| ## 인슐린의 구조, 생합성, 분비 및 생리작용 http://life.nhic.or.kr/index.jsp
2. 인슐린의 구조
인슐린은 A와 B 두 개의 아미노산 사슬로 구성되어 있으며 이 두 사슬은 A7과 B7, A20과 B19 부위가 disulfide bond (-S-S-)로 연결되어 있고, 이 외에 A6과 A11 사이에도 또 하나의 disulfide bond가 존재하고 있다. 각각의 사슬은 21개와 30개의 아미노산으로 구성되어 있으며 A 사슬의 8, 9, 10번과 B 사슬 30번 아미노산은 종에 따라 서로 다르다. 종에 다른 아미노산의 치환은 인슐린의 고유 기능에 아무 영향을 미치지 않으므로 얼마 전까지 돼지 인슐린을 당뇨병에 걸린 환자의 치료에 이용한 바 있다. 이와 같은 heterogenous insulin의 사용은 드물게 그 작용의 증가 또는 감소를 가져오기도 하나 대부분의 경우에서 인체 인슐린과 별 차이없이 사용할 수 있었으며, 최근에는 유전자 재조합 (recombinant DNA) 기법을 이용하여 인체 인슐린을 복제해 내는 방법이 가능해짐으로써 생체에서와 동일한 인슐린을 생산하고 사용하는 것이 가능해졌다.
3. 인슐린 생합성
처음 합성되는 인슐린은 분자량이 11,500인 preprohormone으로서 N-terminal 부위에 위치한 소수성 아미노산 23개로 구성된 leader peptide가 이것을 소포체(endoplasmic reticulum)으로 유도하며, 여기에서 leader sequence가 절단되면서 disulfide bond가 형성되어 3차 구조를 이루면 분자량 9,000인 proinsulin이 된다.
Proinsulin은 A와 B 사슬 사이를 연결하는 펩타이드(connecting peptide)를 가지고 있는 것이 특징이며 Golgi body로 운반되면 proteolysis과정에 의해 절단되어 성숙한 인슐린을 합성하게 된다. Connecting peptide가 절단되는 과정에는 trypsin-like protease와 carboxypeptidase-B like protease가 기능을 하며 췌장의 islet 세포에서 합성되는 다른 호르몬들도 이와 유사한 과정을 거친다.
대부분의 proinsulin은 insulin을 형성한 후 세포의 원형질막을 통해 exocytosis에 의해 분비되어 인체에서 고유의 기능을 나타내게 된다.
★ 인슐린 유전자의 특징
Central dogma에 따라 DNA가 전사(transcription)과정을 거쳐 mRNA를 합성하고, mRNA가 번역(해독, translation)과정을 거쳐 단백질을 만드는 것과 마찬가지로 인슐린의 전구체인 preprohormone도 특정 유전자(gene)로부터 합성되며, 이 유전자를 인슐린 유전자(insulin gene)이라고 한다.
인슐린 유전자는 11번 염색체의 short arm에 위치하고 있으며, 이 유전자에 돌연변이가 발생하는 경우 당연히 이 유전자로부터 합성되는 단백질의 아미노산 서열도 정상과 달라지게 되므로 기능에 이상이 생긴 인슐린이 합성된다. 따라서 인슐린 기능에 이상이 발생하므로 인슐린 의존성 당뇨병(IDDM)이 발생할 수 있다. 현재까지 밝혀진 기능에 이상이 있는 인슐린 유전자의 돌연변이만도 5가지 이상이며 기능 이상이 확인되지 않은 인슐린 유전자의 돌연변이는 수시로 발견되고 있으므로 정확한 숫자를 확인하기도 힘든 상황이다.
4. 인슐린 분비
보통 성인의 췌장 속에 저장되어 있는 인슐린의 양은 보통 250～300 unit이고, 하루에 분비되는 양은 40～50 unit 정도이다. 인슐린의 분비에는 체내 탄수화물 섭취량 외에도 수많은 인자들이 관여하고 있으며 이 중 대표적인 것 몇 가지를 예로 들면 아래와 같다.
(1) 포도당
인슐린 분비에 가장 중요한 요소로 작용하며 혈중농도 300～500mg%일 때 인슐린 분비를 가장 왕성하게 한다. 일단 포도당이 주입되면 즉시 인슐린 분비가 많아졌다가 5～10분 후에 감소하여 분비상태의 30% 이하까지 떨어진 후 다시 서서히 분비가 증가한 다음 1시간 정도 지나면 급격히 분비가 감소하게 된다. 이것은 포도당이 얼마나 오랜 기간 주입되느냐에 따라 영향을 받는다.
포도당 투여 방법은 경구 투여시 정맥주사보다 더 효과적으로 반응한다. (술에 취했을 때 해독을 위해 포도당을 투여하는 상황과 비교해 보라)
포도당이 인슐린 분비를 증가시키는 기전은 포도당이 B 세포 원형질막에 존재하는 수용체에 결합하여 인슐린 분비를 증가시키는 기전과 세포 내에서 탄수화물에 대사되는 과정에서 생겨날 수 있는 중간대사물들이 인슐린 분비를 촉진시키는 기전, 이 두 가지로 설명하고 있다.
(2) 아미노산
단백질을 섭취하는 경우 인슐린 분비가 자극되며 포도당과 동시에 투여되는 경우에는 상승작용이 강하다. 특히 Leucine의 경우 인슐린 분비 촉진 효과가 강하게 나타나며 지방산도 약하지만 인슐린 분비 촉진 효과를 지닌다.
(3) 호르몬
호르몬의 종류에 따라 인슐린 분비에 미치는 작용이 다르다. 일반적으로 cAMP를 증가시키는 기전에 관여하는 호르몬들은 대부분 인슐린 분비를 증가시키지만 α-adrenergic agonist로 작용하는 에피네프린의 경우에는 인슐린 분비를 억제시킨다.
성장 호르몬, 에스트로겐, 태반 락토겐 등도 인슐린 분비를 증가시키므로 임산부에서는 임신말기로 갈수록 인슐린 분비가 증가된다.
(4) 세포내 매개체
cAMP는 인슐린 분비를 증가시키는 대표적인 세포내 매개체이며 특히 포도당이나 아미노산에 의해 인슐린이 유도되는 경우 이 작용이 특징적으로 나타난다. 작용 기전은 신호전달 기전에 작용하는 Ca2+ 유리를 증가시키거나 특수한 kinase를 활성화시킴으로서 microfilament microtubule system의 구성성분중 어딘가를 인산화시켜서 Ca2+에 민감한 구조를 유도하여 수축효과를 일으켜 인슐린 분비를 증가시킨다.
이 외에도 세포내 Ca2+ 유리에 영향을 미치는 세포내 매개체들은 모두 인슐린 분비에 일부 기능을 담당하고 있다.
5. 인슐린 대사
인슐린은 혈장내에 운반을 담당하는 단백질이 없으므로 그 반감기가 3～4분밖에 안 될 정도로 짧다. 일단 분비된 인슐린은 주로 간장, 신장, 태반 등에서 대사된다.
인슐린 대사는 첫째, 인슐린에 특이하게 작용하는 단백질 분해 효소(protease)에 의해 분해되는 것으로서 이 효소는 여러 조직에 존재하나 간장, 신장, 태반에 특히 많이 존재하고, 생리 pH인 중성에서 활성을 가지며 sulfhydryl기에 의존성인 특징이 있다. 다른 대사 과정은 간장에서 일어나며 glutathione-insulin transhydrogenase에 의한 대사이다. 이 효소는 인슐린의 disulfide 결합을 환원시켜 인슐린을 A와 B 사슬로 분해하고 이 사슬은 섭취된 아미노산과 비슷한 경로를 돌며 대사되어 분해된다.
6. 인슐린의 생리 작용
인슐린의 생리작용을 추리하려면 당뇨병 환자에서 어떤 증상이 나타나는지를 유추해 보면 된다.
당뇨병의 주증상인 고혈당과 당뇨는 (1) 혈장 내 포도당이 세포내로 이동 저하, (2) 여러 조직에서 포도당 대사 저하, (3) 간장에서 당신생 증가로 포도당 형성이 증가되어 나타나는 결과로 적당한 칼로리를 섭취하는 데도 체중이 감소된다.
정상인에서는 혈장 포도당 농도가 120 mg% 이상 상승하는 경우가 드물지만 인슐린 결핍 당뇨병에서는 이보다 훨씬 높은 혈장 포도당 치를 유지한다.
사람에서 혈장 포도당 농도가 170-180 mg% 이상 되면 신장 세뇨관의 최대 재흡수 능력을 초과하므로 소변에 당이 배출되어 당뇨를 나타내며, 소변에 배출되는 당에 의한 삼투현상에 의해 소변량이 증가되어(polyuria) 탈수 현상을 일으킬 수 있으며, 갈증이 일어나 물을 많이 마시게 된다(polydipsia). 또한 식욕이 증가하여 많은 음식을 섭취하더라도 소변으로 배설된 당으로 인한 calorie 손실(4.1 kcal/gm 포도당)과 근육과 지방조직에서의 이화 작용증가로 심한 체중 감소가 일어나게 된다.
인슐린이 부족하면 근육 세포로의 아미노산 이동이 저하되고 아미노산은 주로 간장에서 gluconeogenesis를 통해 소모되기 때문에 단백질 합성이 저하되어 negative nitrogen balance를 일으킨다. 인슐린 부족으로 인슐린의 지방합성 작용이 없어지고 지방 가수분해가 증가되어, 혈장 내 지방산이 증가하게 되고, 간장으로 지방산 이동이 증가된다. 이 지방산을 CO2로 산화시킬 수 있는 간장의 능력이 초과되면, β-hydroxybutyric acid, acetoacetic acid와 acetone(ketone bodies)이 증가되어 ketosis를 일으키고, 대사성 산증(metabokic acidosis)를 일으킨다. 이것이 심하면 환자는 당뇨병 혼수를 일으키며 사망하게 된다.
(1) 인슐린의 세포막 운반에 대한 효과
세포 내에 존재하는 유리 포도당의 농도는 세포 밖에서보다 훨씬 낮다. 보통 포도당이 근육과 지방세포 원형질막을 통과하는 속도에 비례하여 포도당 인산화와 포도당 대사가 일어나며, D-glucose, D-galactose, D-xylose와 L-arabinose(모두 포도당의 C1-C3와 같은 원자 배치를 갖는)는 carrier-mediated facilitated diffusion에 의해 세포 내로 이동되는데, 이 과정은 인슐린에 의해 증가된다.
포도당의 이런 세포막 운반 증가는 Km 효과(결합 친화력 증가) 보다 Vmax 효과(운반체 수의 증가)에 의한 현상이다. 이와 같은 운반체 수의 증가는 Golgi에 존재하는 운반체가 원형질막으로 이동되어 일어나며, 이 현상은 온도와 에너지에 의존할 뿐 운반체 단백질 합성과는 관계가 없다.
그러나 간장 세포에서는 이와 다르게 포도당의 facilitated diffusion을 증가시키지 않고, 인슐린에 의해 합성이 증가된 glucokinase 작용을 통해 세포내에 유리된 포도당을 glucose-6-phosphate로 전환시킴으로써 간접적으로 세포내로 포도당 이동을 증가시킨다. 즉 간장세포내 유리 포도당이 인산화되면 유리 포도당 농도가 저하되어 세포밖 포도당과의 농도차에 의한 simple diffusion 현상에 의해 간장세포로 포도당 이동이 증가되는 것이다.
인슐린은 또한 근육에서 포도당 이동을 증가시키는 작용과 관계없이 아미노산의 세포내 이동을 증가시키고, K+, Ca2+, nucleoside와 Pi의 이동을 증가시킨다.
(2) 포도당 대사에 대한 효과
인슐린은 세포 내 포도당 대사를 증가시켜 포도당 총 섭취량을 기준으로 (1) 50% 미만이 해당작용에 의해 에너지로 전환하고, (2) 30～50%는 지방산으로 전환하며, (3) 10% 미만을 glycogen으로 저장하도록 한다.
이와 달리 정상인에서 섭취된 포도당은 약 반이 해당작용을 통해 에너지로 전환되고, 약 반이 지방과 glycogen으로 전환된다. 인슐린이 없으면 해당 작용이 저하되고, glycogenesis와 지방 합성이 저하된다. 실제로 인슐린이 결핍된 당뇨병 환자는 섭취한 포도당의 약 5%가 지방으로 전환될 뿐이다.
인슐린은 간장에서 glycolysis에 관여하는 key 효소인 glucokinase, phosphofructokinase와 pyuvate kinase의 양과 활성을 증가시켜 glycolysis를 증가시킨다. Glycolysis가 증가하면 포도당 이용이 증가되어 간접적으로 세포내 포도당이 혈장으로 이동되는 것이 저하된다. 인슐린은 간장내 glucose 6-phosphatase 활성을 저하시켜 간장 세포외로 포도당 배출을 억제한다.
또 인슐린은 지방 조직에서 (1) glycolysis와 phosphogluconate oxidative pathway 증가로 지방산 합성에 필요한 acetyl CoA와 NADPH를 공급하고, (2) acetyl CoA로부터 malonyl CoA를 합성하는 acetyl CoA carboxylase를 정상치 또는 그 이상의 활성치로 유지시키며, (3) triacylglycerol 합성에 필요한 포도당 중간 대사물인 L-glycerophosphate를 공급하여 지방 합성이 증가되도록 한다. 인슐린 결핍 시에는 위의 모든 작용이 반대로 일어나 지방 합성이 저하된다. 지방이 분해면서 유리가 증가된 지방산은 acetyl CoA carboxylase를 억제시켜 지방산 합성을 억제한다. 즉 인슐린은 지방 합성을 증가시키나 결핍시에는 지방 합성이 저하된다.
인슐린은 포도당으로부터 glycogen 합성을 증가시킨다. 간장과 근육에서 인슐린은 포도당이 glucose-6-phosphate로 되는 반응을 촉진시키고, glycogen synthase 활성을 증가시켜, glycogen 합성을 증가시킨다. 인슐린은 phosphodiesterase를 활성화시켜 세포내 cAMP를 감소시키며, cAMP가 저하되면 glycogen synthase가 활성형이 되어 glycogen 합성이 증가된다. 인슐린은 또한 phosphoprotein phosphatase(PP-1)를 활성화시켜 glycogen 합성을 증가시키며, glycogen으로부터 glucose유리를 저하시킨다.
(3) Gluconeogenesis 작용
인슐린은 다른 여러 단백질과 마찬가지로 인산화 여부가 효소를 활성화에 아주 중요하게 작용하며 따라서 인슐린의 여러 효과는 수초 혹은 수분내에 일어난다.
혈당에 미치는 인슐린의 효과중 오래 지속되는 것은 인슐린이 gluconeogenesis를 억제하는 과정에 의해 발생한다. 함수탄소 아닌 다른 전구체 및 이들 중간 대사물로부터 포도당이 합성되는 과정은 여러 효소 반응을 통하여 이루어지는데, 이들 반응에 관여하는 많은 효소는 glucagon에 의해 cAMP를 통해서 활성화되거나 또는 glucocorticoid 호르몬에 의해 활성화된다. 그 정도는 약하지만 α-와 β-adrenergic제재, angiotensin II와 vasopressin에 의해 활성화되기도 한다. 인슐린은 이들 호르몬에 의해 활성화되는 효소들을 억제한다. 간장에서 gluconeogenesis를 일으키는 key 효소는 phosphoenol-pyruvate carboxykinase(PEPCK)인데, 인슐린은 PEPCK를 합성하는 mRNA의 전사를 선택적으로 억제하여 이 효소의 양을 감소시킨다.
이와 같이 인슐린의 작용은 혈장내 포도당치를 저하시키는 것이다. 혈당을 높이는 호르몬에는 여러 가지가 있으나 혈당을 감소시키는 것은 인슐린 뿐이다. 혈당을 높이는 효과를 갖는 호르몬이 여러 가지인 것은 혈당 저하를 방지하여 정상 뇌대사를 유지하게 하는 중요한 방어기전이다.
(4) 지방 대사에 대한 작용
인슐린은 지방 합성을 증가시키고, 간장과 지방조직에서 지방 가수분해를 억제하여 지방 축적을 일으킨다. 이런 현상은 인슐린이 이들 조직 세포내 cAMP를 감소시켜 일어나는 현상이다. 지방산은 glycolysis를 일으키는 여러 반응을 억제하고 gluconeogenesis를 증가시키기 때문에, 혈장내 유리 지방산 저하는 탄수화물 대사에도 영향을 미치게 된다.
인슐린이 결핍되면 lipase 활성이 증가되어 lipolysis가 증가하므로 혈액과 간장내 지방산이 증가하게 된다. Glucagon은 인슐린 결핍환자에서 증가되어 있으므로 triacylglycerol 가수분해를 증가시켜 혈액내로 지방산 유리를 증가시킨다. 인슐린이 부족한 환자에서 증가된 지방산의 일부는 β-oxidation에 의해 acetyl CoA를 형성하여 citric acid cycle을 통하여 H2O와 CO2로 대사되는데, citric acid cycle을 통한 대사 능력보다 β-oxidation이 증가되므로 acetyl CoA가 증가되어 acetoacetyl CoA가 형성되고, ketone body인 acetoacetic acid와 β-hydroxybutyric acid 및 acetone 형성이 증가된다. (인슐린은 이와 반대로 작용한다)
인슐린은 VLDL과 LDL형성 및 제거에 영향을 미치므로 당뇨병 환자는 혈장 내 VLDL과 LDL 및 cholesterol이 증가되어 있고, 오래 지속되면 동맥경화증을 유발할 수 있다.
(5) 단백질 대사에 대한 작용
인슐린은 단백질 합성을 증가시키고 단백질 분해를 억제시키는 작용이 있다. 근육에서 포도당 흡수나 단백질 합성과 관계없이 type A 중성 아미노산 흡입을 증가시킨다. 인슐린에 의한 단백질 합성 증가는 보통 전사가 아닌 단백질 합성 단계에서 작용하여 나타나지만, 인슐린이 해당 단백질을 합성하는 mRNA의 양을 변화시켜서 이 단백질 합성에 영향을 미치는 경우도 있다.
(6) 세포 증식에 대한 작용
인슐린은 배양 세포에서 증식을 유도하고 생체 내에서 성장 조절에 관여한다. 배양 fibroblast에서 fibroblast growth factor(FGF), platelet-derived growth factor(PDGF), tumor-promoting phorbol ester, prostaglandin F2a(PGF2a), vasopressin 및 cAMP 유도체들이 혈청이 첨가되지 않은 배양 조건에서 cell cycle의 G1 phase에서 정지된 fibroblast의 cell cycle 진행을 자극하는데, 인슐린이 이들의 작용을 더욱 증대시킨다.
Cell cycle에 대한 growth factor의 작용은 두 가지로 나타난다. 하나는 G phase에서 생화학적 변화를 일으키게 하여 growth factor 없이도 cycle을 돌아가게 하는 기전으로 PDGF, FGF, PGF2a와 phorbol ester들이 이에 속하며, 다른 하나는 인슐린처럼 cell cycle에 항상 존재하면서 S phase를 통해서 cell cycle이 돌아가도록 하는 것이다. 세포 주기와 관련한 세포내 조절 기전에 대한 연구는 최근에 비약적으로 발전하고 있으며 앞으로도 계속 새로운 결과들이 나타날 것으로 기대되고 있다.
인슐린은 상피에서 유래된 여러 세포들의 성장과 증식에 관여한다. 대단히 낮은 농도에서 인슐린 수용체를 통해 세포증식을 자극하는데, 경우에 따라서는 다른 peptide growth factor 없이도 세포증식을 자극한다. 인슐린은 단백질 인산화 과정 혹은 효소 합성 조절에 의해 기능을 변화시켜 세포 증식에 영향을 미치는 것으로 보고되어 있다.
인슐린 수용체는 다른 growth-promoting peptide인 PDGF와 EGF 수용체와 같이 tyrosine kinase 활성을 가지고 있다. 지금까지 알려져 있는 종양 유전자(oncogene)중 tyrosine kinase 활성을 통해 발암과정에 관여하는 것이 10가지 이상 밝혀져 있으므로 종양 유전자의 발암 과정의 어느 부분에서 인슐린이 관련될 가능성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
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제 목 : 인슐린 구조 생합성 기능
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