[일반생물학실험]곤충 호르몬 ecdyson의 기능

실험 목적

융화 호르몬(molting hormone: ecdyson) 분비를 조절하여 호르몬의 기능과 분비 기작을 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 호랑나비의 한살이

알                                             1령 애벌레

2령 애벌레                                        번데기

성충

2. 곤충의 변태

유충기의 성장은 튼튼한 표피를 가지기 위하여 여러 차례에 걸쳐 탈피하면서 진행되는데, 유충과 성충 사이에는 형태에 차이가 있다. 성장 과정에서의 형태적 변화를 변태라고 하는데, 곤충에서도 일반적으로 고등한 것일수록 변태를 한다.

곤충의 변태는 정도에 따라 불완전변태와 완전변태로 구분된다. 불완전변태는 유충이 성충과 비슷한 점이 있고, 초기부터 날개와 외부생식기를 외부에서도 볼 수 있으며, 탈피할 때마다 커져 최후의 탈피에서 성충이 되는데 반하여, 완전변태는 유충이 성충과는 전혀 달라서 날개 등을 외부에서는 전혀 볼 수 없고, 휴지기인 번데기 시기에 최후의 탈피인 우화(羽化)를 함으로써 성충이 된다.

완전변태 중에서 유충기의 탈피 때마다 형태가 달라지는 기생벌 등이 있는데, 이런 경우를 과변태(過變態)라고 한다. 변태와 탈피의 기구는, 뇌의 분비세포에서 나온 호르몬이 전흉선(前胸腺) 또는 그 상동기관(相同器官)을 자극하여 에크디손(ecdyson)의 분비를 촉진시켜 탈피를 하는데, 그 때 알라타체(體)에서 나온 유충호르몬이 충분히 있어야 한다.

유충의 말기에 알라타체호르몬의 분비가 정지되면 억제당했던 성충의 형질이 나타나 번데기가 되고 이어서 우화가 일어난다.

유충이란 좁은 뜻으로는 완전변태를 하는 종류의 유기(幼期)를 가리키는 것으로서, 성충과는 형태가 전혀 다르며 구더기 ·장구벌레 등이 이 시기이다. 이것은 번데기를 거쳐 성충이 되는데, 번데기로 될 때 고치를 짓거나 땅속에 집을 만드는 것도 있다. 불완전변태를 하는 종류의 유기를 약충(若蟲)이라 하여 구별하기도 한다.

 

3. 곤충 호르몬

곤충의 성장과 변태 등에 관계하는 호르몬의 총칭으로 변태호르몬 ·생식선 자극호르몬 및 안색소 형성호르몬 등이 있다.

이들 중 대표적인 것으로 알라타체(corpus allatum)에서 분비되는 유약호르몬은 분비 억제시, 성충으로의 성장속도가 빨라진다.

변태호르몬에 탈피 호르몬 ·용화 호르몬 ·우화 호르몬 등이 있다. 특히 유약호르몬은 뇌의 바로 뒤에 있는 알라타체(corpus allatum)에서 분비되는데, 이 호르몬의 분비를 막으면 유충에서 번데기를 거쳐 성충으로 비정상적인 속도로 성장한다.

이처럼 호르몬에 의해 이상발육을 일으켜 해충을 없애려는 살충제로서 유약호르몬이 연구되고 있다. 종래에는 해충을 없애기 위하여 미생물 ·농약 ·천적 ·불임화 등이 이용되었는데, 이제는 호르몬이 새로운 살충제로 등장하였다.

 

4. Ecdyson

탈피와 변태는 모두 호르몬에 의해 조절된다. 탈피는 뇌에 있는 신경분비세포에서 분비되는 호르몬에 의해 시작된다. 앞가슴샘에서는 엑디손(ecdyson)이라 알려진 스테로이드 계통의 탈피 호르몬을 분비하는데, 이것은 표피에 작용하여 성장과 큐티클 형성을 자극한다.

탈피도 역시 호르몬에 의해 조절된다. 유생기동안 뇌의 뒷부분에 있는 알라타체(corpus allatum)라 부르는 작은 샘에서 유충 호르몬(juvenile hormone/neotenin)이 분비된다. 유생시기의 마지막 단계에 이르면 유충 호르몬이 더 이상 만들어지지 않아 곤충은 성체로 변태할 수 있다. 완전 변태하는 곤충의 경우 번데기는 매우 적은 양의 유충 호르몬이 존재하는 상태에서 발생한다. 휴지기는 성장이나 탈피 호르몬이 분비되지 않으며 또한 일장주기가 변화하기 때문에 일어나는 현상이다. 

발생이 진행되는 동안 많은 곤충들에게는 다형현상(多型現象)이 나타난다. 예를 들어 일개미와 여왕개미 또는 일벌과 여왕벌의 모양이 서로 다르며 흰개미의 병정개미와 여왕개미도 서로 다르다. 또한 진딧물은 유시형과 무시형이 있으며, 몇몇 나비는 계절적인 이형성(二型性)을 보이기도 한다. 이러한 차이는 유전자에 의해서 조절되지만 부분적으로는 환경에 의한 자극에 의해서도 유발된다. 유충 호르몬과 같은 호르몬들이 이러한 변화를 조절한다.

곤충, 갑각류 등의 탈피와 변태를 유도하는 호르몬. 곤충에서는 전흉선, 갑각류에서는 Y기관에서 분비된다. 탈피의 일정 시간 전에 분비되며 사전에 유충호르몬이 작용하고 있으면 유충기에는 유충탈피를 일으키지만, 유충호르몬 작용이 없으면 번데기 또는 성충에서 변태를동반한 탈피를 유도한다. 처음에는 누에나방의 번데기에서 결정체로 분리되어 탈피와 관련시켜 이러한 이름이 붙여졌다.C27의 스테로이드분자이며 최초에 2종이 발견되었기 때문에각각 α-엑디손, β-엑디손이라고 한다. β-엑디손은 한동안 엑디스테론이라고 하기도 했고, 갑각류에서도 발견되어 크러스트엑디손이라고도 한다. 

화학구조가 밝혀진 후 명칭을 통일하여전흉선에서 분비하는 α-엑디손을 단순히 엑디손, 이것이 분비된후다른조직인, 예를 들어 지방체나enocyte에서 산화되어생기는 β-엑디손을 20-히드록시엑디손이라고 부르게 되었다.또한 이들 유사물질을 총칭해ecdysteroid라고 한다. 전흉선은전흉선자극호르몬(PTTH)의 지배를 받아 콜레스테롤에서 엑디손을 생성·분비한다. 20-히드록시엑디손은 표적세포 내에서DNA, RNA, 단백질 등의 합성을 촉진하여 세포분열을 촉진시킨다. 유충의 상피세포에 작용하면 apolysis에서 새로운 큐티클 형성에 이르는 일련의 과정을 유도한다. 파리류의 후기 유충에서는 이 작용으로 상피세포 중에 페놀산화효소나dopade-carboxylase의 활성이 높아지며 위용각 형성을 촉진하는 반응계를 유도한다. 

성충원기에 대해서도 마찬가지로 핵산과 단백질의 합성을 촉진시키고 형태형성운동을 더욱 발현시켜 번데기분화 및 성충분화를 유도한다. 표적세포에서 ecdysteroid는핵에 들어가 유전자의 전사 수준에서 조절에 관여한다. 초파리나 모기붙이의 침샘염색체에 번데기로 변하는 시기에만 나타나는 특정한 퍼프가 일정량의 엑디손 투여에 의해 급속히 생기는 것이나 파리의 위용각 형성시 효소단백질 합성의 예 등에서특정한 mRNA합성의 직접적인 유도를 재촉하는 것으로 추론하고 있다. 

또, 식물체로부터도 높은 호르몬 활성을 갖는ecdysteroid가 여러 종류 발견되었다. 그 중에는 엑디손, 20-히드록시엑디손도 포함되어 있지만 곤충의 체내에서는 발견되지 않는 ponasterone, cyasterone 등 원래의 엑디손보다 활성이 높은 물질도 발견되고 있다. 이들을 식물엑디손이라고 총칭하고 있는 데 모두가2,3,14-히드록시-7-엔-6-완의 구조를 갖는 스테로이드이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험재료

완전히 자란 종령유충, 은사, 핀셋, 사육통, 필기구, 해부현미경

실험 방법

 

1. 실험 과정

① 조 당 동일한 크기의 종령유충을 5마리씩 취한다.

② 3마리는 후흉 뒤부분을 묶고 2마리는 대조군으로 사용하기 위해 아무런 처리도 하지 않는다.

③ 각 조의 유충을 사육통에 넣고 필기구로 표시한다.

④ 사육통은 23-25℃의 온도를 유지하며, 매일 동일한 시간에 상태를 확인한다.

⑤ 탈피가 일어난 시점과 부위를 확인 후 결과를 기록한다.