시상하부

 

시상하부

인간의 신체 내부에서 순환계로 직접 방출되어 대사 및 신체과정을 조절하는 내분비물질(호르몬 등)을 생산하는 조직계통.

해부학적 구조

시상하부는 뇌의 주요 부분으로 원추형의 구조물이다. 아래로는 뇌하수체와 연결된 관 모양의 시상하부깔때기가 있으며 뒤로는 신경내분비세포가 다수 존재하는 내측융기가 있다. 그 이외의 주요한 구조물로는 유두체·제3뇌실·시각교차가 있고 시상하부의 위로는 시상이 있다.

호르몬 분비의 조절

신경세포로 구성되어 있는 시상하부의 기능을 이해하기 위해서는 다양한 신경분비에 대한 이해가 필수적이다. 첫째, 신경전달로서 전기적 자극에 의해 신경전달물질(n#128transmitter)이 신경세포로부터 시냅스틈으로 분비되어 다른 신경세포로 정보를 전달하는 메커니즘이다. 이러한 신경전달물질로는 에피네프린·노르에피네프린·세로토닌·아세틸콜린 등이 알려져 있었으나 최근에는 많은 뉴로펩티드들 또한 신경전달물질로서의 기능을 하는 것으로 밝혀졌다. 특히 뉴로펩티드는 신경전달물질로서의 작용뿐만 아니라 신경전달을 억제하거나 촉진하는 역할인 신경조절물질(n#128modulator)로서의 기능도 가지고 있다(→ 색인 : 오피오이드 펩티드). 따라서 뇌는 수많은 신경세포가 신경전달물질에 의해 연결된 특수한 신경망을 형성하고 있다. 신경연결은 시상하부로부터 대뇌피질 등 다른 주요한 지역으로 이어져 있으며 그결과 외부의 환경에 의한 자극뿐만 아니라 지적활동도 내분비계(시상하부)를 통로로 하여 인체의 각 부분에 영향을 주게 된다. 시상하부는 신경조절물질이나 신경전달물질뿐만 아니라 다양한 신경호르몬을 분비한다. 신경호르몬을 분비하는 신경세포는 분비과립이 긴 신경축색을 따라 이동하여 뇌하수체문맥순환으로 분비되어 뇌하수체전엽세포에 작용하므로 전통적 의미의 내분비세포라 할 수 있다. 특히 시상하부에서 유래하여 뇌하수체후엽에서 일반 순환계로 분비되는 옥시토신과 바소프레신은 가장 전형적인 신경호르몬이다.

갑상선자극호르몬-방출호르몬(TRH)

TRH는 3개의 아미노산인 글루타민산-히스티딘-프롤린으로 구성되어 있으며, 시상하부에 존재하는 가장 간단한 신경호르몬이다. 이 호르몬은 뇌하수체전엽의 세포를 자극하여 갑상선자극호르몬의 분비를 촉진하며, 또한 프로락틴의 분비도 촉진한다. 뇌나 척수에도 분포하고 있어 신경전달물질이나 신경조절물질로서의 역할도 하고 있으며 체온의 조절, 심리학적·행동학적 기능 등의 다양한 작용을 한다. 이러한 다양한 기능은 시상하부에 TRH의 농도가 다른 신경호르몬에 비해 훨씬 높음에도 불구하고 뇌의 다른 지역에서의 TRH의 총량이 시상하부에서의 양보다 많은 이유를 설명해준다. TRH의 분비는 시상하부-뇌하수체-갑상선 축에서 갑상선호르몬의 양에 따라 피드백 작용에 의해 조절된다.

생식선자극호르몬-방출호르몬(GnRH)

GnRH는 10개의 아미노산으로 구성되어 있으며, 황체형성호르몬-방출호르몬(LHRH)이라고도 한다. 현재까지 알려진 바에 의하면 이 호르몬이 2개의 생식선자극호르몬인 황체형성호르몬(LH)과 여포자극호르몬(FSH)의 분비 및 합성을 촉진하며, 이들 두 호르몬의 혈중농도의 변화는 다른 조절인자들에 의한 것으로 추측되고 있다. 대부분의 방출호르몬들은 맥동적으로 분비가 되며, GnRH의 경우가 가장 전형적인 예로 맥동적 분비 간격은 약 80분이다. 인위적으로 GnRH를 맥동적으로 투여할 경우에는 생식선자극호르몬의 혈중농도가 증가하지만 연속적으로 투입하면 오히려 생식선자극호르몬의 분비를 억제하는데 이러한 현상은 이 호르몬의 맥동적 분비양상과 관련이 있다. 합성 GnRH는 피임제로 사용되기도 하며, GnRH 결핍으로 인한 성기능저하증은 GnRH의 투여로 치료될 수 있다.

부신피질자극호르몬-방출호르몬(CRH)

41개의 아미노산으로 구성된 CRH는 뇌하수체전엽세포에 작용하여 부신피질자극호르몬의 분비 및 합성을 촉진하는 신경호르몬이다. 모든 종류의 스트레스에 대한 반응을 조절하는 마지막 요소가 CRH이므로 이 호르몬의 분비는 다양한 신경적 또는 호르몬적 요소에 의해 조절된다. 이들 조절인자 중에 호르몬으로는 바소프레신과 부신피질에서 생성되는 코르티솔이 있는데 특히 코르티솔은 피드백 작용에 의해 CRH의 합성을 억제한다. CRH의 과다분비는 뇌하수체에 있는 부신피질자극호르몬 분비세포의 과형성이나 비대증을 일으키며, 때때로 뇌하수체종양으로 발달한다. 그결과 부신피질호르몬의 과분비 현상이 생기는데 이러한 질환을 쿠싱증후군이라 한다.

성장호르몬-방출호르몬(GHRH)

아미노산 수가 37~44개 정도로 다양한 형태가 있으며 다른 신경호르몬과는 달리 뇌의 여러 지역에 넓게 분포하지 않고, 특정 부위에만 분포한다. 육체적 운동과 같은 자극에 의해 촉진되며 소마토스타틴에 의해서 분비가 억제된다. 이 호르몬의 분비가 비정상적으로 높을 때는 거인증을 일으키며 반대로 낮을 때는 키가 작게 된다(→ 색인 : 말단거대증).

소마토스타틴

성장호르몬의 분비를 억제하는 역할을 하며, 뇌하수체전엽에서 분비되는 갑상선자극호르몬의 강력한 억제제이기도 하다. 그외에도 인슐린·글루카곤 등의 분비를 억제할 뿐만 아니라 위산과 췌장의 효소분비, 그리고 장흡수과정 등의 내장기관의 기능을 억제한다.

프로락틴억제호르몬과 프로락틴방출호르몬

시상하부가 뇌하수체호르몬인 프로락틴의 분비를 조절하는 방법은 다른 뇌하수체호르몬을 조절하는 양상과는 2가지 관점에서 다르다. 첫째, 대부분의 시상하부호르몬은 뇌하수체호르몬의 분비를 촉진하지만 프로락틴의 경우에는 시상하부가 분비를 억제한다. 따라서 뇌하수체를 시상하부의 영향으로부터 차단하면 다른 뇌하수체호르몬은 분비되지 않지만 프로락틴은 계속해서 분비된다. 둘째, 프로락틴의 주요한 억제인자는 뉴로펩티드가 아닌 신경전달물질인 도파민이라는 점이다. 가장 주요한 프로락틴방출호르몬은 TRH이다.

위장성뉴로펩티드

뇌에서 발견된 많은 뉴로펩티드는 위장기관에도 존재하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 특징을 갖는 뉴로펩티드로는 글루카곤·가스트린·엔케팔린·세크레틴·콜레시스토키닌(CCK)·칼시토닌·물질P·뉴로펩티드Y 등이 있다. 이러한 펩티드는 통증의 전달과 억제, 음식물을 먹고 마시는 행동, 기억과 인지, 체온조절 등의 역할을 한다.

 

생물로서의 특성을 보여주는 일반적인 개념.

 

 

단백질의 기능

단백질은 생존에 꼭 필요한 물질로 모든 생명체에 존재하며 종과 조직에 따라 다른데 20여 가지의 아미노산들이 연결된 긴 사슬로 이루어져 있다. 단백질의 기능은 단백질을 이루고 있는 아미노산의 성질·조성·서열에 따라 달라진다. 동물의 조직이나 기관에 다량으로 존재하는 구조단백질 외에, 특히 대사반응의 촉매로 생존에 꼭 필요한 물질들을 합성·전환·분해하는 작용을 하는 효소와, 조절기능을 갖는 단백질호르몬 등은 소량으로도 매우 중요한 단백질이다. 식물은 모든 아미노산을 자체적으로 합성할 수 있으나 동물은 외부로부터 공급받아야만 한다.

구조단백질

콜라겐은 뼈·힘줄·인대·피부를 구성하는 구조단백질로, 전구물질인 프로콜라겐으로부터 만들어지며, 3개의 소단위가 나선형으로 꼬여 있는 형태를 갖고 있다. 콜라겐은 아미노산 중에 프롤린과 히드록시프롤린을 다량으로 포함하고 있는 점이 특징이며, 시스틴과 트립토판은 포함하고 있지 않다. 천연 콜라겐은 트립신의 작용을 받지 않으나 콜라게나아제라는 세균성 효소에 의해 가수분해된다. 생명체의 노화현상은 콜라겐 섬유간의 교차결합 때문인 것으로 생각된다. 케라틴은 상피세포 내의 구조단백질로 머리카락·손톱 등을 구성한다. 케라틴은 물에 녹지 않고 단백질 가수분해효소에 의해 분해되지 않으므로 음식물로부터 얻을 수는 없다. 케라틴은 시스틴들이 많은 이황화물 결합을 형성하므로 매우 안정하다.

인체에는 약 5~6㎏의 근육단백질이 있으며, 다양한 효소를 포함하는 미오겐과, 수축단백질인 미오신으로 이루어져 있다. 수축단백질은 경질단백질과는 달리 염용액에 잘 녹고, 효소의 영향을 받는다. 미오신은 점성도가 높고, ATP의 가수분해를 촉진한다. 또한 다른 근육단백질인 액틴과 쉽게 결합하여 액토미오신을 만들어 근수축에 관여하며 양 끝이 꼬인 2중 펩티드 사슬로 구성되어 있다. 피브리노겐은 혈장의 단백질로 혈액이 응고되는 동안 불용성 단백질인 피브린으로 전환된다.

알부민과 글로불린 및 다른 수용성 단백질

사람의 혈청에는 7％의 단백질이 포함되어 있으며, 2/3가 알부민이고 1/3이 알파·베타·감마 글로불린으로 이루어져 있다. 혈청 알부민은 생체내에서 생물학적 물질의 운반체로 작용하며 다른 단백질들을 안정화시키는 작용을 한다. 혈청 알부민은 글로불린에 비해 훨씬 덜 불균일하며(몇 개의 구분되는 단백질로 구성), 산성 염료와도 쉽게 결합한다. 알파 글로불린은 혼합물이고, 베타 글로불린은 혈액 내 구리의 운반체이며, 감마 글로불린은 항체와 관련되어 있다. 유즙단백질에는 알부민·a-락트알부민·글로불린·β-락토글로불린·카세인등이 있다. 유즙에 산이나 소의 위액에서 추출한 레닌을 첨가하면 카세인이 침전되며, 이것은 치즈를 만드는 데 이용된다.

난백(卵白)의 50％는 혈청 알부민과는 아미노산 구성성분이 다른 오브알부민으로 이루어졌으며, 그외에 콘알부민·라이소자임·오보글로불린 등으로 이루어졌다. 라이소자임은 용균작용(溶菌作用)을 하며 알파-락트 알부민과 3차 구조가 비슷하다.

프로타민은 어류의 정자 세포에서 발견되며 디옥시리보핵산(DNA)과 결합되어 있다. 또한 아르기닌을 많이 포함하고 있어 염기성이며, 모든 프로타민은 몇몇 유사한 단백질들의 혼합물 형태이다. 히스톤은 동식물 체세포의 핵에서 DNA와 결합한 상태로 산출되며, 동물의 정자에는 존재하지 않는다. 식물성 단백질은 대부분이 글로불린이며 소단위들이 중합체로 되어 있다. 곡류로부터 추출한 프롤라민은 리신을 거의 포함하고 있지 않으므로 식생활을 곡류에만 의존하는 경우 리신 결핍증에 걸릴 위험이 있다.

접합단백질

보결원자단과 단백질의 공유결합은 당단백질이나 헴(헤모글로빈의 색소성분) 단백질 등에서 볼 수 있으며, 비공유결합은 지방단백질, 핵산단백질, 헴 단백질, 금속함유 단백질에서 볼 수 있다. 무코 단백질과 당단백질은 올리고당이 보결원자단인 접합단백질이다. 지방단백질은 단백질과 지질 간의 결합체로 이 두 물질 사이의 화학결합 형태는 발견되지 않고 단지 미약한 물리적인 힘에 의해서만 연결되어 있는 것으로 보인다. 지방단백질의 물리적 성질은 단백질과 유사하며, 지질이 그물처럼 배열되어 있는 펩티드 사슬 안에 갇혀 있으므로 변성시켜 사슬을 풀어준 후에야 반응하기 쉽다. 단백질이 카로티노이드와 결합하면 유색지방단백질(有色脂肪蛋白質)이 형성되는데 눈의 망막색소(網膜色素)가 그 예이다.

금속함유 단백질은 중금속 이온이 단백질의 히스티딘이나 시스틴의 곁사슬, 또는 다른 아미노산에 직접 결합하여 만들어진 단백질이다. 종류로는 혈장의 글로불린 부분에 존재하는 트랜스페린과 세룰로플라스민이 있으며 각각 철(Ⅲ) 이온과 구리의 운반체로 작용한다. 녹색식물과 세균에서 발견되는 페레독신은 광합성이나 질소고정에서 전자수송체의 역할을 한다. 그밖에 아연 이온을 포함하는 효소들이 동물에서 많이 발견되었다. 헴 단백질과 색소단백질은 포르피린에 짙은 적갈색을 띠는 원인이 되는 철이 매우 강하게 결합된 형태의 화합물로, 호흡단백질인 헤모글로빈이 그 예이며 모든 척추동물과 일부 무척추동물에서 산소를 운반하는 역할을 한다. 철(Ⅱ) 이온에 4분자의 포르피린과 글로빈, 그리고 산소가 연결된 옥시헤모글로빈에서 산소 대신 결합력이 더 큰 일산화탄소가 결합하면 체내의 산소공급이 중단되어 호흡곤란을 가져오게 된다. 포유동물의 헤모글로빈은 종마다 아미노산 조성 및 구조가 다르며, 현재 사람에게서는 생후 7개월 미만의 유아에게서 발견되는 헤모글로빈 F를 비롯하여 100여 종의 헤모글로빈이 발견되었다. 핵산단백질은 단백질에 암모늄기(-NH₃^＋)와 핵산의 인산기가 결합하여 단백질-핵산 착물을 형성하여 만든 단백질로 뉴클레오프로타민과 뉴클레오히스톤 등이 있다.

단백질호르몬

호르몬은 효소활성도가 없고 표적기관의 생물학적 작용을 이끌어내는 구실을 한다. 단백질호르몬에 관한 자세한 설명은 호르몬 편에서 하기로 한다.

면역 글로불린과 항체

항체는 면역혈청의 γ-글로불린 부분에 결합되어 있으며, 체내에서 이물질에 대항하는 단백질로 항원 항체 복합체를 이룬다. γ-글로불린은 면역 글로불린과 비슷한 성질을 가지며, γ글로불린의 면역 글로불린 M, A, G, D, E 부분 중 대부분의 항체를 갖는 G에서 면역 글로불린 덩어리가 발견된다. 면역 글로불린을 환원시키면 2개의 가벼운 사슬과 2개의 무거운 사슬로 나뉜다.

효소

효소란 생체내의 다양하고 복잡한 모든 생화학반응의 촉진제이며, 조절기능도 있는 꼭 필요한 요소이다. 효소는 소화작용에서부터 혈액으로의 운반작용, 거대분자의 형성, 에너지 저장 및 방출 등에 관여하는 생명현상에 없어서는 안 될 중요한 요소이다. 1가지 효소는 1가지 화학반응의 촉매로 작용하여 대사과정 안의 각 반응단계에 관여하며, 의학적으로도 매우 중요하다.

1개 이상의 소단위들이 모여 형성된 수백여 개의 효소단백질은 기질과의 반응성에 따라 분류하며, 많은 효소들이 금속이나 조효소 같은 공동인자를 가진다. 효소는 극소량으로도 매우 유효한 촉매작용을 하며, 아미노산 서열에 따라 기질특이성을 갖는다. 기질과 결합하는 자리를 활성부위라고 하며, 효소의 활성부위나 그에 인접한 아미노산 구조를 변화시키면 효소활성도가 달라진다. 대개 각 효소의 소단위는 하나의 활성부위를 가지며, 기질과의 결합력은 정전기력 또는 소수성 친화력 등이 있다. 알코올 탈수소효소나 트롬빈 등은 생체내에서 매우 정확한 기질특이성을 가지는 반면 키모트립신이나 펩신같이 거의 모든 기질에 작용하는 것들도 있다(→ 단백질 )

 

 

단백질 공학

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단백질의 중요기능을 수행하는 아미노산을 원하는 다른 아미노산으로 교체하여 새로운 기능의 단백질을 만드는 기술.

생체 내에서 DNA가 갖는 정보에 따라 전령 RNA가 만들어지고, 이 전령 RNA에 따라 20여 종의 아미노산으로 이루어진 서열이 결정되어 단백질이 합성된다. 단백질은 아미노산 서열에 의해 결정되는 독특한 입체 구조와 기능을 지니고 있다. 즉 단백질을 구성하는 아미노산 서열 전체가 하나의 일정한 형태를 이룸으로써 촉매로서나 생리활성 단백질로서 작용하도록 주위 환경을 구성하며, 그중 몇 개의 아미노산은 직접 반응 메커니즘에 관여하거나 활성을 위한 접촉부위로 작용하게 된다. 그러므로 효소나 단백질의 주요기능 아미노산을 다른 아미노산으로 바꾸는 단백질공학 기술은 단백질의 기능 개선에 이용된다. 단백질공학에서는 우선 효소반응 메커니즘, 기질특이성 등을 비롯한 단백질의 기능 연구와 X선 결정학을 이용한 3차원 입체구조 연구 등을 통해 알려진 지식을 근거로 단백질의 기능을 변화시키리라 예상되는 특정 아미노산을 결정한다. 그 다음에는 유전자조작기술을 이용하여 이 단백질을 만드는 유전자를 분리하고, 합성 올리고뉴클레오티드를 이용해 변화시킬 아미노산에 해당하는 유전자서열을 변경시켜 돌연변이유전자를 합성하고, 이 유전자를 여러 미생물이나 세포에서 발현시켜 변형된 단백질을 생산한다. 단백질공학을 이용하여 단백질의 주요기능 아미노산을 바꾸었을 때 예상되는 단백질 성질의 변화는 ① 활성의 향상 또는 약화, ② 기질특이성의 변화, ③ 산 또는 알칼리에 대한 안정성 향상, ④ 열에 대한 안정성 향상, ⑤ 단백질분해효소에 대한 내성(耐性) 향상 등이 있다. 단백질공학의 응용의 예로 세제 첨가효소인 섭티라이신의 여러 아미노산을 변화시켜 촉매효율·기질특이성·안정성 등이 향상된 새로운 섭티라이신의 개발과 부작용이 없는 인슐린의 개발 등이 있다.