나트륨-칼륨 펌프

나트륨-칼륨 펌프(국문) Na⁺-K⁺ pump (영문)

나트륨-칼륨 펌프는 세포막에 존재하는 막 단백질로서 세포 안의 나트륨 (Na⁺)을 바깥으로 내보내고 세포 바깥의 칼륨 (K⁺ )을 세포 안으로 이동시켜 세포 안의 낮은 나트륨 이온 농도와 높은 칼륨 이온의 농도를 유지하는 기능을 한다. 영어식 표기에 따라 소듐 펌프, 소듐-포타슘 펌프라고도 부르기도 하고, ATP를 가수 분해하여 얻어지는 에너지를 이용하기 때문에 나트륨-칼륨 ATP 분해 효소 (Na⁺-K⁺ ATPase) 라고도 한다. 이러한 세포 안팎의 서로 다른 나트륨-칼륨농도 구배는 휴지 전위 (resting potential)과 활동 전위 (action potential)와 같은 세포의 전기 생리학적 성질을 구현하는 근간이 된다. 나트륨-칼륨 펌프는 1957 년 덴마크 과학자인 젠스 크리스티앙 스코우 (Jens Christian Skou)에 의하여 발견되었고 그 공로로 1997년 노벨 생리의학상을 수상한다. 스코우 박사는 94세 까지도 실험실에서 직접 실험하며 논문을 작성했었던 것으로 유명하며, 2018년 5월28일, 99세의 일기로 타계하였다. 나트륨-칼륨 펌프는 동물 세포가 휴지 전위를 유지하는 데 결정적 역할을 하며, 그로써 세포 안 팎의 물질의 이동, 세포의 부피 조절 등에 영향을 미친다. 나트륨-칼륨 펌프는 세포가 사용하는 에너지의 약 ¼ 정도를 소모하며, 특히 활동 전위를 사용하는 신경 세포는 약 ¾ 정도를 차지한다.

그림 1. 나트륨-칼륨 펌프. 나트륨-칼륨 펌프는 세포 안 나트륨을 바깥으로, 세포 밖 칼륨을 안으로 들여보낸다.  나트륨 이온 통로와 칼륨 이온 통로는 해당 이온의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산되는 통로가 된다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sodium-potassium_pump_and_diffusion.png

목차

세포막 전위를 유지하기 위하여, 세포는 낮은 나트륨 이온 농도와 높은 칼륨 이온 농도를 지속적으로 유지해야 한다. 1 개의 ATP 가수 분해는 3 개의 나트륨 이온과 2개의 칼륨 이온을 이동시킴으로써 +1 전하가 바깥으로 나가게 되고, 그로써 세포 안은 음성 (-) 전위를 띄게 된다. 대부분의 동물 세포의 휴지 전위는 -70 mV로 유지된다.

ATP가  나트륨-칼륨 펌프에 붙으면 세포 안에서 3 개의 나트륨 이온이 펌프에 부착된다. ATP가 가수분해하면서 펌프 단백질이 인산화되면 ADP가 떨어져 나오게 된다. 이 때 일어나는 구조 변화 (conformational change)로 말미암아 부착되어 있던 나트륨 이온이 세포 밖으로 떨어져 나가게 된다. 이 상태에서 세포 밖에 있는 2 개의 칼륨 이온이 펌프에 부착되면서 펌프에 붙은 인산기가 떨어져 나오게 된다. 이 과정에서의 구조 변화는 펌프를 이전 모양으로 되돌리게 되면서 칼륨 이온을 세포 안으로 떨어져 들어오게 한다. 이 상태에서 ATP가 결합하면 다시 같은 과정을 반복하게 되면서 나트륨과 칼륨 이온의 세포 안 팎 농도 구배를 형성, 세포의 휴지 전위를 유지하게 된다 (그림 2).

그림 2. 나트륨-칼륨 펌프. ATP를 가수 분해하여 인산화 되어 유도되는 3차 구조 변화를 통하여 3개 나트륨과 2개의 칼륨을 세포 안팎으로 교환하게 된다.https://commons.wikimedia.org/wiki/File:0308_Sodium_Potassium_Pump.jpg

외부 자극이나 신경 전달 물질에 의하여 흥분하게 되면 세포막에 있는 나트륨 이온 통로가 열리며 많은 나트륨 이온이 세포 내로 쏟아져 들어오게 된다. 그 결과 세포의 휴지 전위가 탈분극 (depolarization)이 되면서 세포의 전위는 점차 높아져 (+) 전위를 띄게 된다. 이 상태에서 칼륨 이온 통로가 열리게 되면 많은 칼륨이온이 세포 밖으로 나가면서 다시 세포의 전위는 (-) 방향으로 떨어지게 되고 세포의 전위는 다시 휴지 전위로 돌아가게 된다. 이 과정이 끝난 후 본래의 이온 농도 구배로 돌아가도록 하는 것이 나트륨-칼륨 펌프이다. 일반적으로 시냅스-후 뉴런의 막에 존재하는 리간드형-나트륨-칼륨 펌프가 촉발한 활동 전기가 신경세포의 축색을 따라 일어나는 신경 전도의 시발점이 된다.

나트륨-칼륨 펌프에 의하여 형성된 나트륨 농도 구배는 포도당이나 아미노산과 같은 물질을 세포 안으로 전달하는 동력원으로 이용된다. 장이나 신장에서는 공동 수송의 결과로 세포내 들어온 나트륨 이온을 세포 밖, 즉 혈액으로 퍼 내는 역할을 한다.

나트륨-칼륨 펌프는 이온 농도 조절을 함으로써 세포 삼투압에 영향을 미쳐, 세포 부피를 유지하도록 도와준다. 세포가 저장액 (hypotonic solution)에 노출되면 많은 물이 세포 안으로 들어오게 된다. 이 때 나트륨-칼륨 펌프가 계속적으로 이온을 세포 밖으로 내보내면 등장성 유지를 위하여 세포내 물도 밖으로 나가게 된다.

세포 내 cAMP에 의하여 활성이 증가한다. 따라서cAMP를 생성하는 아데닐산고리화효소 (adenylate cyclase)를 활성시키는 G수용체를 활성화 시키는 물질에 의하여 펌프 활성이 증가할 수 있다. 심장 질환 치료제인 디기탈리스 (Digitalis)는 심장 근육에 위치한 나트륨-칼륨 펌프의 활성을 억제함으로써 심장 근육내 칼슘 농도를 높게 유지한다. 심장이 수축할 때 마다 근육 세포내 칼슘 농도는 수 백에서 수 천 배정도 증가하게 되는데 이 칼슘의 상당량은 세포막에 존재하는 나트륨-칼슘 교환 단백질 (Na⁺- Ca²⁺ transporter)에 의하여 나트륨 이온 구배를 이용하여여 세포 밖으로 나가게 된다. 따라서 나트륨-칼륨 펌프의 활성을 억제하면 칼슘 이온의 심장 근육 세포 밖으로 일어나는 이동을 방해하여 세포내 칼슘 이온 농도가 높아져 근육 활성을 돕게 된다.

휴지 전위 (resting potential), 활동 전위 (action potential), 구조 변화 (conformational change), 탈분극 (depolarization), 아데닐산 고리화효소 (adenylate cyclase), 디기탈리스 (Digitalis), 나트륨-칼슘 교환 단백질 (Na⁺- Ca²⁺ transporter)

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

Neuroscience 6th Edition,  Dale Purves, George J. Augustine, David Fitzpatrick, William C. Hall, Anthony-Samuel LaMantia, Richard D. Mooney, Michael L. Platt, Leonard E. White. Sinauer Associates, imprint of Oxford University Press