1. 개요
눈의 망막(retina)에 존재하는 막대세포(rod cell) 내 포함된 GPCR(G protein-coupled receptor)[1]의 하나. 독일의 프란츠 볼(Franz Christian Boll, 1849~1879)이 처음 발견했다. 옵신(opsin) 단백질과 레티날(retinal) 색소가 결합된 상태로 존재한다. 시홍(視紅)이라고도 한다.어두운 상태에서 막대세포의 막 전위(membrane potential)는 -30~40mV로 항상 신경전달물질(neurotransmitter)을 분비하고 있는 탈분극(depolarization) 상태인데[2], 탈분극 상태에서의 막대세포 막에는 수 많은 비선택적 이온 채널(non-selective ion channel)이 열려있어 나트륨과 칼슘 이온이 자유롭게 막을 통과할 수 있다. 이때 빛이 들어오면 로돕신 내 레티날의 구조가 변하는 것을 시작으로 일련의 과정을 통해 최종적으로 이온 채널이 닫히면서 신경전달물질의 분비가 감소하게 되고, 이로써 발생한 시각신호가 신경을 타고 뇌로 전달되는 것이다.구조가 변한 레티날은 어두운 환경에서 다시 원래의 구조로 되돌아오는 데 이 과정을 암순응이라고 한다[3].
2. 상세
평상시엔 cis 상태로 존재하는 레티날(11-cis-retinal)이 빛을 흡수하게 되면, trans 상태(all-trans-retinal)로 구조가 변하게 된다. 이와 동시에 레티날과 결합해 있는[4] 옵신 단백질의 구조가 변화되어 옵신 단백질이 활성화된다(Meta-rhodopsin Ⅱ). 활성화된 옵신 단백질은 인접해있는 트랜스듀신(transducin)[5]의 α 서브유닛(Gαt)과 결합해 해당 서브유닛 내 GDP(Gαt•GDP)를 GTP(Gαt•GTP)로 변환시켜 활성화시킨다[6]. 활성화된 로돕신은 불안정한 상태이기 때문에 위 과정을 마친 후 레티날과 옵신으로 분해된다.활성화된 Gαt•GTP는 세포막을 따라 이동하다가 비활성화된 cGMP phosphodiesterase(PDE)를 활성화시킨다. 활성화된 PDE는 cGMP를 가수분해시켜 5'-GMP를 생성한다. 막대세포의 세포막에는 cGMP 농도가 높아지면 열리는 이온 채널(cGMP-gated ion channel)이 있는데, PDE에 의해 cGMP 농도가 점차 줄어들면서 이온 채널이 닫히게 된다. 이온 채널이 닫히면 세포막을 경계로 한 이온의 이동이 줄어들게 되고 결국 막대세포는 과분극(hyperpolarization) 상태가 되어 신경전달물질(neurotransmitter)의 분비가 줄어들게 된다.
사람의 막대세포에는 4×10^7 만큼의 로돕신이 포함되어있는데, 각각의 활성화된 로돕신(의 옵신)은 500개의 Gαt 단백질을 활성화시킬 수 있다. 또한 활성화된 PDE에 의한 cGMP의 농도 변화로 막대세포 막 내의 수많은 이온 채널이 영향을 받게 되는데, 이러한 일련의 증폭(amplification) 과정을 통해 아주 적은 빛이 들어와도 굉장히 민감하게 반응할 수 있게 되는 것이다.
위와 같은 과정을 모두 마치면 과정에 참여한 물질들은 빠르게 원래의 상태로 되돌아와 다음 신호에 대비한 상태가 되어야 하는데, 이는 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다.
- RGS9, Gβ5라 하는 GAP(GTPase-activating protein) 단백질이 Gαt•GTP 내 GTP를 가수분해시켜 GDP로 만들어버려 Gαt를 비활성화시켜버린다.
- 이온 채널이 닫히면서 자연스럽게 세포 내 칼슘 이온의 농도도 낮아지는데[7], 그 결과 칼슘 농도에 민감하게 반응하는 GCAP 단백질이 활성화된다. 활성화된 GCAP(guanylate-cyclase activating protein)는 구아닐산고리화효소(guanylate cyclase)를 활성화시켜 cGMP를 재생성한다.
- Rhodopsin kinase로 활성화된 로돕신을 인산화(phosphorylation)시킨다[8]. 인산화된 로돕신은 점차 활성도가 감소하게 되고, 세 개의 세린이 모두 인산화되면 어레스틴(arrestin)이라는 단백질이 결합해 로돕신이 다른 단백질과 상호작용하는 것을 원천차단해 이후 과정이 진행되지 못하게 한다[9]. 이후 인산화된 로돕신은 phosphodiesterase에 의해 인산기가 제거되고 어레스틴과 분리되면서 본래 로돕신으로 되돌아오게 된다.
위와 같은 기작 외에도, 어두운 환경에서는 트랜스듀신을 막대세포의 바깥 부분(outer segment)에, 어레스틴을 안쪽 부분(inner sgement)에 위치시키는[10] subcellular trafficking 과정을 통해 활성화된 로돕신과 트랜스듀신, 어레스틴이 빠르게 상호작용할 수 있게끔 하여 빛의 변화에 민감하게 대응할 수 있게 하는 기작도 있다.
3. 기타
막대세포에 로돕신이 있다면 원뿔세포(cone cell)에는 아이오돕신(iodopsin)이 있다. 작용 기전은 로돕신과 비슷하지만 원뿔세포는 형태와 명암 뿐 아니라 색을 감지하기 때문에 구성물질에서 약간 차이가 있다.비타민 A가 부족하면 야맹증에 걸리는 이유도 로돕신의 구성요소인 레티날을 만드는데 비타민 A가 쓰이기 때문이다.
[1] 일반적으로 GPCR은 리간드(ligand)가 수용체(receptor)에 결합하면서 활성화되는 데 반해, 로돕신은 처음부터 리간드와 수용체가 결합해있는 상태로 존재한다.[2] 일반적으로 탈분극이 발생하면 활동 전위(action potenial)가 발생해 신경을 흥분시키지만 이 경우에는 그 반대이다. 이 때문에 망막에서는 신경의 흥분을 억제하는 신경전달물질이 분비된다.[3] 어두운 영화관에 갑자기 들어가면 처음에는 아무것도 보이지 않다가 점차 물체의 명암을 구분할 수 있게 되는데, 이는 바로 어두운 환경에서 로돕신이 합성되는 데 시간이 걸리기 때문이다.[4] 옵신의 라이신(lysine) 잔기의 아미노기에 레티날이 공유결합한 상태이다.[5] α,β,γ 세 가지 서브유닛으로 구성되어있는 trimeric G protein.[6] 비활성화 상태(Gαt•GDP)에서는 α 서브유닛이 β,γ 서브유닛과 결합해 세포막에 고정되어있지만, Gαt•GTP 상태에서는 β,γ 서브유닛과 분리되면서 세포막을 따라 자유롭게 이동이 가능한 활성화 상태가 된다.[7] 위 이온 채널과 별개로 세포 내 자체적으로 칼슘 이온을 꾸준히 바깥으로 방출시킨다.[8] 옵신의 C-말단부에 위치한 세 개의 세린(serine) 잔기를 인산화시키는데, 몇 번 인산화되느냐에 따라 활성도가 달라진다[9] 인산화된 로돕신과 비활성화된 로돕신은 다르다는 점을 유의.[10] 밝은 환경에서는 반대로 transducin이 안쪽 부분으로, 어레스틴을 바깥 부분으로 위치시킨다.