왜 작은 동물의 심장이 더 빨리 뛸까?

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-07-19 16:44:43
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3'3"읽기
* 미오신과 액틴 분자는 서로 반대 방향으로 움직이며 근육을 수축 이완 시킨다.
* 모든 포유류의 근육이 동일한 단백질로 구성되어 있지만 다르게 행동.
* 종별 아미노산 변화가 심장 근육 섬유의 수축 속도에 직접적인 영향
* 심장 근육 섬유의 베타 미오신에 있는 몇 가지 아미노산의 교환으로 심장를 느리게 해.
* 동물 종의 크기가 클수록 미오신이 갖는 아미노산 "브레이크"가 더 많다.

우리의 심장이 쥐의 심장 박동보다 느린 이유
미오신 단백질의 아미노산 대체는 분자 브레이크로 작용


미묘한 차이:
과학자들이 왜 작은 동물의 심장이 인간의 심장보다 훨씬 더 빨리 뛰는지 알아냈다.
근육 섬유의 분자적 차이가 원인이다. 이에 따르면 심장 근육의 미오신 분자에는 종의 크기가 증가함에 따라 아미노산이 교환되는 12개의 위치가 있다. 이러한 대체물 중 일부가 인간 베타 미오신에서 역전되면 근육 섬유가 거의 쥐만큼 빠르게 다시 수축한다.

▲ 사람의 ECG 시뮬레이션

근육은 복합적으로 구성된 자연의 기적이다.
각 근육 섬유는 길쭉한 단백질 섬유 다발이 있는 단 하나의 다핵 세포로 구성되어 있다.
이 사슬 모양의 미오신과 액틴 분자는 작은 지렛대와 맞물려 서로 반대 방향으로 움직이며 근육을 수축하거나 이완한다. 근육이 얼마나 빨리 움직일 수 있는지는 이 섬유가 최대 수축에 도달하는 속도에 따라 다르다.

▲ 미오신(노란색)이 액틴(분홍색)에 결합한다. 이것은 미오신에 대한 액틴 결합 부위를 방출하는 트로포미오신의 구조적 전환에 의해 가능하다. 트로포미오신의 이러한 구조적 변화는 Ca2+이온이 트로포닌에 결합함으로써 촉발된다.

표시된 각도는 약 90 °이다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cross-bridge-cycle-1.svg


큰 심장이 더 느리게 뛰는 이유는 무엇일까?      

흥미로운 점은 모든 포유류의 근육이 동일한 단백질로 구성되어 있지만 다르게 행동한다는 것이다. 근육의 최대 수축 속도가 5배 이상 다르기 때문이다. 이것은 심장 근육에서 가장 명확하게 측정할 수 있다. 동물이 작을수록 심장 박동이 빨라진다.

▲ 우리의 심장은 쥐의 심장보다 4배 느리게 

뛴다.연구원들은 최근 이 배후에 어떤 분자 

메커니즘이 있는지 조사했다.


예를 들어, 인간의 심장은 1분에 평균 70번 박동하지만, 쥐의 심장은 같은 시간 동안 약 300번을 펌핑한다. 하지만 왜?

켄트 대학(University of Kent)의 클로이 존슨(Chloe Johnson)과 그녀의 동료들은 최근 이에 대한 분자 메커니즘을 더 자세히 조사했다. 그들은 근육 단백질 미오신의 미세 구조를 자세히 들여다 봤다. "단백질은 유기체의 특정 요구 사항에 맞게 기능을 조정할 수 있다"고 그들은 설명한다. 단백질에서 하나 또는 몇 개의 아미노산을 교체하면 단백질이 기본 정체성을 바꾸지 않고도 기능에 영향을 미칠 수 있다.

미오신 서열의 미묘한 차이

연구자들은 느린 근육 섬유와 심장 근육에서 작용하는 단백질인 67종의 서로 다른 포유동물의 베타 미오신의 아미노산 서열을 비교했다. 그들은 근육 운동에 중요한 미오신의 800개 아미노산 길이 부분인 소위 운동 영역에 초점을 맞췄다. 조사된 종은 무게가 6g에 불과한 생쥐부터 10톤 넘는 향유고래까지 다양했다.

심장 근육의 미오신에는 12개의 아미노산 위치가 있으며 신체 크기에 따라 밀접하게 변화하는 것으로 밝혀졌다. 조사된 가장 작은 동물 중 하나인 마우스와 비교하여 이 아미노산은 몸집이 커지면서 다른 포유동물에서 교환된다. "관찰된 경향은 아미노산이 가장 작은 동물에서 가장 큰 동물까지 12곳에서 변하는 특정 순서가 있음을 시사한다"고 Johnson과 그녀의 동료들은 보고했다.

인간은 9개의 대체 아미노산을 가지고 있다.

인간은 또한 이러한 아미노산 변화를 보여준다.
우리의 베타 미오신은 9개의 위치에서 쥐의 미오신과 다르다. "건강한 인간 집단 내에는 거의 변이가 없다"고 연구자들은 설명한다. "이는 이러한 변화가 종에 따라 다르다는 것을 암시한다." 그러나 많은 심장 질환에서 미오신의 돌연변이가 중요한 역할을 할 수 있다는 것이 알려져 있다.

종별 아미노산 변화가 심장 근육 섬유의 수축 속도에 직접적인 영향을 미치는지 확인하기 위해 연구팀은 키메라를 만들었다. 그들은 인간 심장 근육세포에서 9개의 인간 특정 아미노산을 쥐 대응물과 교환했다. 그런 다음 그들은 이것이 근육 섬유의 최대 수축 속도에 어떤 영향을 미치는지 테스트했다.
▲ 15세기 중반, 레오나르도 다빈치의 심장 해부도. 황소의 심장으로 알려져 있다. https://en.wikipedia.org/wiki/en:Biblioteca_Ambrosiana

쥐의 서열은 인간의 미오신을 더 빠르게 만든다

결과:
인간 베타 미오신은 일반적으로 초당 0.49㎛(마이크로미터)만큼 액틴 대응물을 이동할 수 있다. 반면에 쥐의 아미노산에 의해 변형된 키메라 미오신은 초당 0.9㎛ 를 처리하여 두 배 빠르게 움직였다.

"이것은 미오신의 이러한 위치에서 서열 변화가 더 큰 동물이 더 느린 심장 박동을 개발했다는 ​​사실에 대한 책임이 있음을 시사한다"고 Johnson은 말했다.

분석은 또한 돌연변이가 근육 속도에 어떻게 영향을 미치는지 밝혀냈다.
작은 포유동물의 전형적인 서열은 베타 미오신이 아데노신이인산(ADP) 분자를 더 빨리 방출하도록 한다. 이것은 근육 섬유가 고에너지 아데노신삼인산(ATP)과 결합해 에너지를 얻는 동안 인산염을 분리할 때 발생한다. "폐기물" ADP가 더 빨리 방출될수록 근육이 더 빨리 작동할 수 있다.

"키메라 미오신의 실험적 특성은 아미노산 대체가 ADP 방출 속도를 제어하고 따라서 미오신 주기의 제한 단계를 제어한다는 것을 보여준다"고 연구원들은 설명했다.


분자 브레이크

종합하면, 이러한 결과는 포유동물의 심장 박동수가 분자 "타이머"에 의해 결정된다는 것을 시사한다. 심장 근육 섬유의 베타 미오신에 있는 몇 가지 아미노산의 교환은 덩치 큰 동물의 경우 근육 수축이 더 브레이크 걸리도록 한다.
Johnson과 그녀의 팀이 발견한 바와 같이 동물 종의 크기가 클수록 미오신이 갖는 이러한 아미노산 "브레이크"가 더 많다.
이러한 조정을 통해 이 동물의 더 큰 심장이 볼륨에 맞게 조정되지만 과도하게 무리하지 않고 효과적으로 박동할 수 있다.
(PLOS Biology, 2021; doi: 10.1371 / journal.pbio.3001248)
출처: PLOS

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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