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KOREA  ASSOCIATION FOR CREATION RESEARCH

창조설계

세포막의 Kir2.1 채널 : 세포내 한 분자기계의 나노 구조가 밝혀졌다.

미디어위원회
2022-10-02

세포막의 Kir2.1 채널 

: 세포내 한 분자기계의 나노 구조가 밝혀졌다.

(Tune In to Channel Kir2.1)

David F. Coppedge


    세포 내의 한 초미세 분자기계의 구조가 최초로 원자 수준으로 상세하게 밝혀졌다.

    인간과 동물의 중추신경계는 전류, 즉 세포막의 내부와 외부 사이의 전압을 유지하는 능력에 의존한다.


    세포는 어떻게 전압(electrical voltage)을 얻을 수 있는가? 자연의 한 법칙인 삼투현상(osmosis)은 평형에 도달할 때까지, 고농도 물질이 저농도로 이동하려는 경향이다. 이와 대조적으로, 능동수송(active transport)은 생명체의 핵심 부분이다. 농도 구배(concentration gradient)에 반해서 물질을 밀어내는 것이다(비디오 참조). 세포는 분자기계(molecular machines)들을 사용하여 능동수송을 달성하는데, 세포의 막 채널(membrane channels)들은 필요한 물질(원자, 분자 또는 이온들)을 선택적으로 걸러내고, 농도 구배를 거슬러 그것들을 이동시킨다. 그렇지 않으면 그 물질들은 농도 구배에 따라 이동해갈 것이다. 이것에는 물을 여과하는 아쿠아포린(aquaporins), 분자 화물을 포장하고 이동시키는 소포(vesicles), 그리고 이온들을 이동시킬 수 있는 놀라운 전압 게이트 채널(voltage-gated channels) 등이 포함된다. 그것들 중 하나인 Kir2.1은 파리 소르본 대학(Sorbonne University)의 과학자들에 의해서 정교한 세부 구조가 밝혀졌다.

초해상도의 현미경을 사용한 새로운 방법들은 이전에는 볼 수 없었던, 세포 내의 분자 기계들을 살펴볼 수 있는 창을 제공했다. 대표적인 방법 중 하나는 저온전자현미경(cryo-electron microscopy)이라 불리는 것이다. 이것은 플래시 동결 분자기계(flash-freezing molecular machines)를 포함하고 있어, 전자현미경이 영화의 한 장면과 같은 순간적 장면을 촬영할 수 있게 한다. 서로 다른 시간에 충분히 촬영된 프레임은 과학자들이 기계의 동작에 대한 "영상"을 만들 수 있게 해준다. 이 방법으로 생화학자들은 나노 스케일의 분자기계들을 이미지화하여, 개별 원자들의 위치를 거의 이미지화할 수 있었다.


Source : Fernandes et al., Cryo–electron microscopy unveils unique structural features of the human Kir2.1 channel(저온-전자현미경은 인간 Kir2.1 채널의 독특한 구조적 특징을 드러낸다). Science Advances 23 Sep 2022, Vol 8, Issue 38, DOI: 10.1126/sciadv.abq8489.


그 논문은 공개 열람(open access)이 가능하다. 잠시 시간을 내어 그림들을 훑어보고, 이 놀라운 분자 기계가 어떻게 생겼는지를 감상해 보라. 여러분은 그것을 보면서, 여러분의 뇌와 심장이 초당 천만 개(ten million per second)의 속도로 이러한 필터를 통해 칼륨 이온을 능동적으로 펌프하고 있다는 것을 깨닫기 바란다.(Cell Biology by the Numbers).


작동 방식

Kir2.1은 전자 제품 애호가들에게 친숙한 일종의 "정류기(rectifier)"이다. 정류기는 전류가 한 방향으로 흐르도록 해준다. 전자공학에서 정류기는 교류(AC)를 직류(DC)로 바꿀 수 있다. 세포에서 이 정류기들은 본질적으로 같은 일을 한다. 전하를 한쪽에서 다른 쪽으로 한 방향으로 가게 한다.

.Kir2.1 전압-의존 정류기 채널을 옆과 위에서 본 모습.


세포막이 전하를 정류하기 위해서는 칼륨(K+)과 같은 양전하를 띤 이온이 채널을 통해 막 내부로 펌핑되어야 한다. 일련의 4개의 "문(gates)"들은 이 작은 이온들의 일방향 통행(one-way passage)을 보장한다. 첫 번째 문은 이온들을 모으는 "선택도 필터(selectivity filter)"이다. 이것들은 다른 분자와 이온들을 차단하면서, 칼륨 이온이 통과할 수 있도록, 수축을 통해 충분히 열리고 닫혀 빠르게 통과시킨다.

내향성-정류 메커니즘(inward-rectification mechanism)은 탈분극 전위에서 채널 기공을 막는 내인성 폴리아민(endogenous polyamines)과 Mg2+에 의해서, 채널의 세포질 측면에서 차단(block)되는 결과를 가져와, 외향성 전류가 감소하게 된다. K+ 이온이 과분극 전위에서 세포 내로 유입될 때, 차단제(blockers)는 기공에서 제거된다. 이러한 전압 의존적인 차단은 안쪽 방향으로만 전류를 효율적으로 흐르도록 하는 결과를 초래한다.

따라서 채널은 자체 조절, 전압 감지, 필요에 따른 수축으로 개방 또는 차단된다. 이러한 일이 나노 스케일의 전자 장치로 이루어지고 있는 것이다. 놀랍지 않은가? 더군다나 이 채널은 변화하는 환경에 반응하여 만들어진 신호를 수신한다. 저자들은 네 가지 사례를 열거하고 있었다. 그들은 또한 키르(Kir) 채널이 16개의 유전자들에 의해서 암호화되어 있다고 말한다. 이것은 단백질 부분이 핵에서 리보솜으로 전달되고, 그것들이 필요로 하는 막의 부위로 전달되어야 한다는 것을 의미한다. 채널은 올바른 방향으로 막 내로 삽입되어야 하며, 이는 추가적인 품질 관리 메커니즘이 존재함을 의미한다.

이러한 초미세 정밀 채널 중 하나라도 돌연변이에 의해 엉망이 되면, 나쁜 일이 발생한다. 저자들은 "Kir2.1 채널에서의 유전적 결함은 안데르센 증후군(Andersen’s syndrome)을 포함하여, 사람에서 몇 가지 희귀질환의 원인이 된다"고 말한다. 다행인 것은 돌연변이가 드물다는 것이다 ; 그러한 결함은 "비정상적 심장 박동, 처진귀(low-set ears), 작은 아래턱을 포함한 신체적 특징, 그리고 저칼륨혈증 주기성 마비(Hypokalemic Periodic paralysis)라고 알려진 간헐적인 주기적 근육 약화"를 유발한다.

칼륨 원소(K)가 지구상 어디에서 발견되고, 그것이 어떻게 생명체 내로 통합되어 있는지를 흥미롭게 보려면, 인기 있는 유튜브 채널 베리타시움(Veritasium)에서 칼륨에 대한 비디오를 보라. 또한 Evolution News에 게재된 체내 칼륨에 대한 하워드 글릭스만(Howard Glicksman)의 글도 읽어보라.

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이 아름다운 초미세 정류기가 어떻게 생겨났는가? 무기물질들이 우연히 뭉쳐져서 생겨났는가? 논문 그 어디에도 그것의 기원에 대해서는 언급되어 있지 않다. 앞의 비디오 링크가 보여주듯이, 최초의 원시적인 "원세포(protocell)"도 원치 않는 물질을 선택적으로 차단하고, 필요한 물질을 받아들일 수 있는, 이러한 다수의 채널들 없이는 작동될 수 없다. 이러한 채널은 각 부분을 자세히 살펴보면, 모든 부분들이 지적설계를 강력하게 가리킨다.

우리들 대부분은 우리를 계속 움직이게 하는, 신체 내부의 모든 설계된 분자기계들을 의식하지 못한 채 살아간다. 우리는 삶에 대한 경외심을 높이고, 이러한 경이로운 초미세 분자기계들을 설계하신 창조주 앞에 겸손해지기 위해서는, 그것들에 대해 더 배워야 할 것이다.

불행하게도, 과학계의 대다수 사람들은 물질주의적 세계관을 받아들였기 때문에, 이러한 분자기계들이 자연적인 과정으로 우연히 생겨났을 것이라는 진화론적 설명을 받아들인다. 그들은 유물론(materialism)을 가정하고, 이러한 초고도 복잡성의 기계들이 지적설계되었을 가능성에 대해서 눈과 마음을 닫는다. 그러한 무지는 그들의 동료들에 의해 강화되고, 학교 교육 전체에서 지적설계를 거부하도록 이끈다. 

여러분이 과학 분야에서 일을 하고 있다면, 이러한 초미세한 분자기계들의 전자현미경 사진을 보고, 잠시 멈춰 생각해보기를 바란다. "어떻게 이런 것이 우연히 생겨날 수 있지? 그것은 설계된 것처럼 보이는데.“



*참조 : 경이로운 분자기계들이 우연히 생겨날 수 있을까? : ATPase의 작동을 보여주는 영상물

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세균의 복잡성에 대한 추가적 발견

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최첨단 공학기술도 DNA의 초고도 복잡성에는 한참 뒤처져 있다.

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가장 작은 세포도 예상했던 것보다 훨씬 복잡하다 : 마이코플라즈마는 387개의 단백질이 필수적이었다.

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출처 : CEH, 2022. 9. 28.

주소 : https://crev.info/2022/09/tune-in-to-channel-kir2-1/

번역 : 미디어위원회



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