13강 / 20강

퍼포린 — 열댓 개가 모여야 구멍이 된다

제13장 「12~20개의 퍼포린 단량체가 링 구조를 형성했다」

과립이 접촉면에 도착했습니다. 막과 융합하고 내용물을 쏟습니다.

가장 먼저 나오는 것이 퍼포린입니다.

단계	무슨 일
1	퍼포린 단량체가 시냅스 틈으로 분비된다
2	Ca²⁺ 이 있어야 표적 막에 붙는다
3	12~20개가 모여 고리를 이룬다
4	고리가 막을 뚫고 들어가 원통형 구멍을 만든다
5	지름 5~20 nm. 그랜자임이 지나갈 수 있다

고등학생혼자서는 아무것도 아닌 것들

줄넘기 줄 하나로는 아무것도 못 하지만, 여럿이 손을 잡으면 원이 됩니다. 그 원 안은 바깥과 분리돼요.

퍼포린도 똑같습니다

퍼포린 개수	무슨 일이 일어나나
1개	아무 일도 없다
5개	아무 일도 없다
12~20개	고리가 되고 → 구멍이 뚫린다

개수에 문턱이 있으면 조금 새는 건 무해하다

이것이 협동성이라고 부르는 성질입니다. 여럿이 모여야 되는 일은 실수로 일어나기 어렵습니다.

칼슘 잠금 — 제 몸을 안 뚫는 법

소설의 설명이 정확합니다.

"퍼포린 하나로는 아무 일도 못 한다. 열댓 개가 모여 고리를 이뤄야 구멍이 된다. 그리고 그 모임에는 칼슘이 필요하다. 칼슘은 세포 바깥에는 많고 안에는 적다. 그러니까 퍼포린은 CTL 안에 있는 동안에는 뭉치지 못하고, 바깥으로 나온 뒤에야 뭉친다."

어디	Ca²⁺ 농도	퍼포린
세포질 (CTL 안)	~100 nM	못 뭉친다
세포 바깥 · 시냅스 틈	~1~2 mM	뭉친다

1만 배 차이입니다. 이 차이 하나가 안전장치 노릇을 합니다.

분자에 스위치를 다는 대신 — 어디에 있느냐로 켠다

/endo 16강의 이온화 지질과 같은 발상입니다. 거기서는 pH 였고 여기서는 칼슘입니다.

안전장치가 하나 더 있습니다 — 과립 안은 산성(pH ~5.5) 이라 퍼포린이 활성을 못 냅니다. 밖으로 나와 중성이 되어야 작동합니다. 두 겹으로 잠가 놓은 셈입니다.

고등학생칼슘 1만 배 차이 — 얼마나 큰 건가요

세포 안과 밖의 칼슘 농도 차이가 1만 배입니다. 느낌이 잘 안 올 수 있어요.

1만 배는	이런 느낌
1 원 → 1만 원
1 m → 10 km
하루 → 27년

세포가 이 차이를 계속 유지합니다 — 펌프로 칼슘을 밖으로 퍼내면서요. 에너지가 많이 드는 일인데, 그 대가로 아주 예민한 스위치를 얻습니다.

차이를 유지하는 데 든 값이, 신호로 쓸 때 돌아온다

/endo 의 pH 도 같습니다 — 엔도솜이 산성을 유지하는 데 에너지를 쓰고, 그 차이를 탈출 스위치로 씁니다.

구멍은 무엇을 위한 것인가 — 오해 하나

흔한 오해가 있습니다. "퍼포린이 구멍을 뚫어서 세포가 터져 죽는다".

틀린 그림

구멍이 많이 나서 삼투압으로 터진다. 그러면 그것은 괴사이고, 내용물이 쏟아져 염증이 됩니다.

맞는 그림

구멍은 그랜자임이 들어갈 통로입니다. 실제로 죽이는 것은 그랜자임이 켜는 세포 자신의 자폭 장치입니다. 그래서 조용히 죽습니다(17강).

퍼포린은 무기가 아니라 배달 수단이다

실제로 표적 세포는 퍼포린 구멍을 수선하려고 합니다 — 막을 안으로 삼키거나 밖으로 떼어내면서요. 그래서 CTL 은 충분한 그랜자임이 들어갈 때까지 계속 쏴야 합니다.

이 수선 능력이 좋은 표적 세포는 살아남기도 합니다. 종양의 회피 수단 중 하나로 연구되고 있습니다.

고등학생퍼포린이 무기가 아니라니요

여기서 오해를 확실히 풀고 갑시다.

"구멍이 뚫려서 죽는다" 가 아닙니다

만약 구멍으로 죽인다면	실제로는
물이 들어와 터진다	안 터진다
= 괴사	= 아팝토시스
내용물이 쏟아져 염증	봉지에 담겨 조용히

퍼포린은 문을 여는 것이고, 그 문으로 그랜자임이 들어갑니다.

퍼포린은 무기가 아니라 배달 수단이다

실제로 표적 세포는 구멍을 수선하려고 합니다. 그래서 CTL 은 그랜자임이 충분히 들어갈 때까지 계속 쏴야 합니다.

16개가 모여야 하므로 곡선이 매우 가파릅니다 — 조금 새는 것은 무해합니다.

Python 브라우저에서 실행

# 고리를 이루려면 몇 개가 필요한가 -- 협동적 조립을 셈합니다.
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

def pore_prob(conc, ca_mM, n_sub=16, K=1.0):
    # 칼슘이 있어야 막에 붙고, 붙은 것들이 n_sub 개 모여야 고리가 된다
    bound = conc*ca_mM/(0.3 + ca_mM)          # 칼슘 의존적 막 결합
    return bound**n_sub/(K**n_sub + bound**n_sub)

c = np.linspace(0, 3, 300)
fig, ax = plt.subplots(figsize=(8.5, 3.2))
for ca, lab, col in ((0.0001,"CTL 세포질 (0.1 uM)","tab:blue"),
                     (0.1,"낮은 칼슘","tab:orange"),
                     (2.0,"세포 바깥 (2 mM)","tab:red")):
    ax.plot(c, [pore_prob(x, ca) for x in c], lw=2, color=col, label=lab)
ax.set_xlabel("perforin (relative)"); ax.set_ylabel("pore formation")
ax.legend(fontsize=8); plt.tight_layout(); plt.show()

print(f'{"칼슘":>18}{"퍼포린 1.5 일 때 구멍":>22}')
for ca, lab in ((1e-4,"CTL 세포질"), (0.1,"낮음"), (2.0,"세포 바깥")):
    print(f"{lab:>16}{pore_prob(1.5, ca):>20.4f}")
print()
print("CTL 세포질에서는 사실상 0 입니다 -- 칼슘이 1만 배 적으니까요.")
print()
print("그리고 곡선이 아주 가파릅니다 (16개가 모여야 하니까).")
print("가파른 문턱 = '조금 새는 것' 이 없다는 뜻입니다.")
print("띄엄띄엄 있는 퍼포린은 아무 해도 못 끼칩니다.")

고등학생위 코드가 방금 무슨 일을 했나요

칼슘 농도별로, 퍼포린이 얼마나 있어야 구멍이 생기는지 그렸습니다.

곡선이 왜 이렇게 가파른가요

16개가 모여야 하기 때문입니다. 수식으로는 16 제곱이에요.

확률이 이만큼이면	16개가 다 모일 확률
0.5	0.5¹⁶ = 0.0015%
0.9	0.9¹⁶ = 18.5%

조금만 달라져도 결과가 크게 달라집니다. 이것이 가파른 문턱의 정체입니다.

여럿이 모여야 하는 일은 전부 아니면 전무가 된다

🤔 확인 문제

퍼포린이 CTL 자신의 막을 뚫지 않는 이유로 옳은 것은?

🤔 확인 문제

퍼포린이 만든 구멍의 주된 역할은?