[세포생물학] 세포막 : 막단백질의 물질 투과 및 수송 (+ 미카엘리스-멘텐 식)

세포막은 이전 포스트의 유동성과 비대칭성에서 한 번 끊고 막단백질을 이용한 투과, 물질 수송을 주제로 여기서부터 다시 정리하도록 하겠습니다.

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세포막을 통한 물질 수송 부분에서는, 세포막을 통해 물질을 통과시키는 방법을 어떻게 분류해야하는지 분류 순서를 기억하는 것이 좋습니다. 에너지를 사용하는 방법이 있고 사용하지 않는 방법이 있으며, 단백질을 사용하는 방법이 있고, 단백질을 사용하지 않는 방법이 있습니다. 에너지를 사용하는 수송 방식을 능동 수송이라고 하고, 에너지를 사용하지 않는 수송 방식을 수동 수송이라고 합니다.

 

** 에너지를 사용하는 능동 수송의 경우 단방향으로만 수송이 가능합니다. (나머지 수송 방법들은 역방향으로도 수송 가능)

 

단순 확산 : 그냥 농도 평형

 

가장 단순한 수송 방법으로 수동 수송의 단순확산이 있습니다. 단순확산은 말 그대로 고농도에서 저농도로 물질이 확산되는 것입니다.

ex ) 모세혈관과 조직세포 사이의 O2, 포도당, Na+등의 이온이 모두 단순확산으로 전달됩니다. 그래서 혈압이 높아지더라도 조직세포와 모세혈관 사이의 농도 차이는 발생하지 않습니다. (삼투압도 일정)

 

단순 확산의 중요한 특징은 양쪽 공간의 농도가 같아진다는 점입니다. 만약 오른쪽처럼 농도의 차이가 다른 상태로 평형이 유지된다면 능동 수송입니다.

 

여기에 연계되는 개념으로 삼투압이 있습니다. (용매만 통과 가능한 반투과성막이 있을 때) 용질의 불균등이 나타나면, 용매는 용질의 농도에 비례하여 이동하게 됩니다. 그런데 기출을 보니까 삼투압의 방향을 고려할 때는 물의 이동방향과 반대로 생각해야 하는 것 같습니다. 그러니까 용질이 통과 불가능한 반투과성 막이 있을 때 물은 용질이 많은 쪽으로 이동하지만 삼투압이 더 큰 쪽은 용질이 많은 쪽이라는 것입니다. (용질이 많은 쪽 위에서 눌러줘야 용매 양의 평형이 유지되므로 그런듯)

 

삼투압의 대표적인 예시로 적혈구와 식물세포를 각각 저장액, 등장액, 고장액에 넣는 실험이 있습니다. 적혈구의 경우 삼투압에 의해 저장액에서는 물이 적혈구 내부로 들어와 부풀고, (등장액에서는 정상 상태) 고장액에서는 쪼그라드는 결과가 나타납니다. 식물세포의 경우 저장액에서 삼투압을 이용해 H2O를 빨아들일 수 있고, 식물 뿌리에서의 팽윤(삼투압이 0인 지점)이 이에 해당합니다. 따라서 수분을 공급받아야 하므로 등장액이어도 수분을 빨아들이지 못하므로 시든 상태가 되어버립니다. 고장액에 넣을 경우 세포벽은 형태를 유지하는데 쪼그라들어야 하므로 원형질막과 세포벽 사이의 분리가 발생합니다.

 

** 용질은 화학적 기울기뿐만이 아니라 전기적 기울기 역시 평형을 유지하는 방향으로 이동합니다. 그러니까 이온의 전하 균형도 고려해야 한다는 의미입니다.

 

GluT : 촉진 확산의 예시

GluT는 포도당 운반체로, 척추동물의 세포막에 있는 촉진 확산 단백질의 대표적인 예시입니다. 포도당을 인산화시키는 기능이 있습니다. 포도당이 체내에서 이동하는 경로를 통해 GluT가 어디에서 작용하는지 정리해보겠습니다. (그림을 최대한 이해하기 쉽게 재구성하여 그리려고 했는데, 아무래도 처음 본 그림의 인식이 강해서 거의 비슷해져 버렸습니다.)

 

아무튼 GluT는 소장상피세포, 간세포, 이자 등 포도당이 이동되는 경로 모두에 통로로써 존재하고 있습니다. 그림에서도 발견할 수 있겠지만 GluT는 존재하는 세포 종류에 따라 여러 가지 종류가 존재합니다.

 

GluT1 : 일반적인 세포, 적혈구 - 효소와 유사함, K_m 작음

GluT2 : 소장, 간, 이자, 신장 (** 양방향성입니다. 간, 이자에서 다시 포도당으로 분해하기도 합니다.)

GluT3 : 뇌세포 - K_m 작음

GluT4 : 근육, 지방세포

 

GluT와 같은 막단백질이나 효소는 위와 같은 그래프를 따릅니다. 이 때 S는 substrate로 기질을 뜻합니다. 위와 같은 그래프가 나타나는 이유는, 아쿠아포린의 물이나, GluT의 포도당과 같은 분자가 아무리 많아도 막단백질을 통과하는데 걸리는 시간이 있으므로 Vmax의 한계가 존재합니다. 이에 반해 단순확산이나 이온 채널의 경우 속도 제한이 없으므로 일차함수의 개형을 가질 것입니다. Vmax 식을 뒤집어서 생각하면 다음과 같습니다.

 

 

식 자체는 그냥 역수를 취한 것이고, 이것을 그래프로 분석할 때 그래프가 원점을 지난다면, Vmax가 무한대라는 의미이므로 이것은 단순확산 또는 이온통로를 의미하게 됩니다.

 

GluT + K_m과 관련하여 추가적으로 이야기할 것이 있는데, GluT1의 K_m은 아주 작으므로, glucose를 막단백질이 잘 통과시킨다는 의미가 됩니다. (K_m이 분모에 있으니까 작으면 V가 커짐)

 

아래 두 개의 예시 그래프가 있는데 그 전에 저해제의 개념에 대해 약간만 설명하고 시작하겠습니다.

** 경쟁적 저해제 : 기질이 결합하려는 자리에 대신 결합하는 저해제들 (기질의 자리를 뺏으므로 당연히 경쟁적인 저해제임)

** 비경쟁적 저해제 : 기질이 결합하는 자리가 아닌 다른 자리에 결합하여 기질이 결합하지 못하도록 결합자리를 변형시키는 저해제들

 

위의 그래프를 예시로 들어봅시다. 기준이 되는 저해제 그래프가 존재한다고 가정합시다.

1번 그래프의 경우 원점을 지나므로 1/V_max = 0, 즉 V_max가 무한대로 늘어날 수 있다는 의미이므로 단순확산 또는 이온통로에 해당합니다.

2번 그래프의 경우 V_max가 기준이 되는 저해제의 V_max와 다르므로 결합 자리가 다름을 알 수 있습니다. 따라서 비경쟁적 저해제에 해당합니다.

3번 그래프의 경우 2번과 반대로 V_max가 기준 저해제의 V_max와 같으므로 같은 자리에 결합하는 저해제이고 따라서 경쟁적 저해제에 해당합니다.

 

위의 그래프를 예시로 들어봅시다. x축과 y축의 데이터가 다르지만 상관없습니다. 미카엘리스-멘텐 방정식 또는 라인위버-버크 방정식을 적절히 조작하여 식을 만들어주면 됩니다. 중요한 것은 그게 아니고 위의 그래프는 1/V_max가 기울기가 된다는 점입니다.

우선 x축에 평행한 그래프의 경우 S값에 관계없이 S/V가 같다는 뜻은 V가 S에 비례하여 증가한다는 의미이므로 단순확산 or 통로임을 알 수 있습니다.

그 다음 기준 그래프와 기울기가 같은 그래프는 경쟁적 저해제, 기울기가 다른 그래프는 비경쟁적 저해제에 해당합니다.

 

<요약>

Na+/K+ pump : ATP를 직접 이용하는 1차 능동수송입니다.

Na+/glucose : Na+가 이동하면서 간접적으로 glucose가 이동되는 2차 능동수송입니다. (ATP 직접 사용 X) glucose는 저농도 -> 고농도로 이동합니다.

 

음이온 수송체 : Cl- / HCO3- 교환수송

 

근육과 간 등의 조직에서 폐로 CO2를 운반할 때 사용합니다. (교환수송 = CO2 제거에 의의가 있음.)

 

이온 채널 : 열린 통로와 작동 통로

운반체보다 훨씬 빨리 물질을 통과시키는 통로입니다. 이온 채널에는 열린 통로와 작동 통로가 있습니다.

열린 통로는 말 그대로 항상 열려있는 채널을 말합니다. K+ 열린 통로와 If 채널(Na+이 들어오고 K+가 나가는 채널)이 있습니다.

작동 통로에는 다음과 같은 것들이 있습니다.

ex ) 아세틸콜린이나 글루탐산이 결합하면 채널이 열려 Na+를 들여보내는 채널

ex ) 글리신이나 GABA라는 물질이 결합하면 채널이 열려 K+을 내보내고 Cl-을 들여보내는 채널

 

이온 채널은 주로 그래프로 정보를 주는데요, 전위를 주는 경우가 있고 전류(I)를 주는 경우가 있습니다. 전위를 주는 경우는 내막의 전위가 기준입니다. 즉 전위가 +가 되면 막 안쪽의 전위가 +가 되는거고, 바깥쪽의 전위는 -가 되는 것입니다. 그리고 전류를 주는 경우는 막 바깥으로 나가는 전류가 +입니다. 즉 전류가 막 내부로 들어오는 경우는 전류가 -가 되는 것입니다.

위의 두 그래프는 같은 그래프입니다. 전류로 y축을 주었을 때 그래프가 전위와 반대로 나오는 것을 주의해야합니다. 둘 다 이온채널에서는 탈분극 단계(이온이 채널로 급격히 들어오는 단계)에 해당하는 그래프입니다.

 

K+ 통로, Cl- 통로 : K+ 채널에 글리신이 와서 결합하면 채널이 열리고 내부에 있던 고농도의 K+가 외부로 나갑니다. Cl- 채널에 GABA가 와서 결합하면 외부에 있던 고농도의 Cl-가 내부로 들어옵니다. 양전하가 나가나 음전하가 들어오나 둘 다 막 안쪽의 전위가 낮아지고, 전류는 바깥쪽으로 흐르게 되어 전류 그래프는 +값을 가집니다.

 

Ca2+ 통로

(1) 신축의존성 Ca2+ 통로 : 근육이 늘어나면 스스로 칼슘 통로를 여는 형태를 가지고 있습니다. 신장의 사구체에 혈액을 공급하는 수입세(소)동맥에 있습니다. 사구체에서 보먼주머니로 여과가 일어날 때 요소를 일정하게 배출하기 위해 GFR(사구체 여과율)을 일정하게 조절해야 하는데, 혈압이 높아지면 수입소동맥이 이완하여 신축의존성 Ca2+ 통로가 열리는 기작을 통해 조절이 가능합니다.

(2) IP3 기질의존성 Ca2+ 통로가 있습니다. 세포막에 PLC가 작용하고 있을 때 IP3가 나와서 활면소포체에 작용하면 Ca2+ 통로가 열려 칼슘이 나와 2차 신호로 사용되는 것입니다.

(3) 뉴런의 축삭막에 있는 전압의존성 Ca2+ 통로가 있습니다. 칼슘이 밖에서 들어오면 소낭으로 방출시키는 구조를 가지고 있습니다.

(4) RyR(리아노딘 수용체) : 골격근의 T소체에 전기 신호가 전달되면 거대근소포체에 신호가 전달되어 RyR이 열리면 Ca2+이 나오는 형태를 가지고 있습니다.

 

아쿠아포린(AQP)

아쿠아포린은 물을 통과시키는 채널이며 가장 큰 특징은 모든 생명체에 존재한다는 것입니다. 그리고 아쿠아포린과 별개로 물은 아쿠아포린과 단순 확산 모두를 사용하여 세포막을 통과합니다.

 

광-의존성 펌프 : 박테리오로돕신

ATP를 사용하지 않고 빛에 의존하여 H+ pumping 해준다는 특징이 있습니다.

 

아쿠아포린과 박테리오로돕신은 크게 서술할 특징은 많이 없습니다.

 

P-type pump : 연쇄적으로 이온 교환

P-type pump는 두 가지 종류의 이온을 하나는 내보내고 하나는 들여오는 형식의 pump를 말합니다. 당연히 직접 능동수송입니다. 먼저 동물세포에는 다음과 같은 종류들이 있습니다.

Na+/K+ pump는 동물세포의 원형질막에 존재하는 이온 교환 펌프입니다. 3Na+를 밖으로 내보내고 2K+을 내부로 들여옵니다. (반대로 수송하는(antiport) pump는 모두 Na+의 농도차를 이용합니다. ex : Na+/K+, Na+/Ca2+, Na+/H+)

Ca2+ pump는 Ca2+를 밖으로 내보내고 2H+를 내부로 들여옵니다. (ATPase)

H+/K+ pump는 H+를 밖으로 내보내고 K+를 내부로 들여옵니다. (ATPase, 위와 신장에 존재)

 

P-type pump는 전기화학적 기울기를 발생시킨다는 특징이 있습니다. 예를 들어 Na+/K+ pump를 가동하면 바깥쪽이 +가 되고 안쪽이 -가 되므로 전기화학적 기울기에 의해 Na+가 밖에서 안으로 들어오면서 친수성 용질이 같이 들어옵니다. (2차 능동수송)

 

그 다음 식물세포 또는 세균에 있는 P-type pump들은 다음과 같은 종류들이 있습니다.

H+ pump는 H+를 세포 밖으로 내보내고, 그러면 외부는 양전하, 내부는 음전하가 되므로 전기화학적 기울기에 의해 수소가 내부로 들어오면서 밖의 저농도의 설탕을 고농도인 내부로 들여옵니다. (2차 능동수송, 세균은 이 때 젖당을 들여옵니다.)

 

+ V-type pump는 소기관 내부를 산성으로 유지시키는 pump입니다. 즉, 세포 소기관 내부로 H+를 넣어주는 pump입니다. (ex : 골지체, endosome)

 

소낭을 통한 수송

크기가 크거나 용질 수가 많으며, 용질이 친수성일 경우 막에 싸서 수송할 수 있습니다.

내포 작용에는 식세포 작용(거대한 물질을 처리할 때, 리소좀에 의해 소화)과 음세포 작용(개수가 많은 비교적 작은 물질)과 수용체 매개 내포작용이 있습니다.

 

이들 중 수용체 매개 내포작용이 특징적인데, 재활용이 가능한 수용체를 사용하는 LDL, Transcytosis 등이 있습니다.

 

LDL : LDL을 인식할 때 수용체들이 인식하고 그 다음 소낭으로 싸서 세포 내부로 들입니다. 수용체에 결합하는 부위는 apoB-100이라는 단백질이고, 콜레스테롤이 이 apoB-100에 결합합니다. 어댑틴, Clathrin이 막에 붙으면서 감싸서 소낭의 형태를 만들고, 함입시키면서 (dynamin이 끊어주면서) 소낭이 안으로 유입됩니다.

 

* LDL과 같은 유미입자들은 모두 친수성입니다.

* 지방산은 모세혈관을 통해 간으로 이동합니다.

* 담즙(양친매성 물질) 역시 모세혈관을 통해 간으로 이동합니다.

 

내포작용이 일어나고 얼마 안 된 소낭은 초기 엔도좀으로 불립니다.  엔도좀은 1차 리소좀과 결합하고 이것은 골지체로 이동해 합쳐져 재사용됩니다. 그리고 골지체에서 다시 소낭으로 싸서 세포막으로 보내기 때문에, 여기에 들어있던 수용체들도 같이 보내집니다. 방출된 콜레스테롤은 분해되거나 새로운 막 합성에 사용됩니다. (또는 lipid droplet에 보관)

 

만약 수용체 매개 내포작용이 일어나지 않으면? 콜레스테롤을 세포 안으로 받아들여야되는데 그러지 못하고 있으므로 콜레스테롤을 더 합성하기 위해서 HMG-CoA reductase와 LDL receptor의 합성을 증가시킵니다. (콜레스테롤 합성 메커니즘은 지질 파트에서 언급했었음)

 

Transcytosis : 내포작용이 일어난 소낭이 반대쪽 막까지 횡단해버리는 현상을 말합니다.

ex ) IgA(점막 면역에 중요 역할을 하는 항체) 단량체가 수용체에 가서 결합을 하면 그 상태(이량체)로 소낭에 둘러쌓여 막을 횡단한 뒤 제거됩니다.

ex ) BCR(B Cell Receptor) : BCR(수용체)에 3차 구조 항원이 결합하면 B cell 안으로 들여온 뒤 MHClass II로 변환하여 반대쪽으로 내보내 Helper T Cell로 처리합니다.