슬라이딩 필라멘트 이론

Sliding filament theory
슬라이딩 필라멘트 이론: 이완(위) 및 수축(아래) 위치에 있는 사커

슬라이딩 필라멘트 이론은 서로 미끄러져 움직이는 근육 단백질을 바탕으로 근육 수축의 메커니즘을 설명한다.[1] 슬라이딩 필라멘트 이론에 따르면 근육섬유 미오신(thick) 필라멘트는 근육수축 중에 액틴(thin) 필라멘트를 지나 미끄러져 나가는 반면, 두 그룹의 필라멘트는 비교적 일정한 길이로 유지된다.

1954년 앤드류 F로 구성된 두 개의 연구팀이 독자적으로 도입했다. 케임브리지 대학의 Huxley와 Rolf Nedergerke, 그리고 다른 하나는 MIT의 Hugh Huxley와 Jean Hanson으로 구성되어 있다.[2][3] 그것은 원래 1953년에 휴 헉슬리에 의해 고안되었다. 앤드루 헉슬리와 니데르게르케는 "매우 매력적인" 가설이라고 소개했다.[4]

1950년대 이전에는 근육 수축에 관한 몇 가지 경쟁 이론이 있었는데, 여기에는 전기적 끌어당김, 단백질 접힘, 단백질 변형 등이 포함된다.[5] 이 참신한 이론은 슬라이딩 필라멘트의 분자 메커니즘을 설명하는 크로스 브리지 이론(전통적으로 흔들리는 크로스 브리지 이론, 현재는 대부분 (크로스 브리지 사이클)이라고 불리는 새로운 개념을 직접 도입했다. 교차교량 이론은 액틴과 미오신이 액틴 필라멘트에 미오신 머리를 부착함으로써 단백질 복합체(일반적으로 액토모신이라고 함)를 형성하고, 따라서 두 필라멘트 사이에 일종의 교차교량(cross-bridge)을 형성한다고 말한다. 슬라이딩 필라멘트 이론은 근육 수축의 기초가 되는 메커니즘에 대한 널리 받아들여지는 설명이다.[6]

역사

초기 작업

처음 발견된 근육단백질은 1864년 독일의 과학자 윌리 쾰른에 의해 미오신(myosin)으로 추출되어 이름을 붙였다.[7] 1939년 러시아 부부팀 블라디미르 알렉산드로비치 엥겔하르트와 밀리차 니콜라예브나 류비모바는 마이오신이 에너지를 방출하기 위해 ATP를 분해할 수 있는 효소성(Atpase) 특성을 가지고 있다는 것을 발견했다.[8] 헝가리 생리학자인 알베르 셴트-요르지에는 1937년 비타민C와 후마산에 대한 연구로 노벨 생리의학상을 수상한 뒤 근육 생리학에 초점을 맞췄다. 그는 1942년에 ATP가 근육수축의 에너지원이라는 것을 증명했다. 그는 실제로 미오신 B를 함유한 근육섬유가 ATP 앞에서 짧아진 것을 관찰했지만, 나중에 그가 "아마도 내 인생에서 가장 스릴 있는 순간"이라고 말한 경험인 미오신 A로는 짧아지지 않았다.[9] 브루노 페렌크 스트라우브와 함께 그는 곧 미오신 B가 액틴이라고 불리는 다른 단백질과 연관되어 있다는 것을 알게 되었는데, 반면 미오신 A는 그렇지 않았다. 스트라우브는 1942년에 액틴을 정제했고, 스젠트-요르지이는 1943년에 마이오신 A를 정제했다. 미오신 B가 미오신 A와 액틴의 합성어라는 것이 명백해졌기 때문에, 미오신 A는 원래 이름을 그대로 유지하는 반면, 그들은 미오신 B를 액토모신이라고 개칭했다. 1940년대 말까지 스젠트-요르지이 팀은 액토모신의 수축이 전체적으로 근육수축에 해당한다는 증거를 상정했다.[10] 그러나 이러한 생각은 일반적으로 반대되었는데, 오토 프리츠 마이어호프나 아르키발트 힐과 같은 노벨상 수상자들로부터도, 그는 마이오신은 구조적 단백질이며 기능적 효소가 아니라는 지배적인 도그마를 고수했다.[3] 그러나, 근육 연구에 대한 그의 마지막 공헌 중 하나에서, 스젠트-요르지이는 ATP에 의해 구동되는 액토모신이 근육수축의 기본원리임을 증명했다.[11]

기원

전자현미경 하의 근육섬유(sarcomere) 구조와 개략적 설명

휴 헉슬리가 1952년 캠브리지 대학에서 근육의 구조에 관한 연구로 박사학위를 취득할 무렵, 스젠트-요르지오는 그의 경력을 암 연구로 바꾸었다.[12] 헉슬리는 프란시스 오로 갔다. 1952년 9월 박사후 펠로우십을 가진 매사추세츠 공과대학의 슈미트 연구실. 1953년 1월 또 다른 영국 박사후 동료인 장 핸슨과 합류했다. 핸슨은 1951년 런던 킹스 칼리지에서 근육 구조 박사학위를 받았다. Huxley는 X선 회절을 이용하여 근육 단백질, 특히 myosin은 사르케르(근육섬유의 한 부분)를 발생시키는 구조화된 필라멘트를 형성한다고 추측했다. 그들의 주된 목적은 전자 현미경을 사용하여 전에는 결코 하지 않았던 필라멘트의 세부사항을 연구하는 것이었다. 그들은 곧 근육 단백질의 필라멘트 특성을 발견하고 확인했다. 미오신과 액틴은 겹치는 필라멘트를 형성하고, 미오신 필라멘트는 주로 A 밴드(사르메르의 어두운 영역)를 구성하는 반면, 액틴 필라멘트는 A 밴드와 I(경량 영역) 밴드를 모두 가로지른다.[13] 헉슬리는 1953년에 처음으로 슬라이딩 필라멘트 이론을 제안하면서 다음과 같이 말했다.

"… 근육의 스트레칭은 필라멘트의 확장이 아니라 두 필라멘트 세트가 서로 미끄러져 나가는 과정에 의해 이루어진다고 가정할 경우, 미오신과 액틴이 서로 연결되면 확장성이 억제될 것이다."[14]

이후 1996년 헉슬리는 자신의 이론이 그들의 협력적인 작업에 바탕을 두었기 때문에 한슨을 자신의 이론의 공식화에 포함시켰어야 했다고 후회했다.[15]

앨런 호지킨이 "과학적 기구를 가진 마법사"라고 묘사한 앤드류 헉슬리는 1949년 자신의 전압 클램프 설계를 이용해 신경 충동(행동 잠재력) 전달의 메커니즘을 막 발견해내고, 그 기전을 뒷받침할 수 있는 부교수를 찾고 있었다.근육섬유를 [16]절개하다 절친한 친구 로버트 스템플리의 권유로 1952년 독일의 의사 롤프 니데르게르케가 케임브리지 대학에 입교했다. 그때 그는 관습적으로 사용되는 위상-대조현미경이 근육섬유들의 미세한 구조에 적합하지 않다는 것을 깨달았고, 따라서 자신만의 간섭현미경을 개발했다. 1953년 3월과 1954년 1월 사이에 그들은 연구를 수행했다.[17] 헉슬리는 당시 1953년 이전에 유일하게 필라멘트가 미끄러질 생각을 한 사람이 도로시 호지킨(1964년 노벨 화학상 수상자)이라는 사실을 기억했다.[18] 그는 1953년 여름 메사추세츠주 우즈홀의 해양생물연구소에서 전자현미경을 사용하기 위해 보냈다. 그곳에서 그는 휴 헉슬리와 핸슨과 함께 그들의 작품에 대한 데이터와 정보를 공유했다. 그들은 연락을 유지하기로 합의하고 헤어졌다. 그리고 그들의 목표가 달성되면, 만약 그들이 "비슷한 결론을 도출했다"[2]고 한다면, 그들은 함께 출판할 것이다.

슬라이딩 필라멘트 이론

슬라이딩 필라멘트 가설의 도해적 설명

슬라이딩 필라멘트 이론은 1954년 5월 22일자 '수축 중 근육의 구조적 변화'라는 공통의 주제로 자연에 대해 발표한 두 개의 연속적인 논문에서 탄생했다. 그들의 결론은 근본적으로 비슷했지만, 그들의 기본적인 실험 자료와 명제는 달랐다.

헉슬리-니데르게르케 가설

앤드류 헉슬리와 롤프 니데르게르케가 쓴 첫 번째 논문의 제목은 "살아있는 근육 섬유질의 상호현미경"이다. 그것은 앤드류 헉슬리가 그 목적으로 개발한 간섭현미경을 이용한 개구리 근육에 대한 연구를 바탕으로 한 것이었다. 이들에 따르면:[4]

  1. I 밴드는 액틴 필라멘트로 구성되며, A 밴드는 주로 미오신 필라멘트로 구성된다.
  2. 수축 중에 액틴 필라멘트는 미오신 필라멘트 사이의 A 밴드로 이동한다.

헉슬리-한손 가설

휴 헉슬리와 장 핸슨이 쓴 두 번째 논문의 제목은 "수축과 스트레칭 중 근육의 교차 스트라이핑과 구조적 해석의 변화"이다. 그것은 더 정교하고 위상 대비와 전자현미경을 이용한 토끼 근육에 대한 연구를 바탕으로 만들어졌다. 이들에 따르면:[19]

  1. 근육섬유의 등뼈는 Z 라인에서 H 구역의 한 쪽 끝까지 확장되는 액틴 필라멘트로, 이 필라멘트를 S 필라멘트로 명명된 탄성 구성 요소에 부착한다.
  2. 미오신 필라멘트는 A 밴드의 한쪽 끝에서 H 존을 거쳐 A 밴드의 다른 쪽 끝까지 확장된다.
  3. 근력 신장 또는 수축 중에 미오신 필라멘트는 비교적 일정한 길이로 유지된다.
  4. 미오신 필라멘트가 A 밴드의 길이를 초과하여 수축되는 경우, 미오신 필라멘트의 끝부분이 접혀 수축 밴드를 형성한다.
  5. myosin과 액틴 필라멘트는 A 밴드에 나란히 놓여 있으며, ATP가 없을 경우 교차 연결을 형성하지 않는다.
  6. 스트레칭 중에는 I 밴드와 H 구역만 길이가 증가하는 반면 A 밴드는 그대로 유지된다.
  7. 수축 중에 액틴 필라멘트가 A 밴드로 이동하고 H 존이 채워지며 I 밴드가 짧아지고 Z 라인이 A 밴드와 접촉한다.
  8. 수축의 가능한 추진력은 미오신에 의한 ATP 가수 분해에 의존하는 액틴미오신 연결이다.

수신 및 결과

강력한 증거에도 불구하고, 슬라이딩 필라멘트 이론은 앞으로 몇 년 동안 아무런 지지를 얻지 못했다.[20] 스젠트-요르지 자신은 미오신 필라멘트가 두꺼운 필라멘트(A 밴드)에 국한되어 있다고 믿으려 하지 않았다.[15] 전자현미경이 최고의 데이터를 제공한 F.O. Schmitt도 원래의 이미지를 회의적으로 유지했다.[21] 필라멘트의 두 세트(묘신과 액틴)가 단지 겹치는 것인지 연속적인 것인지, 필라멘트의 구성에 대해서도 즉각적인 논쟁이 있었다. 휴 헉슬리가 1957년 필라멘트의 겹치는 성질을 확인한 것은 새로운 전자현미경으로뿐이었다.[22] Actin-myosin 연계(현재는 교차로라고 불림)의 존재가 선명하게 드러난 것도 이 간행물에서 비롯되었다. 그러나 그는 교량이 액틴과 미오신 필라멘트 사이의 역동적인 상호작용이라는 증거를 제시하는데 5년이 더 걸렸다.[23] 그는 1965년 로잘린드 프랭클린이 훈련시킨 케네스 홈즈와 팀을 이뤄 X선 결정학을 이용해 필라멘트의 실제 분자 배열을 획득했다.[24] 이론과 그 증거가 심의된 1972년 콜드 스프링 하버 연구소에서 회의를 한 후에야 일반적으로 받아들여지게 되었다.[25] 회견에서, 나중에 마루야마 코삭이 회상했듯이, 한손은 「아직 메커니즘을 설명할 수 없는 것으로 알고 있지만, 슬라이딩은 사실이다」[26]라고 외쳐 비판에 응해야 했다. 사실적인 증거는 여러 연구자들에 의해 새로운 정교한 도구를 사용하여 실제 슬라이딩 동작을 시연할 수 있었던 1980년대 초에 나왔다.[27][28][29]

크로스 브리지 메커니즘

실질적인 증거를 가지고 휴 헉슬리는 공식적으로 슬라이딩 필라멘트를 위한 메커니즘을 제안했고, 스윙 크로스 브리지 모델, 크로스 브리지 이론 또는 크로스 브리지 모델이라고 다양하게 불린다.[3][30] (그 자신도 "스윙 크로스브릿지 모델"이라는 이름을 선호했는데, 그 이유는, 그가 회상하듯이, "결국, 1960년대"였기 때문이다.)[2] 그는 1969년 6월 20일자 과학호에 '근육 수축의 메커니즘'[31]이라는 제목으로 자신의 이론을 발표했다. 그의 이론에 따르면 필라멘트 슬라이딩은 액틴 필라멘트에 마이오신을 반복적으로 부착하고 분리함으로써 발생한다. 수축은 미오신이 액틴 필라멘트를 A 밴드의 중심 쪽으로 당기고 액틴으로부터 분리하여 다음 액틴 분자와 결합할 힘(스트로크)을 만들 때 발생한다.[32] 이 아이디어는 이후 상세하게 입증되었고, 교량 횡단 사이클로 더 적절하게 알려져 있다.[33]

참조

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