세포 내부 칼슘 이온 농도가 증가하면 어떻게 될까?
칼슘 이온은 동물체 내에서 매우 흔한 2가 양이온입니다. 양전하를 띠고 있는 흔한 이온이기 때문에 동물체 내 다양한 화학 반응에서 이용되는 이온입니다. 칼슘 이온은 동물체 내에서 어떤 역할을 하고 있을까요?
동물체 내에서 칼슘 이온의 역할
칼슘 이온은 동물체 내에서 여러 중요한 역할을 하는 이온입니다. 칼슘 이온의 농도가 과다하거나 부족할 경우 여러 문제가 생길 수 있습니다. 그러한 질병 상태를 알기 위해서 우선, 칼슘 이온이 동물체 내에서 어떤 역할을 맡고 있는지 살펴봅시다.
1. 뼈 생성, 유지
2. 근육 수축
근육이 수축하는 원리를 아신다면 칼슘 이온이 어떻게 근육 수축에 관여하는지 아실 겁니다. 간단히 살펴보자면, 근육 세포에 자극이 주어지면 근육 세포 소포체에 저장되어있던 칼슘 이온이 방출됩니다. 그 결과 근형질(근육세포질) 내부의 칼슘이온 농도가 증가하고, 트로포닌C와 칼슘 이온이 결합하는 화학 반응이 일어납니다. 원래 트로포닌은 액틴 섬유를 싸매고 있지만, 칼슘 이온과 결합한 트로포닌 복합체는 그 전자 분포의 변화로 인해 액틴 섬유를 노출시킵니다. 그 결과 액틴 섬유는 마이오신의 교차다리와 결합할 수 있고 근육이 수축합니다.
근육 세포의 수축은 생각보다 복잡하기 때문에 다음에 더 자세히 다루어보도록 하죠.
근육 수축에 칼슘 이온이 관여하고 있기 때문에 칼슘 이온 항상성에 이상이 생기면 골격근 수축이나 심장근 수축에 이상이 생길 수 있습니다.
3. 신경세포의 막전위
2가 양이온인 칼슘 이온은 세포의 막전위를 만들어내는 이온 중 하나입니다. 신경세포 막 내부에 양이온이 많으면 신경세포는 흥분 상태에 가까워집니다. 반대로, 신경세포 막 내부에 양이온이 적으면 비활성 상태에 가까워집니다. 즉, threshold(역치) 이상의 전위를 얻기 위해 필요한 양이온의 숫자는 신경세포 내부에 원래 존재하던 이온의 전위에 의해 결정됩니다.
따라서 칼슘 이온 항상성에 이상이 생기면 신경세포가 과도하게 흥분하거나, 흥분하지 않을 겁니다.
4. 호르문 분비
호르몬은 내분비세포가 특정 자극을 받았을 때 분비됩니다. 그러한 자극은 전기적 자극입니다. 내분비세포 내부에 양이온이 많으면 호르몬을 분비하지요. 즉, 내분비세포 내부의 칼슘 이온 농도는 내분비세포의 활성을 조절합니다.
5. Second messenger 이차전령
칼슘이온은 세포 내부의 단백질을 변형시킬 수 있습니다. 양이온인 칼슘이온이 단백질과 결합하면 단백질의 구조가 변형되기 때문입니다. 변형된 단백질은 세포 내부에서 여러 반응을 촉매합니다. 따라서 세포막 밖에 어떤 물질이 존재하는지는 결국 세포 내부의 칼슘 농도를 통해 세포 안에 전달되고, 그 결과 많은 화학 반응을 시작할 수 있습니다.
세포질 내부 칼슘 이온 농도가 과도하게 증가했을 때 일어나는 일
1. Mitochondria의 기능 상실
ATP는 모든 세포의 에너지 분자입니다. ATP를 생성하는 곳은 미토콘드리아입니다. 미토콘드리아는 내막을 사이에 두고 양쪽의 양성자 농도차에 따른 전위차를 이용해 ATP를 합성합니다. 전기에너지를 화학에너지로 전환하는 것이지요.
그러나 세포질 내부 칼슘 이온 농도 증가는 미토콘드리아의 막전위를 없애고, 그 결과 내막의 양쪽에 전위차가 존재하지 않습니다. 따라서 칼슘 이온이 세포 내에 과도하게 축적되면 ATP가 생성되지 않습니다.
2. 세포 구조 변형
칼슘 이온 농도 증가에 의해 세포골격 단백질인 Actin 섬유가 손상받아 세포의 구조가 변형되기도 합니다. 생물학에서 구조의 변형은 곧 기능의 상실을 의미하는 경우가 많습니다. 분자생물학이나 생화학적으로 많은 화학 물질이 그 구조에서 화학적 특성이 오고, 거시해부학적으로도 구조에서 기능이 나오기 때문입니다.
칼슘 이온 농도 증가에 따라서 세포의 평형이 깨지면 그 구조가 영향을 받고 결과적으로 세포는 기능하지 못합니다.
3. 단백질, 인지질 분해
세포 내부에 칼슘 농도가 증가하면 Calpain이나 phospholipase가 칼슘 이온과 결합합니다. 칼슘 이온과 결합한 calpain은 단백질을 분해합니다. 칼슘 이온과 결합한 phospholipase는 인지질을 분해합니다. 즉, 칼슘 농도 증가에 의해 세포 내부의 단백질과 세포막이 분해됩니다. 결과적으로 세포는 사멸합니다.
4. 산화래디컬 생성
세포 내부에 칼슘 농도가 증가하면 dehydrogenase라는 효소가 칼슘과 결합합니다. TCA cycle의 dehydrogenase가 활성화되면 산화 래디컬이 생성됩니다.
래디컬 물질들은 반응성이 매우 큽니다. 래디컬 물질은 전자 하나가 매우 불안하기 때문에 래디컬 물질에 의한 화학 반응은 조절될 수 없습니다. 그러한 화학 반응이 우후죽순 발생하면 결국 생명체는 기능을 유지하지 못하고 열역학 제2법칙에 지배당할 뿐입니다.
5. 세포 사멸 Apoptosis
위에서 설명한 모든 기전에 의해 세포는 사멸할 수 있습니다. 추가적으로 칼슘 이온 농도가 세포 내부에 증가하면 c-myc이라는 유전자가 활성화되어 직접적으로 세포 죽음(apoptosis)이 일어나기도 합니다.
세포 내부 칼슘 이온 농도를 증가시키는 물질
세포 내부 칼슘 이온 농도는 항상 일정하게 조절되어야 합니다. 따라서 모든 세포는 칼슘 이온 농도를 일정하게 유지하는 기전을 갖추고 있습니다. 그러나 일부 독성 물질들은 세포들의 이런 기전을 방해합니다. 그런 독성 물질은 Nitrophenol, Quinone, Peroxide, Aldehyde, Dioxine, Alkene 등의 구조를 갖춘 물질들입니다.