄는 분자량 17 kDa이며 조절 경쇄와 함께 머리의 구조적 안정성에 기여하는 것으로 여겨진다.

미오신 V는 이량체로서 36 nm의 보폭을 가지는 비전통적인 미오신 운동단백질이다. 미오신 V는 액틴필라멘트의 양성(+) 말단을 향해 이동함으로써 세포 중심에서부터 세포막으로 방향으로 세포내 소기관, 소포 및 생물 분자들을 수송하는 한편 소포와 세포 소기관을 붙잡고 있는 역할도 한다. 미오신 X도 미오신 V와 구조면에서 유사하지만 다발 구조를 하고 있는 액틴필라멘트 위에서 우선적으로 기능한다고 알려져 있다. 

키네신과 디네인은 공통적으로 미세소관과 결합하여 이동하는 운동단백질 복합체이다. 키네신과 디네인은 각각 미세소관의 양성(+) 말단과 음성(-) 말단을 향하여 움직인다. 이 두 가지 운동단백질은 각각 고유의 분자 구조와 기능을 가지고 있기 때문에 키네신과 디네인을 따로 논의하고자 한다. 

미세소관의 양성(+) 말단 방향으로만 움직이는 키네신은 일반적으로 2개의 중쇄와 2개의 경쇄로 이루어지는 단백질 복합체이다. 중쇄는 N-말단의 머리, 중앙의 목, 그리고 C-말단의 꼬리 영역으로 나뉜다. 머리 영역은 운동(motor) 도메인으로서 ATP의 가수분해를 통해서 생성되는 에너지를 이용하여 걷는 다리의 역할을 한다. 중앙 영역은 알파-나선 구조를 가지고 중쇄의 이량화를 담당한다. 꼬리 영역은 경쇄와 결합하는 것이 주된 역할이지만 일부의 경우에서 수화물과 결합하기도 한다. 2개의 경쇄는 코일-코일 구조를 통해서 이량체를 형성하고 옮기고자 하는 수화물과 결합하는 역할을 한다. 중쇄의 머리 영역에 있는 두 개의 도메인은 각각 ATP 및 미세소관과 결합한다. ATP 결합 부위는 ATP와 결합하여 ATP를 가수 분해하여 방출되는 에너지를 사용하여 미세소관 결합 부위와 목 영역의 구조를 변화시킴으로써 키네신 미세소관의 위를 걷는다 (그림 2). 키네신은 미세소관과 결합하기 때문에 미세소관이 관여하는 방추사의 형성과 염색체의 분리에서 매우 중요한 역할을 한다.

그림 2. 키네신 운동 단백질의 이동 방식을 보여주는 모식도; (1 단계) 키네신의 머리 구조에 있는 ATP 가수분해효소 부위가 ATP (T)와 결합함으로써 미세소관과 결합하는 동시에 키네신을 미세소관의 양성말단을 향하여 180도 회전시킨다. (2 단계) 키네신의 또 다른 ATP 가수분해효소 부위와 결합하고 있는 ADP (D)가 해리되는 동시에 ATP (T)가 가수분해되면서 키네신의 머리부위가 액틴필라멘트에서 떨어져 나온다. 이와 같은 순서가 반복되면서 키네신은 미세소관의 양성말단을 향해서 이동한다. ()

디네인의 전체적인 구조는 키네신과 매우 유사하지만 디네인은 중쇄와 경쇄뿐만 아니라 중간쇄(Intermediate chain)으로 구성되어 좀더 복잡한 구조를 가진다. 뿐만 아니라 디네인은 양성 말단으로만 이동하는 키네신과 반대로 미세소관의 음성 말단으로만 이동한다. 중쇄의 머리 영역은 ATP 가수분해효소의 기능을 사용하여 미세소관의 음성 말단의 방향으로 걷는 다리의 역할을 한다. 디네인이 화물과 결합하는데 많은 수의 단위체가 필요해서 4 개의 중간쇄 그리고 유형에 따라 달라지는 몇 개의 경쇄로 이루어진 복잡한 구조가 화물과 결합한다. 디네인도 방추사의 형성과 염색체의 분리뿐만 아니라, 섬모의 형성과 기능에도 매우 중요한 역할을 한다. 

운동단백질의 대표적인 예로써 미오신, 키네신, 그리고 디네인을 살펴보았다. 운동단백질은 중쇄와 연쇄로 이루어진 단백질 복합체로서 머리, 목, 꼬리 영역을 형성한다. 머리 부위는 ATP가분해를 통해서 세포골격 단백질과 결합하여 걷는 다리의 역할을 하고 꼬리 영역은 옮기고자 하는 수화물과 결합하는 역할을 한다. 이들은 특정 방향으로 이동하는 고유의 성질을 가지고 있어서 세포 소기관의 위치 지정, 세포 분열, 염색체 분열과 같은 세포의 기본적인 기능에서 핵심적인 역할을 한다.

1) Cells (Lewin, 2nd ed, Jones and Bartlett)

2) The Cell (Cooper and Hausman, 7th ed, Sinauer)