[세포생물학] 지질 : 중성지방, 인지질과 당지질, 스테로이드(콜레스테롤) 분류와 특성

지질은 탄소와 수소로 이루어진 소수성의 고에너지 물질입니다.

탄소와 수소는 전기음성도 차이가 크지 않기 때문에 H2O가 많은 환경에서도 안정성이 뛰어나 에너지 저장에 특화되어 있습니다.

+ 지방, 스테롤, 인지질 등이 지질에 포함됩니다.

 

 

중성지방

중성지방은 장기적 에너지로 이용됩니다.

 

Glucose를 분해할 때 거치는 아세틸CoA는 TCA 회로로 이동하기도 하지만, 장기 에너지 저장에 사용될 수도 있습니다.

장기 에너지 저장 경로는 동물은 간세포의 세포질에서만, 식물은 엽록체의 스트로마에서만 일어납니다.

 

탄소 16개(C16) 유기물까지는 세포질에서 합성이 가능하지만 그 이상은 활면소포체에서 아세틸CoA를 붙여야합니다.

활면소포체에서는 불포화지방산이 포화지방산으로 바뀌는 과정을 거치면서 (이중결합이 단일결합으로 바뀌면서) 새로운 결합이 추가되어 탄소가 16개 이상 연결된 유기물이 합성될 수 있는 것입니다.

활면소포체에서의 반응의 재료가 되는 아세틸CoA의 탄소가 2개이기 때문에 대부분의 지방산은 탄소수가 짝수입니다.

 

포화 지방산은 수소가 최대한으로 결합하고 있는 (= 단일결합만으로 이루어진) 탄화수소입니다. (환원 상태, 고에너지) 

불포화 지방산은 다중결합을 가지고 있는 탄화수소 상태입니다. (산화 상태, 저에너지)

 

단식을 하게 되면 지방산을 분해하여 에너지로 사용하는데, 에너지가 많은 포화지방산을 beta 산화(탄소 2개씩 분해)시켜 분해합니다.

예를 들어 탄소가 18개 있는 스테아르산을 beta 산화를 통해 분해한다고 할 때, 총 8번의 beta 산화가 일어납니다.

 

 

트라이글리세리드는 글리세롤에 세 개의 지방산이 붙어있는 구조를 가지며, 중성지방이 여기에 포함됩니다.

 

극지방에서는 중성지방의 유동성이 낮고 cis-불포화 지방산이 늘어나는 방향으로 진화했으며,

적도지방에서는 중성지방의 유동성이 높고 포화 지방산이 늘어나는 방향으로 진화했습니다.

 

ex ) 극지방에서는 지방산으로 팔미트산(C16)과 스테아르산(C18) 중 어떤 것을 사용하는가?

-> 극지방에서는 지방산의 유동성이 낮은 방향으로 진화했기 때문에, 유동성을 늘리고자 팔미트산을 사용합니다. (지방신의 길이가 짧으면 소수성 상호작용이 작아 지방산이 잘 움직이므로 유동성이 크겠죠.)

 

ex ) 극지방에서는 지방산으로 스테아르산(포화 지방산)과 올레산(이중결합 1개 포함), 리놀레산(이중결합 2개 포함), 리놀렌산(이중결합 3개 포함) 중 어떤 것을 사용하는가? (탄소수는 전부 18개)

-> 극지방에서는 위에서 말한 원리대로 유동성이 큰 지질을 사용해야 하므로, 이중결합이 많은 리놀렌산을 사용해야 상호작용(반데르발스 힘)을 적게하여 유동성이 클 것입니다.

 

ex ) 극지방에서는 리놀렌산(C18, 이중결합 3개 포함)과 아라키돈산(C20, 이중결합 4개 포함) 중 어떤 것을 사용하는가?

-> 극지방에서는 역시 유동성이 큰 지질을 선택할 것인데, 탄소수가 늘어나 지방산이 길어져서 늘어나는 상호작용의 증가량보다, 이중결합이 한 개 더 생겨서 감소하는 상호작용의 감소량이 더 크므로 아라키돈산을 사용해야 지질의 유동성이 더 큽니다. 따라서 실제로는 아라키돈산을 사용하는 것이 더 효과적입니다.

 

바로 위에서 언급한 탄소 20개짜리 불포화 이중결합이 4개 있는 지방산인 아라키돈산이 중요한데, 아라키돈산은  COX(Cyclooxygenase)를 통해 반응하여 PG(Prostaglandin, 소동맥을 이완시켜 두통을 유발, 설정점을 상승시켜 발열 유발), 트롬복산(혈관 수축, 혈액 응고 촉진) 합성에 기여합니다. 그리고 이러한 반응을 "억제"하는 것으로는 아스피린이 있습니다.

 

 

인지질

인지질에는 글리세로인지질과 스핑고지질(정확히는 스핑고지질에 인지질이 포함되어있음), 고세균지질이 있습니다.

 

글리세로인지질은 글리세롤에 지방산 2개, 인산기+X가 붙어있는 분자입니다.

이 때 X는 콜린, 이노시톨, 세린이 가능합니다.

예를 들어 X가 콜린이면, Phosphated Choline이라고 합니다.

중요한 것은 글리세로인지질은 지방산 2개가 한 쪽에 몰려서 붙어있어 원형질에서 비대칭 구조를 가진다는 점입니다.

(소낭에 의한 비대칭성, flip-flop에 의한 비대칭성을 알고 있어야 함)

 

원형질막은 활면소포체(Smooth ER)에서 만들어집니다.

Phosphated Choline/Inositol/Serine 모두 활면소포체에서는 외부와 내부 균일하게 분포되어 있습니다.

그러나 원형질막으로 이동하게 되면 콜린은 원형질막의 바깥쪽, 이노시톨과 세린은 원형질막의 안쪽에 주로 분포합니다.

** 이러한 분포는 원형질막에서의 flip-flop을 통해서 형성됩니다.

 

위의 그림처럼 소낭을 통해 콜린, 이노시톨, 세린이 원형질막으로 전달이 될 때 같은 위상에 위치하도록 콜린은 소낭의 내부, 이노시톨과 세린은 소낭의 외부에 위치하도록 하여 전달되어야 합니다.

그래야 원형질막의 외부에 콜린이, 원형질막의 내부에 세린과 이노시톨이 배치될 것입니다.

 

스핑고지질은 스핑고신(sphingosine)에 지방산 한 개와 -O-X가 붙어있는 비대칭적 구조입니다.

스핑고지질에는 인지질의 스핑고지질과 당지질의 스핑고지질이 있습니다.

(인지질의 스핑고지질에 해당하는) 스핑고미엘린는 X가 인산 + 콜린이고,

(당지질의 스핑고지질에 해당하는) 강글리오시드는 (X =) 당 여러 개가 붙습니다.

이중층의 윗쪽 면에만 존재하며, 유동성이 아주 낮습니다. (수용체와 운반체 모두 지질 뗏목 부분에 위치해있음)

 

 

고세균지질은 글리세롤이 두 개 사이에 곁가지가 있는 탄화수소가 연결되어있는 인지질 단일층입니다. 에테르 지질을 가지고 있습니다.

 

 

당지질

당지질은 인지질에서 인 대신 당이 결합한 형태이고, 이 때 당은 골지체의 2차 당화 과정에서 붙습니다.

당지질은 원형질막 이중층의 바깥쪽 층에만 분포한다는 특징이 있습니다.

위에서 언급한 스핑고미엘린이 대표적 예시입니다. (다만 스핑고미엘린은 위처럼 인지질로 구분되기도 합니다.)

 

 

스테로이드 - 콜레스테롤

스테로이드는 간에서 합성되는 육각고리 3개와 오각고리 1개를 가지고 있는 지질이며, 콜레스테롤이 대표적입니다.

각 고리가 모두 소수성이기 때문에 소수성입니다.

(콜레스테롤은 동물세포만이 포함하고 있는 스테롤 종류입니다.)

 

콜레스테롤의 소수성 고리는 인지질이중층 내부에 위치하며, OH기만이 밖으로 나와 인지질의 P-와 수소 H와 정전기적 상호작용으로 막에 붙어있습니다. 또한 콜레스테롤은 막의 외부와 내부에 균일하게 분포합니다.

 

콜레스테롤의 막 안정화 기작은 다음과 같습니다.

 

- 동물세포는 인지질 이중층 내부에 콜레스테롤을 포함하고 있어서 친수성 이온(Na+ 등)의 투과를 최대한으로 차단할 수 있도록 하는 구조를 가지고 있습니다. (식물세포의 세포벽만큼은 아님)

 

- 콜레스테롤이 인지질 이중층을 뭉쳐서 옆으로의 유동성을 제한하여 소수성 상호작용을 하고 막을 안정화시킵니다.

여름에는 인지질을 뭉쳐서 수분을 배척하여 막을 안정화시키고, 겨울에는 인지질 분자가 너무 붙어서 동결되는 것을 방지합니다. (온도 높을 때 유동성 감소, 온도 낮을 때 유동성 증가)

+ 콜레스테롤은 이러한 조절에 관여하므로 적도나 극지방의 극한 환경에서 사는 동물들의 원형질막에 가장 많습니다.

 

콜레스테롤이 합성 재료가 되는 스테로이드 종류는 다음과 같습니다. (물론 콜레스테롤 또한 스테로이드의 일종)

간에서 만들어지는 담즙, 스테로이드 호르몬(부신 피질 호르몬 : 코티졸(혈당 증가), 알도스테론(혈압 증가), 에스트로겐, 프로게스테론, 테스토스테론), 비타민D의 합성 재료가 됩니다.

 

콜레스테롤 합성 방법은 다음과 같으며, 간의 세포질에서 합성됩니다.

간의 세포질에는 아세틸CoA 분자가 많이 축적이 되는데, 여러 개 모이면 HMG-CoA라는 물질이 됩니다.

그 다음 HMG-CoA 환원효소가 작용(속도 결정 단계)하면 메발론산이 합성되고 이후 콜레스테롤이 됩니다.

 

HMG-CoA 환원효소의 경쟁적 억제제로써 억제하는 물질들은 ~statin으로 끝나는 물질들이 있습니다.

이것은 콜레스테롤 수치(= LDL 수치)가 높을 때 억제하기 위해 사용합니다.

+ 콜레스테롤이 많으면 동맥경화증에 걸리게 되며, 부족하면 간에서 더 합성해야 합니다.

 

ex ) 간세포에는 LDL 인식 단백질(수용체)가 있는데, 콜레스테롤에 붙어있는 LDL을 인식하는 것입니다. 만약 Clathrin에 돌연변이가 일어나 수용체 매개 내포작용(수용체에 리간드가 결합했을 때 소포를 형성하며 내부로 끌어당기는 작용)이 일어나지 않는다면 저콜레스테롤의 제거가 되지 않으므로 가족성 고콜레스테롤 혈증에 걸려 동맥경화증에 걸리게 됩니다.

 

ex ) 간에 콜레스테롤이 충분히 재료가 공급되지 않으면 간에서 콜레스테롤 합성 기작이 더 많이 진행되어야 합니다.

      위의 예시와의 구별 방법은, LDL 수치 등의 힌트가 주어졌을 때 그것을 이용하는 것입니다.

      예를 들어 LDL 수치가 정상수치보다 높다면 위의 예시일 것이고 아니면 아래의 예시에 해당할 것입니다.