[세포생물학] 세포막의 구조 : 인지질/당지질의 비대칭성과 인지질/단백질의 유동성

세포막의 비대칭성 (인지질, 당지질)

인지질이중층은 적혈구의 막지질에 계면활성제를 처리했더니 지질단일층의 면적이 적혈구 표면적의 2배임을 통해 알려지게 되었습니다.

 

유동 모자이크 모델은 인지질 이중층에 막단백질(표재성 단백질 + 내재성 단백질)들이 떠다닌다는 일종의 비유입니다. + 인테그린이 미세섬유에 의해 고정되어 있는 경우에는 떠다닐 수 없습니다.

 

인지질 지방산은 일반적으로 세포질에서 합성된 팔미트산(C18)에 해당합니다. (더 긴 지방산은 활면소포체에서 합성)

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세포막을 구성하는 막지질에는 중성지방(트라이글리세리드), 글리세로인지질, 스핑고지질(인산 + X, 당)이 있습니다.

 

인지질	글리세로인지질 : 글리세롤 + 인산기 + X, 막의 비대칭성 스핑고지질 : 스핑고신 + 인산기 + X, 유동성이 낮은 부분을 구성
당지질	스핑고지질 : 스핑고신 + 당, 혈액형 인식분자

** 스핑고지질 = 스핑고미엘린(스핑고신 + 인산"콜린"(+)), 갱글리오시드(스핑고신 + "올리고"당)

당지질은 세포 외막에만 위치합니다.

 

글리세로인지질은 비대칭성을 가지고 있다는 점이 가장 큰 특징이고,

스핑고지질(인산 + X)은 수용체나 운반체의 유동성을 감소시키는 역할을 한다는 것이 큰 특징입니다.

+ 스핑고지질(당)의 당은 골지체에서 붙여집니다.

 

글리세로인지질(choline)과 스핑고지질(인산 + choline = phosphatedcholine)은 막으로 Na+와 같은 양이온들이 들어오는 것을 막는 역할을 합니다.

글리세로인지질에는 choline 대신 세린, 이노시톨 등이 붙을 수 있습니다.

스핑고지질(인산+X)은 위에서도 언급했듯 막의 유동성을 낮추는 역할을 합니다.

스핑고미엘린도 스핑고지질에 해당하는데 수초를 구성하여 나트륨을 막아 활동 전위가 나타나지 않게 합니다.

(그래서 랑비에 결절에서만 활동 전위가 나타남)

 

스핑고지질에 당이 붙은 형태는 주로 인식당이 붙어 당지질로 불리고, 혈액형 인식 등에 사용됩니다.

 

콜레스테롤은 극성물질의 투과를 억제하는 역할을 하고 유동성을 완충시키는 역할을 합니다.

낮은 온도에서는 유동성 증가, 높은 온도에서는 유동성 감소를 통해 완충시킵니다.

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글리세로인지질과 스핑고지질은 막에서 비대칭적인 분포를 하고 있습니다. (중성지방은 대칭)

 

원형질막에서 스핑고미엘린과 phosphated choline은 외부에 위치하고 phosphated inositol과 phosphated serine은 내부에 위치합니다.

phosphated inositol/serine이 외부에 위치할 경우 flippase의 작용으로 외부에 있는 인지질을 내부로 위치를 바꿔주고,

스핑고미엘린, phosphated choline이 내부에 위치할 경우 flippose의 작용으로 내부에 있는 인지질을 외부로 위치를 바꿔줍니다.

 

+ Cardiololipin은 글리세로인지질으로, 막투과성과 유동성을 낮추고, H+ pump에서 pumping을 한 이후 다시 막으로 투과되지 않게 막아주는 역할을 합니다.

 

 

세포막의 유동성 (인지질, 단백질)

 

인지질에도 T_m이라는 임계 온도가 있는데, 인지질에서의 T_m이란 인지질이 유동성을 가지기 시작하는 온도입니다.

이 T_m에 도달하면 막이 옆으로 유동적이게 되므로 운반체나 각종 펌프가 작용할 수 있습니다.

지방산의 길이가 짧고 Cis 불포화지방산이 많으며(지방산 사이 거리가 멀어지므로) 스핑고지질이 적어야(스핑고지질 역할이 유동성 감소이므로) 세포막의 옆으로의 유동성이 증가합니다.

콜레스테롤의 양이 적어야(콜레스테롤이 주위 인지질의 유동성을 완충시키므로) 인지질의 옆으로의 유동성이 증가합니다.

인지질의 유동성이 증가하면 당연히 막단백질의 유동성도 증가합니다.

 

좌우 유동성을 실험하는 방법이 3가지가 있는데, 중요하지는 않습니다.

FRAP : 인지질 일부에 형광 처리하고, 그 옆부분을 관찰하여 형광이 섞이는 속도 비교

FLIP : 인지질 일부에 형광 처리하고, 처리한 부분을 관찰하여 형광이 사라지는 속도 비교

FRET : 파동 변화를 측정하여 형광 강도가 높을수록 인지질 사이 거리가 가까움

 

인지질이 상하방향으로 이동하는 것은 언제일까요?

위에서도 언급했듯 예를 들어 phosphatidyl inositol이 외막에 많거나 phosphatidyl choline이 내막에 많을 경우 각각 filppase와 floppase의 작용이 많이 발생해 상하 이동이 일어날 것입니다.

그 외에도 활면소포체는 외막에서만 인지질의 신장이 발생하기 때문에, flippase의 작용으로 외막과 내막의 인지질의 분포 균형을 적절히 유지해주어야 합니다.

 

단백질에는 표재성 단백질과 내재성 단백질이 있습니다.

표재성 단백질은 전기적 인력으로 막과 붙어있고,

내재성 단백질은 α-나선 구조이고 소수성 상호작용으로 붙어있습니다.

따라서 표재성 단백질을 분리시키기 위해서는 염처리, 요소, 가열, pH 변화 등의 방법이 있으며,

내재성 단백질을 분리하기 위해서는 양친매성 물질의 처리(소수성 상호작용을 약화시킴)가 있습니다.

"세포막 안쪽"에 붙어있는 표재성 단백질만이 자유리보솜에 의해 번역되고, 나머지 모든 종류의 막단백질은 부착리보솜에 의해 번역됩니다.

 

효소를 막단백질에 처리할 때에는 저농도의 용액을 처리해야 효소가 막 내부로 유입이 가능합니다.

ex ) LactoPeroxidase를 처리하고 125I(아이오딘)을 처리할 때

 

그리고 내재성 단백질은 아주 긴 아미노산 서열이기 때문에 단순히 항상 한 번만 막을 관통하지는 않습니다.

막을 여러 번 통과하는 경우가 많은데, 이 때 내재성 단백질이 막을 몇 번 관통하는지 확인할 수 있는 방법으로 소수성 지표가 있습니다.

여러 아미노산별로 구간을 설정하고 각 구간에 H2O를 접근시킬 때의 에너지를 측정하여 아미노산 서열 중 막을 관통하는 부분인 소수성 부분이 몇 개나 있는지 알 수 있습니다. (소수성 부분에 H2O가 접근할 때 에너지가 높음, 즉 에너지가 높은 부분이 몇 개가 있었는가 = 내재성 단백질이 막을 몇 번 관통했는가)

** 위의 그래프와 같은 세포에 단백질 분해효소를 처리하고, 젤 전기영동을 수행하면 총 2개의 밴드가 나타납니다.

 

원형질막에는 막관통 단백질이 있는데, 여기에 앤키린이라는 단백질이 붙어있고,

거기에 스펙트린이라는 단백질이 붙으며 이 스펙트린은 액틴미세섬유에 가서 고정시킵니다.

이 경우 중요한 포인트는 막단백질이 반드시 유동적이지는 않고, 고정적인 경우가 있다는 것입니다.

그리고 이 때 스펙트린과 앤키린이 표재성 단백질에 해당합니다.

 

박테리오로돕신은 고세균 세포막에 존재하는 α-나선형의 막을 관통하는 내재성의 H+ 수송 단백질입니다.

막단백질 내용과 별개로 박테리오로돕신은 중요한 특징이 있는데, 1차 능동체임에도 ATP를 사용하지 않는 광펌프라는 것과, 전자전달계를 사용하지 않고도 ATP를 생산할 수 있다는 것입니다.

 

글리코칼릭스는 당단백질/당지질의 한 종류로 세포막 외부 올리고당류 외피층을 말합니다.

단백질이나 인지질과 결합하여 세포를 인지하거나 수용체 안정화 기능을 합니다.

 

** 세포막 인지질의 유동성을 제한시키는 요소는 밀착 연접, 복합체(둘 다 고정시킬 때를 의미), 지질 뗏목이 있습니다.

   지질 뗏목은 스핑고지질이 많은 부위이며 지방산의 길이가 깁니다.