라. 카테콜아민성 뉴런
아미노산인 타이로신은 카테콜(catechol)은 화학적 구조를 포함하는 세 가지 다른 아민 신경전달물질의 전구물질이다. 이런 신경전달물질을 합쳐서 카테콜아민(catecholamine)이라 한다. 카테콜아민 신경전달물질은 도파민(dopamin; DA), 노르에피네프린(norepinephrine; NE), 에피네프린{epinephrine, 또는 아드레날린(adrenaline)이라고 부른다.}이다. 카테콜 아민성 뉴런은 운동, 감정, 집중, 내부 장기의 기능 조절에 관하여 신경계에 발견된다. 모든 카테콜아민성 뉴런은 타이로신은 도파(dopa; L-dihydroxyphenylalanine)라 불리는 화합물로 전환시키는 카테콜아민 합성의 첫 단계를 촉매하는 효소인 타이로신수산화효소(tyrosine hydroxylase; TH)를 가지고 있다. 타이로신 수산화효소의 활성은 카테콜아민 합성에 대한 반응률 제한단계이다. 효소의 활성은 축삭말단의 세포질에 있는 다양한 신호에 의해 조절된다. 이런 유의 조절을 최종산물저해(end-product inhibition)라고 부른다. 반면에 카테콜아민이 빠른 속도로 분비되는 동안에 신경전달물질의 분비를 일으키는 세포 안의 칼슘 이온 Ca2+농도 증가는 타이로신 수산화 효소의 활성을 증가시킨다. 그래서 전달물질을 사용한 만큼 보충하게 된다. 게다가 계속적으로 자극이 유지되면 효소 단백질의 합성에 대한 정보를 가지고 있는 mRNA의 양이 증가하게 된다.
도파는 도파 탈탄소효소(dopa decarboxylase)에 의해 신경전달물질인 도파민으로 바뀌게 된다. 도파 탈탄소효소는 카테콜아민성 뉴런에 많은 양이 존재한다. 그래서 합성되는 도파민의 양은 존재하는 도파의 양에 의해 결정된다. 파킨슨씨 병(Parkinson's disease)과 같은 운동성 질환에서는 뇌에 있는 도파민성 뉴런 점차적으로 퇴화되고 결국에는 죽음에 이르게 된다. 파킨슨씨 질병에 대한 치료방법 중 하나는 살아있는 뉴런에서 도파민 합성을 증가시키기 위해 도파를 처방하는 것이다. 그로 인해 분비할 수 있는 도파민의 양을 높이는 것이다. 신경전달물질로 노르에피네프린을 사용하는 뉴런은 타이로신 수산화효소와 도파 탈탄소효소에 더불어 도파민을 노르에피네프린으로 바꿔주는 도파민 베타-수산화효소(dopamine β-hydroxylase; DBH)를 가지고 있다. 흥미로운 사실은 도파민 베타-수산화효소는 세포질에서 발견되지 않고 대신에 시냅스 소포에서 존재하는 것이다. 그러므로 노르에피네프린성 축삭말단에서 도파민은 세포질에서 시냅스 소포로 수송되고, 그곳에서 노르에피네프린이 만들어지는 것이다.
카테콜아민 신경전달물질의 마지막 종류는 에피네프린(아드레날린)이다. 아드레날린성 뉴런은 노르에피네프린을 에피네프린으로 바꿔주는 효소인 펜톨아민 N - 메틸기전이효소(phent olamine N-methyltransferase; PNMT)를 갖고 있다. 흥미롭게도 펜톨아민 N-메탈기전이효소는 아드레날린성 축삭말단의 세포질 내에서 존재한다. 따라서 노르에피네프린이 먼저 소포 안에서 합성되고, 그 후 에피네프린으로 전환되기 위해 세포질로 이동해야 한다. 그러고나서 전환된 에피네프린은 호르몬과 같이 작용한다. 그것이 세포 밖으로 분비되기 위해 다시 소포체로 수송된다. 에피네프린은 전환되기 위해 세포질로 이동해야 된다. 그러고나서 전환된 에피네프린은 호르몬과 같이 작용한다. 그것이 세포 밖으로 분비되기 위해 다시 세포질로 이동해야 한다. 에피네프린은 뇌에서 신경전달물질로서 작용하는 것에도 부신에서도 혈루로 분비된다. 순화하는 에피네프린은 내장의 기능이 조화를 이룰 수 있도록 몸 전체에 있는 수용체에 작용한다. 카테콜아민계는 아세틸콜린 가수분해효소 같은 촉매반응이 빠른 분해효소를 세포 밖에 가지고 있지 않다. 그 대신, 시냅스 간극에서의 카테콜아민의 작용은 소듐 이은 Na+에 의존적인 운반자에 의해 축삭말단으로 신경전달물질이 선택적으로 흡수되어 끝나게 된다. 이 과정은 여러 가지 약물에 의해 민감하게 반응한다. 일단 축삭말단 내로 흡수되어 들어간 카테콜아민은 아마도 다시 사용되기 위해 시냅스 소포 안으로 재충전되거나, 미토콘드리아의 바깥 막에 존재하는 모노아민 산화효소(monoamine oxidase, MAO)의 작용으로 분해된다.
마. 세로토닌성 뉴런
세로토닌(serotonin) 즉, 5-히드록시트립타민(5-hydroxytryptamine; 5- HT)이라고 불리는 물질은 트립토판으로부터 유래된다. 세로토닌성(serotonergic) 뉴런은 비교적 그 수가 적지만 기분, 감정적 행동, 수면을 담당하는 뇌 부분에 중요한 역할을 하고 있다. 세로토닌의 합성은 도파민의 합성과 마찬가지고 두 단계로 일어난다. 첫 번째로 트립토판은 트립토판 가수분해효소(tryptophan hydroxylase)에 의해 중간 산물인 5-HTP(5-히드록시트립토판; 5-hydroxytrytophan)로 전환된다. 그리고 나서 5-HTP는 5-HTP 탈탄소 효소(5-HTP decarboxylase)에 의해 5-HT로 전환된다. 세로토닌 합성은 뉴런 주위의 세포 외핵에 존재하는 트립토판의 양에 의해 조절된다. 뇌에서 트립토판의 공급로는 혈액이고, 혈액에 있는 트립토판의 근원은 음식물(트립토판 함량이 특히 높은 곡물, 고기, 유제품, 초콜렛)이다.
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