분자세포생물학2 Ch. 1 PDF

분자세포생물학2 Ch. 1 Membrane Structure 개요 Plasma membrane : 세포의 외내부를 구분짓는 막으로, 단백질(Protein)이 박혀있는 지질(Lipid)로 된 약 5nm의 지질 이중층(lipid bilayer) 피막임. Plasma membrane은 일종의 선택적 장벽(Selective barrier) 역할을 수행할 뿐 아니라 선택적 수송 기능 또한 담당함....

분자세포생물학2 Ch. 1 Membrane Structure 개요 Plasma membrane : 세포의 외내부를 구분짓는 막으로, 단백질(Protein)이 박혀있는 지질(Lipid)로 된 약 5nm의 지질 이중층(lipid bilayer) 피막임. Plasma membrane은 일종의 선택적 장벽(Selective barrier) 역할을 수행할 뿐 아니라 선택적 수송 기능 또한 담당함. 세포가 성장하면 막 또한 새로운 막을 첨가해 표면적을 넓혀 성장하며 막에 손상이 일어난다 하여도 자가치유력으로 인해 복구됨. 박테리아 : 단일막 eukaryote : outter membrane과 inner membrane으로 구성된 이중막 구조. inner membrane은 세포 소기관 형성 Lipid bilayer : 세포는 물로 둘러싸여있기에 세포막의 구조는 lipid bilayer가 수용액에서 행동하는 방식에 의해 결정됨. 또한 세포의 원형질막의 지질 추출 시 세포 면적의 2배가 측정 > bilayer, 즉 이중층을 의미. Lipid는 물에서 Bilayer를 형성한다 - 세포막에서 발견되는 지질은 hydrophilc한 머리와 hydrophobic한 꼬리 두 부위로 구분됨. - 대표적으로 인지질(phospholipid)의 경우 phosphate group을 포함한 hydrophilc한 머리 부분과 hydrophobic한 꼬리 부분으로 구성됨. 이러한 인지질 중의 대다수는 phosphatidylcholine으로, 콜린-인산 결합의 친수성 머리로 구성됨. 이 phoshatidylcholine은 소수성 꼬리 한쪽에 이중결합이 존재해 비틀림 발생. - 이런 친수성/소수성 부위를 전부 가진 분자를 amphipathic(양친매성) 이라고 부름. 이러한 특성은 인지질 뿐 아닌 glycolipid(당지질), sterol(스테롤) 또한 보유하고 있음. - 친수성 분자의 특성인 물을 끌어당기는 성질과 물에 잘 녹는 것, 소수성 분자의 특징인 물에 결합하지 않는 것 = 녹지 않는 것으로 인해 물분자가 소수성 분자를 둘러싸는 격자 구조를 이루게 하는 성질 두 가지를 만족시키기 위해서는 lipid bilayer를 형성해 두 인지질의 친수성 머리는 물으로, 소수성 머리는 서로 만나게끔 하여 물으로부터 격리하는 구조를 형성함. - 이렇게 형성된 이중층은 자기봉합하는 성질을 가지는데, 이중층 일부가 파손되면 물에 노출되어 불안정해지기 때문임. - 이러한 자기봉합 특성으로 인하여 이중층은 스스로 소수성 부위가 노출된 가장자리끼리 연결되어 밀폐된 일종의 vesicle(소낭), 혹은 liposome을 형성함. 지질이중층은 2-Dimensinal flexible structure이다 - 막지질 자체는 이중층에서 빠져나기지 않지만, 이중층 내부에서의 운동은 가능함(liquidity-유동성) > 이는 막 기능성에 매우 중요 - 동시에 유연성(flexible) 존재 - 이중층은 flip-flop이란 안팎이 뒤집어지는 경우는 매우 적음(상하 교환), 그러나 단일층 내에서의 위치 변환은 매우 자주 일어남(좌우 교환) - 이런 특징은 지질 분자의 빠른 확산 윺도 - 또한 각 분자는 단일층 내의 긴 축을 통해 초당 500회 속도로 회전 지질이중층의 liquidity는 구성성분에 의해 결정된다 - 이중층의 liquidity(유동성)은 특히 인지질의 hydrocarbon(탄화수소) 꼬리와 크게 영향을 받음, 꼬리 부분이 조밀하고 규칙적일수록 점성이 강하고 덜 유동적임 - 유동성은 탄화수소 꼬리의 이중결합의 수와 길이에 영향을 받음 - 꼬리의 길이가 짧다 = 결합력이 약하다 = 유동성이 증가, 즉 반비례 - 보통 탄소원자는 18-20개 - 대부분의 인지질은 탄화수소 꼬리중 하나는 한 개 이상의 이중 결합을 갖고 있음, 이는 곧 수소 원자가 최대한으로 결합하지 않았다는 것을 의미하므로 unsaturated(불포화), 반대로 이중결합이 없는 꼬리는 saturated(포화)되었다고 표현함 - 이러한 unsaturated된 꼬리가 있는 인지질은 비틀려있으므로 겹치기 어려움, 즉 unsaturated 많음 = 유동성이 증가 = 비례 - 이러한 특성의 예시로 박테리아나 효모는 스스로 인지질의 포화 정도를 조절하는 것으로 온도에 적응, 또한 동물성 지방은 포화, 식물성은 불포화라 상온에서 식물성 지방은 잘 굳지 않음. 이를 이용한 것이 마가린 > 식물성 지방에서 H기를 첨가해 불포화지방을 포화지방으로 만든 것 - 추가로 동물세포의 경우 유동성은 콜레스테롤에 의해 조절됨, 콜레스테롤은 plasma membrane에 다량 존재 - 콜레스테롤은 고리 구조가 있어 탄화수소 꼬리의 비틀림현상으로 인해 발생한 빈 공간을 채움 = 이중층이 견고해짐 = 덜 유동성 = 반비례, 추가로 투과도도 줄임 - 이러한 막의 유동성은 막단백질의 확산을 용이하게 해주며, 세포 분열 시 분자의 동일한 분배, 세포막 융합 시 분자가 잘 섞이게 해줌 막의 조립은 Endoplasmic Reticulum, ER(소포체)에서 시작한다 - 진핵세포에서 인지질은 ER에 부착된 효소에 의해 생성됨 - 이때 생성된 인지질은 이중층의 세포질을 향한 면-즉 inner membrane-에만 끼워짐 - 그러나 세포막은 항상 균등한 성장을 이룸 - 이는 filp-flop이 일어나는 것이 아닌, scramblase에 의해 임의의 인지질을 반대쪽 인지질로 섞어 수송하는 것 특정 인지질들은 막의 한 쪽 면에만 국한되어 있다 - 대부분의 세포막은 비대칭(asymmetry) - 그런데 소포체는 균등하게끔 인지질을 분배함(큰 수의 법칙으로 인하여 무작위 분배가 계속되면 비교적 균등분배될 수밖에 없음) - 이는 골지체에 의해 flippase라는 효소가 작용하여 세포 외부로 향해야 specific한 인지질을 골라 세포질 내부로 향하는 면의 인지질 쪽으로 끼워 넣음 - 이렇게 형성된 비대칭성은 세포막의 '안쪽'과 '바깥'을 구분하는데, 이는 다른 세포와 상호작용할 때도 적용됨 - 세포질 쪽 단일막은 항상 세포질을, 비세포질 쪽 단일층은 lumen(세포 소기관의 안쪽 공간, 내강)이나 항상 원형질막 쪽을 향함 - 이러한 방향성의 보존은 막단백질에도 적용됨 > 세포 기능의 결정에 있어 매우 중요 - 이러한 비대칭성 중 가장 큰 비대칭을 가지는 것이 당지질, 주로 비세포질 쪽(바깥)에만 위치, 그 외에 inositol phospholipid는 세포기질 방향으로 분포하여 세포 외부로부터 세포 내부 신호 중계기 역할도 함 membrane protein : 사실 세포막의 대부분 기능은 이 membrane protein(막단백질)이 수행하는 것. 원형질막의 50%가 막단백질, 그 외에는 지질, 당지질, 당단백질의 탄수화물 등으로 질량 비중이 높음. 이러한 막단백질은 transporters and channel-수송 역할을 하거나, anchor-거대분자 고정, receptor-수용체, enzyme-효소 등 여러 역할을 수행함. membrane protein은 여러 방법으로 lipid bilayer과 결합한다 - 지질이중층과 달리 단백질은 여러 방법으로 세포막과 상호작용함 ○ 대부분의 막단백질은 단백질 일부분이 양쪽으로 돌출된 형태, 이를 trans-membrane protein(막관통단백질)이라 부름, 이 형태의 단백질도 amphipathic을 가짐 ○ 다른 막단백질은 양친매성을 갖는 a-helix에 의해 지질이중층의 안쪽 면과 결합하여 세포기질 내부에 위치하는 경우도 존재함-monolayer associated protein ○ 일부는 아예 이중층 외부에 존재하는데, 분자 하나가 공유결합에 의해 인지질과 연결된 경우 - lipid-linked protein ○ 그 외에 아예 다른 막단백질과의 상호작용으로 간접적 연결된 단백질이 있음 - protein-attached protein ○ 이런 단백질 중 지질이중층과 직접적으로 결합한 위의 세 막단백질을 integral membrane protein-내재성 막단백질이라 하고, 그렇지 않은 막단백질을 peripheral membrane-표재성 막단백질이라 함. 이 중 표재정 막단백질은 이중층엔 영향을 주지 않으면서 단백질의 상호작용을 방해하는 방식으로 추출할 수 있음. 폴리펩타이드 사슬은 대개 a-helix로 지질이중층을 통과한다 - 모든 막단백질은 방향성을 가지는데 이는 기능에 영향을 미침 - trans-membrane receptor protein을 예시로 들면 신호 받는 부분은 무조건 밖, 전달 부분은 안으로 존재해야 됨, 이런 경우 관통하는 부위가 존재하는데, 이런 관통 부위는 소수성 곁사슬을 가진 아미노산으로 구성되어 있음 - 그러나 폴리펩타이드 결합은 극성 결합, 하지만 이중층 내부는 물이 없음 - 따라서 이러한 특성상 폴리펩타이드 사슬끼리 서로 수소결합하게 되는 a-helix 상태가 될 수 밖에 없음 - 이렇게 형성된 a-helix의 소수성 곁사슬은 이중층의 소수성 꼬리와 상호작용하게 되고, 친수성 나선 부분은 안쪽으로 형성됨 - 이렇게 형성된 trans-membrane protein의 경우 대부분 수용체로 작용하게 됨 - 그 외에 여러 a-helix가 뭉쳐서 형성된 막단백질 덩어리의 경우가 있는데, 이때 친수성 곁사슬이 있다면 친수성 곁사슬 부분끼리 서로 모여 일종의 친수성 막공을 형성하고, 이는 통로로 작용함. - 간혹 b-sheet가 지질이중층을 통과하면서 일종의 barrel을 형성하기도 함. 대표적으로 porin 단백질이 존재. 막단백질은 detergent(계면활성제)를 이용해 용해할 수 있다 - 막단백질 특성상 amphipathic함 - 이를 위해 이중층을 파괴할 필요가 있음 - detergent를 활용하는데, detergent는 친수성 머리와 소수성 꼬리 1개를 가져 원뿔 모양이고, micelle이란 덩어리를 형성함. 종류로는 SDS와 triton x-100이 존재. 구조가 완전히 알려진 막단백질은 드물다 - 막단백질을 추출하면 계면활성제와 복합된 상태이므로 정제하기 힘듬 > 결정화 작업 어려움 - 그러나 극저온전자현미경을 이용해 구조를 밝혀나가고 있음 - bacteriorho-dopsin은 세포 밖으로 proton을 배출하는 transporter protein - bacteriorho-dopsin은 흡광작용을 하는 retinal이라는 비단백질성 분자를 포함하여 보라색을 띔, a-helix와 결합된 retinal이 빛을 흡수하면 모양이 변하는 작용을 하는데, 이 작용으로 수소 이온 펌프 역할을 하는 것. 이러한 펌프 역할을 하는 단백질을 pump protein이라 함 plasma membrane은 아래쪽을 받쳐주는 cell cortex에 의해 보강되어 있다 - 세포막 자체는 변형되기 쉬운 구조, 따라서 trans-membrane protein과 부착되어 있는 protein skeleton에 의해 보강됨 - 식물세포의 경우 cell well, 동물세포는 cell cortex(세포피질)이라 불리는 filament protein - 대표적으로 적혈구 피질의 성분인 spectrin, 얘가 적혈구 특유의 모양 만듬, spectrin 없으면 빈혈, 적혈구 원반 아니라 구 모양으로 됨 - 이런 cortex로는 actin과 myosin도 존재, 적혈구랑 다르게 물질 흡수나 모양 변경 및 이동, 확산 제한에도 이용 세포는 막단백질의 이동을 제한할 수 있다 - 세포막의 특성에 따라 막단백질은 결국 무작위로 이동하게 됨, 그러나 이는 세포를 너무 단순화시킴 - 세포는 membrane domain을 만들어 특정 막단백질의 이동을 특정 부위로 제한시킴 - 상피세포의 경우, 막단백질이 비대칭적으로 분포하게 되는데, 이렇게 비대칭적으로 분포한 단백질은 인접한 상피세포끼리 밀착하여 tight junctiond을 형성하여 유지됨. 막단백질은 이 tight junction을 뚫고 확산할 수 없음 탄수화물이 세포표면을 덮고 있다 - 막단백질 중 당이 결합한 대다수는 oligosaccharide라는 짧은 당이 연결되어 있음. 이를 당단백질이라 함 - 또한 하나 이상의 긴 다당류를 가진 다른 형태의 막단백질은 proteoglycan이라 함 - 이러한 탄수화물은 원형질막의 바깥쪽에 존재함, 이들은 glycocalyx라 불리는 피막을 형성함 - glacocalyx는 손상으로부터 세포표면을 보호함 - oligosaccharide와 다당류는 물분자를 끌어들이기에 세포 표면이 미끄러움 - 또한 당단백질은 세포간 인식이나 정착에도 영향을 미침, 정자가 난자를 인식할 때 - 또한 neutrophil이란 백혈구 표면의 탄수화물이 감염된 혈관 벽 세포상의 lectin을 인식하여 그 세포 조직으로 이동해 박테리아를 제거하게 됨