박문호 박사님의 뇌과학 강연 두번째 시간 강의내용을 한꺼번에 정리하기에는 양도 너무 많고 
제 역량도 부족한 것 같습니다.  다만, 수업들으면서 느낀 것은 신경전달물질과 수용체에 대한 일반론을 모르고서는 이해가 쉽지 않겠다는 점입니다.
 제가 천문우주 뇌과학 모임에서 발표준비하면서 신경전달물질과 수용체에 대해 공부했던 내용을 모아서 정리해 보았습니다.  좀더 심화된 내용은 정리되는 대로 다시 올려보려고 합니다. 

 참고한 교재는 다음과 같습니다.

 -<신경과학> NEUROSCIENCE  Exploring the Brain 제3판, 
   (박문호 박사님께서 수업시간에 소개하셨던, 뇌과학 최근 연구동향이 잘 나와있다고 한 책입니다.)
 -<필수세포생물학>
 -<하버드 핵심약리학>
 -<뇌와 기억의 수수께끼>  
 -<뇌로부터 마음을 읽는다>


1.시냅스란 무엇인가

  시냅스란 신경세포 간의 접촉영역입니다. 시냅스 전측의 종말부분, 시냅스 틈, 시냅스 후를 포함하고 있는 영역입니다. 긴 설명이 필요없겠지요. 박문호 박사님의 뇌과학 강연 두 번째 시간 첫 슬라이드의 초록색 점들, 그것들이 모두 다 시냅스입니다.

2.신경전달물질이란 무엇인가

 우리 뇌 안에는 무수하게 많은 신경세포가 있지요. 이 신경세포들이 서로 의사소통을 하는데, 그 방법에는 전기적 방법과 화학적 방법이 있습니다. 하나의 신경세포 안에서는 전기적 방법으로 정보가 전달되고(활동전위), 신경세포간의 시냅스에서는 화학적 방법에 의해 전달되게 됩니다. 신경전달물질은 시냅스에서 신경세포들 사이의 신호전달을 담당하는 화학물질입니다.

 신경전달물질이 호르몬과는 어떻게 다를까요?

세포들은 다른 세포들에 신호를 보내기 위해 여러 가지 물질들을 세포 밖으로 분비합니다. 다세포 동물에서 가장 많이 이용되는 방법은 혈액을 통하여 몸 전체에 분비물을 전달하는 것입니다. 이러한 방식으로 전달되는 신호물질을 호르몬이라고 부르지요.

호르몬과 신경전달물질은 체내의 세포 간에 연락을 담당하는 화학물질이라는 점에서는 동일합니다. 그런데 호르몬은 혈류를 타고 전달되기 때문에 정보전달 속도가 매우 늦습니다. 초당 수 밀리미터에서 수 센티미터 정도입니다. 이 정도 속도로는 고등동물의 재빠른 운동이나 행동을 야기 시킬 수 없습니다. 동물의 진화과정에서 호르몬 분비세포는 그 세포막의 일부를 돌출시켜서(박문호 박사님이 항상 강조하시는 세포막의 유동성이 여기서도 나타나네요), 가늘고 긴 섬유로 발달시켜 섬유를 따라 특별한 펄스파의 전류를 흘리는 방식으로 정보를 재빨리 전달하게 됩니다. 이것이 가장 원시적인 신경세포이며 이 가늘고 긴 섬유를 신경섬유라고 합니다. 신경섬유의 말단부에서는 신경호르몬을 분비하여 다른 신경세포로 정보를 전달하게 되는 것입니다. 한 마디로 신경전달물질은 브레인 내에서 교류되는 특별한 호르몬입니다.

3.신경전달물질의 종류

신경전달물질의 종류로는 크게 세 가지가 있습니다:

(1)아미노산, (2)아민, (3)펩타이드.

GABA, 글루타메이트(Glu), 글라이신(Gly)은 아미노산류의 신경전달물질이고, 아세틸콜린(ACh), 도파민(DA), 에피네프린, 노르에피네프린(NE), 세로토닌(5-HT)은 아민에 속합니다. 펩타이드에 속하는 신경물질은 엔케팔린이나 섭스턴스P등이 있습니다.

아미노산과 아민 신경전달물질들은 모두 하나 이상의 질소 원자를 포함하는 작은 생체분자들이며 시냅스 소낭에 저장되었다가 방출됩니다. 펩타이드 신경전달물질은 분비 과립에 저장되고 방출되는 큰 분자들입니다. 이들 신경전달물질들은 각기 다른 조건에서 분비됩니다.

 뇌의 다른 뉴런들은 각기 다른 신경전달물질들을 방출합니다. 거의 모든 중추신경계 시냅스에서 빠른 시냅스 전달은 아미노산인 글루타메이트(Glu), 감마-아미노뷰티르산(GABA), 글라이신(Gly)에 의해 매개됩니다. 

  

4.신경전달물질의 분비

활동전위가 축삭 말단에 도달하게 되면 신경전달물질의 분비가 일어납니다. 말단 세포막의 탈분극에 의해 전압개폐성 칼슘채널들이 열립니다. 휴지 상태일 때 세포막 내부의 칼슘이온 농도는 0.0002mM 정도로 매우 낮지만 칼슘 채널이 열리는 동안 축삭 말단의 칼슘농도는 수 만 배 이상 증가합니다. 이러한 칼슘농도의 증가가 시냅스 소낭으로부터 신경전달물질이  분비되게 하는 신호로써 작용합니다.

소낭들은 외포작용(exocytosis)을 통해 자신들이 가지고 있는 내용물들을 분비합니다. 시냅스 소낭의 막이 시냅스전 막에 융합되면서 소낭안의 내용물들이 시냅스 틈으로 분비되게 됩니다.

5.신경전달물질 수용체

시냅스 틈으로 분비된 신경전달물질은 시냅스후 막에 분포되어 있는 특정 수용체 단백질에 결합함으로써 시냅스후 뉴런에 영향을 줍니다. (주의: 신경전달물질이 직접 세포 안으로 들어가는 것이 아닙니다.)  다시 말해 세포체의 막에는 신경전달물질이 특이하게 들러붙는 단백질이 미리 준비되어 있는 것입니다. 전달물질을 열쇠라고 하면 수용체는 열쇠구멍에 해당합니다.  전달물질과 수용체의 관계는 그만큼 밀접하여 웬만큼 구조적으로 전달물질과 유사하지 않는 한, 전달물질 이외의 화합물이 그 수용체에 결합하는 일은 없습니다.

신경전달물질이 수용체에 결합하면 수용체 단백질의 입체구조가 변하고, 이 단백질은 기능이 달라지게 됩니다.

두 가지 신경전달물질이 같은 수용체에 결합하는 일은 없으나, 하나의 신경전달물질이 다양한 수용체에 결합할 수는 있습니다. 하나의 신경전달물질에 붙는 다른 수용체 각각을 수용체 아류형(receptor subtype)이라고 합니다.

 예를 들어서 설명해 볼까요. 글루탐산은 글루탐산 수용체에만 결합하고 GABA는 가바 수용체에만 결합합니다. 그런데 글루탐산 수용체에는 AMPA수용체, Kainate수용체, NMDA수용체, mGlu(1-7) 등의 여러 가지가 있고,  GABA수용체에도 가바A수용체, 가바B수용체 등의 여러 가지가 있습니다.

 놀라운 것은 똑같은 신경전달물질이라도 어떤 수용체 (즉, 어떤 서브타입)에 결합하느냐에 따라 시냅스 후 세포에서 발생하는 효과가 달라진다는 것입니다. 이것은 각 수용체 아류형이 수용체의 종류중 이온성 수용체에 해당하는가 또는 대사성 수용체인가 하는 점과도 관계가 있습니다. 

 

6.수용체의 종류

 여러 가지 신경전달물질이 있고 각 신경전달물질의 수용체에도 다시 여러 가지 수용체서브타입이 있다는 것을 보았지요. 그리고 그 각각에는 이온성 수용체도 있고 대사성 수용체도 있다고 했습니다. 그러면 이온성 수용기, 대사성 수용기가 무엇인지 볼까요.

1)이온성 수용체= ionotropic receptors

  (전달물질-개폐성 이온채널=transmitter-gated ion channels  )

 전달물질에 의해 열리는 이온채널입니다. (쉽게 말해서 신경전달물질 수용체중에서 이온채널로서의 성질을 겸비한 수용체입니다.) 네 개 또는 다섯 개의 단위체들이 하나의 채널을 형성하는 막단백질입니다. 신경전달물질이 없을 때는 구멍이 보통 닫혀 있다가 신경전달물질이 수용체에 결합하면 수용체를 이루는 단위체들이 약간의 비틀림을 비롯한 구조변화를 일으켜 (단백질 구조가 바뀌면서) 백만분의 일 초간 채널이 형성됩니다. 그러면 세포 바깥쪽에 존재하는 이온들이 세포 안으로 들어갑니다. 이때 열린 채널을 통해 어떤 이온이 통과하느냐에 따라 시냅스후 세포에 미치는 영향이 달라집니다.

  Na+이온이나 K+이온, Ca2+이온처럼 양이온을 통과시키는 수용체이면 시냅스 후 세포의 휴지막 전위를 탈분극시킵니다. 이 효과는 막 전위를 활동전위를 발생시키는 역치와 가깝게 하기 때문에 ‘흥분성’입니다.

   Cl-을 통과시키는 이온채널이라면, 시냅스후 세포막 전위가 과분극이 되고,  활동전위를 발생시키는 역치로부터 멀어지게 하는 ‘억제성’ 효과를 가져옵니다.

2)대사성 수용체 =metabotropic receptors

  (G-단백질 연결 수용체=G-protein- coupled ion channels )

 대사성 수용체는 수용체의 세포막 바깥 부분에 전달물질이 결합하는 부분이 있고 세포 내부에 G-단백질이 있는 구조입니다.
G-단백질은 구아노신 3인산염(guanosine triphosphate; GTP) 결합 단백질의 줄임말입니다. G-단백질은 실제로 약 20가지 종류의 다양한 계열이 있지만, 작동하는 기본적인 방식은 동일합니다.

대사성 수용체의 작용은 세 가지 단계로 구분됩니다.

 -신경전달물질 분자가 시냅스후 뉴런막의 수용체 단백질에 결합한다.

 -수용체단백질이 시냅스후 뉴런막의 내면을 자유롭게 움직이는 G-단백질을 활성화시킨다.

 -활성화된 지 단백질이 옆에 있는 이온채널을 활성화시켜서 이온채널이 열리도록 하거나, 이차메신저를 합성하는 효소를 활성화시킵니다.

 이차메신저(second messenger = 2차전달자 )는 세포내액으로 확산되어 또 다른 이온채널(이번에는 좀더 멀리있는 이온채널까지)의 활성을 조절하거나 세포대사에 영향을 주는 또 다른 효소들을 활성화시킵니다.

 이차메신저라는 말이 나왔는데, 그러면 일차 메신저는 뭘까요?
 (저는 대사성 수용체를 처음 공부할 때 이차 메신저란 용어는 계속 나오는데 일차 메신저가 뭔지는 책에 설명이 안 되어 있어서 참 답답했거든요.^^;  여러 날 후에야 다른 책 보다가 알게 되었는데 그 몇 줄이 정말 반갑더군요.)

세포 외부에서 세포막의 수용체까지 정보를 전달해주는 ‘신경전달물질’이 바로 일차메신저입니다. 이 신호를 받아 세포내부로 정보를 전달하는 것이 ‘이차메신저’가 되지요.

이차메신저는 하나만 있는 것이 아닙니다. 반응의 첫 효소와 마지막 효소 사이에 여러 2차전달자가 있을 수 있습니다. 이렇게 신경전달물질에서부터 다단계반응을 거쳐 하류 효소의 활성화에까지 이르는 전 과정을 ‘2차전달자 다단계과정’ second messenger cascade 라고 합니다.  

 
 G-단백질 결합 수용체는 이런 다단계과정을 거쳐서 광범위한 대사효과를 유발시킬 수 있기 때문에 대사성(metabotropic) 수용체라고 불리는 것입니다.

 글루탐산이나 GABA와 같은 신경전달물질이 주로 이온채널에 결합하여 빠른 시냅스성 전달을 유발하고 그 효과도 빠르게 종결되는데 비해서, 대사성 수용체에 작용하는 신경전달물질(예: 도파민이나 세로토닌 수용체들은 대부분이 대사성 수용체입니다)들은 오래 지속되고, 보다 다양한 시냅스후 활동을 유발시킬 수 있습니다.

7. 신경전달물질의 회수와 분해

 분비되어 시냅스후 뉴런 수용체에 한 번 작용하고 난 신경전달물질은 다음 시냅스 전달을 위하여 시냅스 틈으로부터 제거되어야 합니다.

 신경전달물질이 시냅스 틈으로부터 제거 되는 방법으로는,  1)전달물질 분자들이 확산에 의해서 시냅스로부터 멀어지는 방법,  2)시냅스전의 축삭말단에서 재흡수되는 방법, 3)시냅스 틈에서 전달물질이 효소에 의해 분해되는 것 등이 있습니다.

8. 화학적시냅스와 전기적시냅스

  여기까지 설명해온 시냅스는 화학전달물질을 신호로 해서 사용하고 있으므로 화학시냅스라고 하고 이 타입이 시냅스의 대부분을 차지합니다. 한편 두 개 뉴런의 막이 바짝 들러붙어 한쪽에 일어난 전기현상을 다른 쪽에 전하는 시냅스 즉 전기적 시냅스도 소수이지만 존재하고 있습니다. 여기서는 한 쪽의 뉴런에 생긴 전류가 직접 이웃 뉴런으로 흘러들어갑니다.

화학시냅스에서는 전달물질을 내는 쪽에서 받아들이는 쪽으로 흐르는 한 방향의 신호만이 발생하지만, 전기 시냅스의 경우는 여러 방향으로의 흐름이 생깁니다.  ‘누전’을 이용해서 신호를 여기저기에 전달하는 것과 같습니다. 그런 의미에서 미묘한 조절을 하는 데는 화학시냅스 쪽이 편리하고, 반대로 조금이라도 빨리 전달될 수 있으며 다소 부정확해도 좋은 경우는 전기시냅스가 유리할 것입니다. 화학시냅스를 이용하면 정보의 루트마다 다른 전달물질을 이용하고 각각의 물질 전용의 수용체에만 결합하기 때문에 이웃의 정보루트와 장소적으로 근접해 있어도 정보가 뒤얽히는 일이 없는 것입니다.