낭포성 섬유증과 세포막 모델

낭포성 섬유증 (Cystic Fibrosis)

• CFTR (Cl- 채널) 단백질의 유전적 변이로 인해 발생하며, 이는 단백질이 제대로 기능하지 못하게 만든다.
• CFTR은 Cl-를 세포 밖으로 배출시켜 물이 세포 밖으로 나가도록 하는데 중요한 역할을 한다.
• CFTR 기능이 약해지면 submucosal gland에서 분비가 제대로 이루어지지 않으며, 폐에 mucin이 높은 농도로 침착된다.
• Cl-가 세포 밖으로 배출되면 Na+가 전하 균형을 맞추기 위해 함께 이동하고, 이는 세포 바깥쪽의 전해질 농도를 높여 삼투압을 높이고 그 결과 물이 세포 밖으로 빠져나가게 된다.

Fluid Mosaic Model과 Unit Membrane Model

• Fluid Mosaic Model은 인지질 이중층에 단백질이 박혀 떠다니는 모델로, 세포막의 유동성을 설명한다.
• 세포막을 관통하는 단백질은 물질의 이동에 관여한다.
• 전자현미경 관찰 결과, 신경세포, 미토콘드리아, 세포 등에서 지방과 단백질 비율이 달라도 흑백 기찻길 모양이 관찰되었으며, 이를 Unit membrane (단위막)이라 칭했다.

세포막 구조 연구 순서

• Overton: 세포막은 비극성 (지질)이다.
• Langmuir: 세포막은 지질로 구성되어 있다. (벤젠 사용)
• G&G: 세포막은 이중층이다.
• D&D: 세포막에는 극성 물질과 이온 물질이 지나다니는 통로가 필요하다.
• Robertson: 세포막은 Unit membrane 구조로 구성되어 있으며, 이는 전자 현미경 관찰 결과이며 전자 밀도 차이에 의한 것이다 (미토콘드리아, 신경 세포 등 단백질/지질 구성비가 달라도 동일 구조 관찰).
• S&N: Fluid Mosaic Model

지질의 특징

• 양친매성: 인지질, 당지질, 콜레스테롤을 포함한다.
• 세포막의 지질 구성은 세포마다 다르다.

인지질의 특징

• PE, PC, SM, PS (-전하), PI (신경 전달) 등이 있다.

당지질의 특징

• 상피 세포에 많으며, 세포 보호 기능을 한다.
• 세포막 (인지질 이중층)의 외부층에서 주로 관찰된다.

콜레스테롤의 특징

• 인지질과 강한 공유 결합을 형성하여 막 유동성을 감소시킨다.
• 극성 머리, 스테로이드 링, 무극성 탄화수소 꼬리로 구성된다.

지질 이중층의 특징

• 비대칭성, 유동성, 비특이적 투과성을 가진다.

지질 이중층의 비대칭성

• 인지질 이중층은 안쪽 층과 바깥쪽 층의 구성 성분이 서로 다르다.
• Phosphatidylserine (PS)은 음전하를 띠며, 주로 내부층에 존재하고 신호 전달에 관여한다.

지질 이중층의 유동성

• Tight junction은 유동성을 저해한다.
• 물질의 크기 및 극성에 따라 투과도가 달라진다.

인지질 이중층의 유동성에 영향을 미치는 요소

• 지질의 움직임 (Lateral diffusion, Flip-flop, Flexion, Rotation)과 세포 융합 실험 등이 증거로 제시된다.

Tight Junction

• 지질과 단백질의 유동성을 저해한다.
• 침샘에서 침이 Apical 쪽으로만 분비되도록 한다.

막 유동성이 증가하는 경우

• 온도가 높을수록, 불포화 지방산 비율이 높을수록, 지방산 사슬 길이가 짧을수록, 콜레스테롤 함량이 적을수록 막 유동성이 증가한다 (분산력이 작을수록).

콜레스테롤이 막의 비특이적 투과성에 미치는 영향

• 온도가 높아지면 특정 온도 (40도)에서 물이 세포막을 급격히 통과하기 시작하고 콜레스테롤 함량이 높을수록 물의 투과도는 감소한다.
• 콜레스테롤은 세포막의 비특이적 투과성을 저해한다.

세포막 유동성의 역할 및 영향 요인

• 역할: 물질 수송, 신호 전달
• 요인: 온도, 포화 지방산/불포화 지방산 비율, 지방산 사슬 길이, 콜레스테롤 존재 유무

요붕증

• 소변의 양이 증가하는 질병이다.
• 원인:뇌하수체에서 분비되는 항이뇨 호르몬 이상 또는 아쿠아포린 2 단백질 유전자 돌연변이.
• 결과:신장이 물을 잘 흡수하지 못하여 소변량이 증가한다.
• 아쿠아포린 2: 집합관 세포 Apical membrane에 존재하며, 세포 내로 물 분자를 들여오는 통로 단백질이다.
• cAMP에 의해 활성화된 PKA는 세포질 내 소포 막에 있는 아쿠아포린 2를 세포막으로 이동시킨다. 이 과정에 문제가 생기면 요붕증이 발생한다.

Flux (플럭스)

• 가상의 면을 통과하는 물질의 양을 나타내는 개념이다.
• 단위 면적당 시간당 통과하는 물질의 양으로 정의된다.
• Flux = (물질의 양) / (단위 면적 * 시간)

Fick's Law (피크 법칙)

• Flux (J) = -D * (농도차 / 거리차)
• D (확산 계수) = (온도) / (분자 반지름 * 용액의 점도)

지질 이중층에서의 단순 확산

• Flux = 분배 계수(β) * (농도차 / 거리차)
• 투과 계수 (P) = (D * β) / (거리차)
• 지질 이중층에서 물질의 투과는 P와 농도차에 의해 결정된다.
• 지질 이중층에서 전하를 띄지 않는 물질은 지질에 대한 용해도가 클수록, 분자 크기가 작을수록 투과가 잘 된다.

이온 채널의 특이성

• 전도성 (전류 발생, 전하 이동)
• 특이성 (특정 이온만 이동, 크기와 전하량으로 구분)
• 개폐성 (열리고 닫힘)

운반체를 이용한 수송

• Uniport: 단일 물질 수송
• Symport: 두 가지 물질을 동시에 같은 방향으로 수송 -SGLT (Sodium Glucose coTransporter): 당 또는 아미노산을 Na+와 함께 수송
  • NKCC : Na+, K+, 2Cl-를 함께 세포 내로 수송
• Antiport: 두 가지 물질을 서로 반대 방향으로 수송
  • NHE (Na+-H+ Exchanger): Na+ 유입, H+ 방출을 통해 세포 내 pH 조절
  • NCX (Na+-Ca2+ Exchanger): 심장에서 Ca2+을 내보내는 역할, Na+-K+ 펌프가 멈추면 중단됨 (강심제)

Km 및 Jmax

• Jmax: Flux의 최대값
• Km: 효소와 기질의 친화도를 나타내며, 값이 작을수록 친화도가 크다.
• J 값이 Jmax 값의 절반일 때 기질의 농도가 Km 값과 같다.
• 경쟁적 저해제가 있으면 Jmax는 일정하고 Km 값이 증가한다. 비경쟁적 저해제가 있으면 Km 값은 일정하고 Jmax 값이 감소한다.

단순 확산과 촉진 확산 비교

• 포화 현상: 촉진 확산은 기질 농도가 낮을 때는 반응 속도가 빠르지만, 캐리어가 포화되면 속도가 제한된다.
• 특이성: 촉진 확산은 특정한 물질만 수송할 수 있다.
• 수송 능력: 촉진 확산의 Flux가 단순 확산보다 크다.

Na+/K+ 펌프의 역할

• 휴지기 전위 유지
• 효소 활성 유지 (K+ 이온)
• 당 및 아미노산 흡수 (Na+ 이온)
• 삼투압 조절을 통한 세포 크기 조절
• Ca2+ 배출 (Na+ 이온)
• 물 흡수

ScTX/TTX 기전

• ScTX (전갈독) 및 TTX (테트로도톡신)은 소듐 채널을 영구적으로 봉쇄한다.

Digitalis (강심제) 기전

• Na+/K+ 펌프를 멈추고, 이로 인해 세포 외 Na+ 농도가 낮아지게 한다.
• 결과적으로 Na+-Ca2+ exchanger가 작동하지 못해 세포 내 Ca2+ 농도가 높아지고, 심장이 지속적으로 수축하게 된다.