[생화학] 10.5 : 아쿠아포린(aquaporin)

 

 

이번 포스트에서는 물이 수송될 수 있는 channel인 아쿠아포린(Aquaporin)에 대해 알아보자.

 

 

 

위 그림에 aquaporin의 구조가 나타나 있음. 보면 6개의 transmembrane domain이 있고, 가운데에 짧은 helix 2개가 존재함. 그리고 이 짧은 helix 2개 사이에 NPA(Asn-Pro-Ala) motif가 있어서 이 녀석이 channel로 기능함. 이 NPA motif와 주변부의 amino acid들에 의해서 pore의 size를 2.8옹스트롬으로 만들어버려서 물 이외의 다른 녀석들이 이곳으로 통과하지 못하게 됨.

 

그 밖에, 물은 원래 서로 hydrogen bond로 연결된 채로 proton hopping에 의해 hydronium ion으로 존재할 수 있음. 그런데 hydronium ion이 세포 내로 수송될 시 proton gradient가 다 망가져버리게 되면서 세포가 이상해져버릴 것임. 따라서 aquaporin을 통해서는 hydronium이 통과하지 못함. 이 때 작용하는 것이 위 그림 오른쪽에 나타나 있는 Arg, His 등의 + charge amino acid에 의한 electrostatic repulsion과, 짧은 helix 끝의 + charge에 의한 electrostatic repulsion임. (이들이 hydronium ion을 밀어내게 됨) 그리고 이로 의해 물분자 간의 hydrogen bonding도 preventing되어서 proton hopping도 일어나지 않게 됨.

 

 

 

위 표에는 각종 aquaporin이 나타나 있음. 이 때 aquaporin을 통해 어떤 경우 물 뿐 아니라 urea나 glycerol도 수송될 수 있다는 것을 참고삼아 알아두자.

 

 

 

 

한편, 위 그림에 나타나 있는 것은 patch clamp라는 기술로, 이 기술을 이용하면 transporter, 혹은 channel에 대해 연구할 수 있음. 보면 membrane 면적당 존재하는 transporter의 수를 고려해서 patch clamp의 size를 조절한 뒤 막에 가져다대면 압력에 의해 channel 하나가 뽑혀올라올 수 있음. 이후 이를 aqueous solution에 넣어서 전기자극을 측정할 수 있음. 그 결과 특정 channel에 의한 membrane potential과 관련된 실험을 할 수 있음. (위 그림 왼쪽 아래에 나타난 것처럼 channel의 open/close도 electric signal을 바탕으로 측정할 수 있음)

 

 

 

 

위 그림에는 대표적인 channel 중 하나인 potassium channel이 나타나 있음. 특히 위 그림에 묘사되어 있는 것은 bacterial potassium channel인데, 이 녀석은 potassium을 특이적으로 수송시킬 수 있음. 그런데 potassium의 radius와 sodium의 radius를 비교할 시 큰 차이는 나지 않는다는 것을 알 수 있음. 그렇다면 도대체 어떻게 이 channel은 potassium에 더 selective하게 작용하는걸까. 일단 위 그림 오른쪽에 나타난 것과 같이 아래쪽에서 ion이 올때는 통로가 넓다 보니 hydration된 채로 오게 됨. 한편 통로의 끝편에는 helix의 - charge 부분이 배향되어 있고, 이 - charge에 의해 K+는 잘 position되는 반면 주변에 붙어있던 물은 떨어져나가게 됨. 이후 carbonyl O가 벽면에 있는 selectivity filter가 형성되어 있는데, 이 때 K+는 적당한 size라서 O와 지속적으로 interaction하면서 빠져나갈 수 있지만 Na+는 size가 작다 보니 O와 상호작용을 효과적으로 하지 못해서 거의 통과하지 못하게 됨. (참고로 이 때 potassium이 selectivity filter를 통과할 때 한칸 건너 한칸의 형태로 통과한다는 것도 알려져 있음)

 

 

 

 

한편 human이 가지고 있는 ion channel은 더 복잡함. 보면 positive charge를 띄고 있는 추가적인 helix가 있는데, 이 때 S4에 해당하는 부분이 voltage sensor로 작동하게 됨. 따라서 이 sensor에 의해서 특정 voltage threshold 이상이 되었을 때만 ion 출입이 가능해지게 되는 것임. 사실 voltage 뿐 아니라 ligand에 의해서도 이런 현상이 조절될 수 있는데, 특정 ligand가 와서 붙었을 때만 channel이 열려 ion이 수송되는 식임.

 

 

 

 

위 표들에는 다양한 transport system들의 예가 나타나 있으므로 참고할 것.

 

 

 

다음 포스트부터는 세포 내 신호전달 시스템에 대해 알아보자.