신경전달물질

신경전달물질(neurotransmitter)은 신경계(nervous system)를 구성하는 세포인 신경세포(neuron, 뉴런)에서 분비되어 나오는 신호 전달과 관련된 화학 물질을 통칭한다. 뇌(brain)을 구성하고 있는 수많은 신경세포들은 서로 다른 신경세포들과 소통하여 신경기능을 조절하는데, 이 소통은 많은 경우가 이러한 신경전달물질을 매개로 한 전기신호 전달 방식을 통해 이루어진다. 신경전달물질은 신경세포로부터 분비되어 인근 신경세포들과 시냅스(synapse, 신경세포에서 다른 신경세포로 신호를 전달하는 연결지점)에서의 반응을 조절하고, 결국 신경 회로 전체를 조절하는 화학적 인자를 통칭한다.¹⁾²⁾

목차

신경세포 또는 뉴런은 신경계를 구성하는 세포로서, 소듐(sodium) 및 포타슘(potassium) 통로 등의 이온 통로(ion channel)를 발현하여 다른 세포와는 달리 전기적인 방법으로 신호를 전달하는 세포이다. 인접한 신경세포와는 시냅스를 통하여 정보를 받아들이고 저장하는 기능을 가지며, 인간의 두뇌에는 약 100억개의 신경세포가 존재하는 것으로 알려져 있다. 신경세포는 신경 세포체(cell body, soma), 수상돌기(dendrite), 축삭(axon), 시냅스 등으로 구성되어 있다. 시냅스를 기준으로 신호를 주는 세포를 시냅스 전 신경세포(presynaptic neuron), 신호를 받는 세포를 시냅스 후 신경세포(postsynaptic neuron)라고 한다. 일반적으로 수상돌기-신경 세포체-축삭돌기-시냅스 말단으로 이어지는 방향을 선행(anterograde)이라 부르며, 반대 방향을 역행(retrograde)이라고 부른다.³⁾⁴⁾

신경세포의 구조 ()

일반적으로, 신경전달물질은 신경세포의 시냅스 소포체(synaptic vesicle) 안에 들어있다. 신경세포 축삭돌기 말단(axon terminal)에 자극이 전달되면 신경세포 시냅스의 전압-개폐 칼슘 통로(voltage-gated Ca(II) channel)가 열려 칼슘 이온이 신경세포 안으로 유입된다. 유입된 칼슘 이온은 시냅스 소포체를 신경세포의 세포막으로 이동시키고, 세포막으로 이동된 소포체는 축삭돌기 말단에서 유출되어 신경전달물질을 시냅스로 방출시킨다. 방출된 신경전달물질은 수상돌기(dendrite)의 세포막 수용체(receptor)와 결합하여 시냅스 후 신경세포의 투과성(postsynaptic density)을 변화시키고, 이온 채널의 활성을 조절한다. 양이온 채널이 열려서 양이온이 신경세포 안으로 들어가면 탈분극(depolarization)이 일어나 흥분성 신경을 전달하고, 음이온 채널이 열리면 신경세포가 과분극(hyperpolarization)되어 신경전달이 억제된다.⁵⁾⁶⁾

신경전달물질의 작용기전 모식도()

신경전달물질은 크게 두 분류로 나뉜다: (1) 유기 저분자(organic small molecule) 물질로서 신경 세포체(cell body, Soma)에서 합성되는 고전적 신경전달물질(classic neurotransmitter), (2) 엔돌핀(endorphin, endogeneous morphine)과 같이 핵주위질(perikaryon)에서 합성되는 펩타이드 신경전달물질(peptide neurotransmitter)이 있다.⁷⁾²⁾

고전적 신경전달물질은, 모노아민(monoamine)류 및 아미노산(amino acid)류로 나뉜다. 모노아민류에는, 1-3차 아민(amine) 또는 암모늄(ammonium) 작용기를 포함하는 아세틸콜린(acetycholine, ACh), 노르에피네프린(norepinephrine), 도파민(dopamine, DA), 세로토닌(serotonin, 5-hydroxytryptamine (5-HT)), 히스타민(histamine) 등이 있다. 아미노산류에는, 감마-아미노뷰티르산(gamma-aminobutyric acid, GABA), 글루타메이트(glutamate, Glu)와 같은 아미노산을 기반으로한 신경전달물질들이 포함된다.⁸⁾

도파민의 화학 구조 ()

감마-아미노뷰티르산(GABA)의 화학 구조 ()

펩타이드 신경전달에는 엔돌핀, 콜레시스토키닌(cholecystokinin, CCK), 디노르핀(dynorphin), 엔케팔린(enkephalin, Enk), 뉴로펩타이드-Y(neuropeptide-Y), 소마토스테인(somatostain), 등이 있다.⁹⁾

신경전달물질의 증가 또는 감소는 다양한 정신질환과 높은 상관관계가 있음이 보고되고 있다. 정신분열병, 충동조절장애, 양극성 정동장애(조울병)의 질병은 증가된 신경전달물질의 양과 관계가 있음이 보고되고 있으며, 우울증은 감소된 신경전달물질의 양과 관계가 있다고 알려져 있다. 또한, 신경전달물질 분비 조절 이상에 의한 파킨슨병(Parkinson's disease, PD) 및 알츠하이머병(Alzheimer's disease, AD) 발병기전에 대한 보고도 지속적으로 발표되고 있다.¹⁰⁾¹¹⁾

기원전 4세기, 그리스의 의사 히포크라테스(Hippocrates)에 의해 뇌가 정신활동의 중추임이 밝혀진 이후, 인간은 뇌 그리고 신경계통에 대해 끊임없는 연구를 수행해 왔다. 1664년 옥스포드의 생리학자 토마스 윌리스(Thomas Willis)는 뇌의 동맥 중심회로인 윌리스의 원(Willis's circle)을 발견하였으며, 신경학(neurology)라는 말을 최초로 사용하였다. 1791년 이탈리아의 물리학자 루이지 갈바니(Luigi Galvani)는 개구리의 다리에 전기적 자극을 가해 움직임을 관찰하였고, 신경계가 전기를 통해 소통한다는 것을 발견하였다. 1897년 영국의 의사 찰스 스콧 쉐링톤(Charles Scott Sherrington)은, 신경세포인 뉴런의 사이 공간을 시냅스라 불렀으며, 1932년 노벨 생리의학상을 수상하였다. 1902년 러시아 생리학자 이안 파블로프(Ian Pavlov)는 '파블로프의 개' 실험을 통해 조건반사를 연구하였고, 1904년 노벨 생리의학상을 수상하였다. 아세틸콜린은 최초로 확인된 신경전달물질로서, 1914년 헨리 핼릿 데일(Henry Hallett Dale)에 의해 심장 조직에서 처음으로 발견되었다. 1921년 오토 뢰비(Otto Loewi)가 이것이 신경전달과 관계되어 있는 물질임을 확인하고, 미주 신경(vagus nerve)에서 방출되는 신경전달물질이라 하여 'Vaguss Stuff'라고 명명하였다. 헨리 핼릿 데일과 오토 뢰비는 화학적 신경전달을 연구한 공로로 1936년 노벨 생리의학상을 수상하였다. 이후, 뇌의 각 부위별 기능과 전기적 시냅스의 존재, 뇌 좌우 반구의 기능, 뇌 영상화 기술 개발 등이 지속적으로 이어졌으며, 현재에는 유럽의 'Human Brain Project', 미국의 'Brain Initiative'등의 대형 프로젝트를 통해 뇌에 대한 심도있는 연구가 이어지고 있다.¹²⁾¹³⁾

1. Lodish, H.; Berk, A.; Zipursky, S.L. (2000). Molecular Cell Biology: Section 21.4Neurotransmitters, Synapses, and Impulse Transmission (4th ed.). New York: W. H. Freeman
2. What are neurotransmitters?,
3. Overview of neuron structure and function,
4. Structure of a neuron,
5. Neurotransmitters,
6. Cunnane T.C. The mechanism of neurotransmitter release from sympathetic nerves, Trends in Neurosciences, 1984, 7, 7, p284-253. DOI:
7. Neurotransmitters-types, functions, and disorders,
8. Classical Neurotransmitters: Brain Communicators,
9. Neuropeptide Database,
10. Neurotransmitters, mental disorders, and medications,
11. Shen J. Impaired Neurotransmitter Release in Alzheimer's and Parkinson's Diseases, Naurodegener Dis. 2010, 7, 80-83, DOI:
12. 뇌과학의 역사,
13. Nobel Prize-Neuroscience,