9장. Lipids (지질)
지질이란 넓은 의미로 물에 녹지않고 유기용매에 용해되는 생체고분자를 총칭한다.
이들은 다른 생체고분자와는 달리 polymer로 존재하지는 않지만 생체막과 같은 구조물을 이룬다.
지질은 몇가지 중요한 생물학적 기능을 가진다: 생체막의 구성성분, 에너지 저장물질, 호르몬을 비롯한 신호전달물질.
지질에는 중성지방인 triacylglycerol을 비롯하여, 극성을 가지는 인지질과 당지질, 그리고 스테로이드 호르몬 등이 있다. 스테로이드 호르몬을 제외한 것들은 다음 그림과 같이 공통적인 구조적 특성을 가지고 있다.
Storage lipid: triacylglycerol (neutral molecule)
Membrane lipids: phospholipids + glycolipids (amphiphilic molecule) + cholesterol
hydrophilic---phosphorylated alcohols, sugars
hydrophic moiety---hydrocarbon chain
1. 분류
A. 지방산: 긴 탄소사슬의 말단에 카르복시산이 존재하는 구조를 가진다. 탄소사슬의 길이는 주로 16 또는 18개로서 모두 짝수이며 이보다 적거나 많은 것들은 드물다. 이들은 포화 또는 불포화 상태로 존재한다. 포화란 완전히 환원된 형태를 의미하며, 불포화는 산화된 상태로 이중결합을 가진다. 이중결합의 수는 불포화도의 정도에 따라 숫자가 늘어난다.
지방산의 길이와 불포화도의 정도에 따라 융점이 달라지는 것을 교과서에 있는 표에서 확인하라. 이러한 융점의 차이는 반데르발스 상호작용의 정도에 따라 달라진다. 포화 지방산의 경우 C-C 결합에서의 회전이 가능하지만 가장 안정된 형태는 신장된 구조로서 길이가 늘어나면서 상호작용의 정도는 증가하기 때문에 높은 융점을 가진다. 그렇지만 불포화 지방산의 경우는 이중결합이 cis 배열을 가지기 때문에 분자간의 상호작용이 감소할 수 밖에 없다. 따라서 불포화도가 증가하면서 융점은 계속 감소할 수 밖에 없다. 동물의 지방은 포화도가 높은 반면 식물지방은 불포화도가 높다. 따라서 돼지기름 (fat)은 여름에도 굳은 상태로 존재하지만 참기름 (oil)은 겨울에도 얼지 않는다.
B. Triacylglycerol
Glycerol에 3개의 acyl 기가 에스테르 결합을 이루고 있는 구조이다. 이때 3개의 아실기는 각기 다를 수가 있다. 이 중성지질은 환원정도가 높고, 무수상태 (물분자가 결합하지 않는 상태)로 존재하기 때문에 단위 질량당 성분의 함량이 높아 오랜 기간의 저장목적에 부합된다 (이러한 예로서 식물의 씨앗이 있다. 잣이나 호두 같은 것은 지방이 주성분이다). 반면에 앞장에서 배운 glucose의 중합체인 글리코겐은 짧은 시간 (24 시간 이내)의 저장목적에 이용된다.
동물에서 중성지방은 지방세포 (adipocyte)에서 주로 합성된다.
C. Glycerophospholipids (phosphoglycerides)
생체막의 주성분으로 glycerol에 두 개의 아실기와 인산기로 이루어져 있다. 다르게 표현하면 glycerol-3-phosphate의 1번과 2번 탄소 위치에 지방산이 에스테르 결합을 이루고 있는 것이다 (1번 위치에는 주로 포화된 C16과 C18 지방산, 2번에는 C16에서 C20까지의 불포화지방산이 자주 발견된다). 그리고 인산기에는 ethanolamine, serine, inositol과 같은 여러 가지 화합물이 결합될 수 있다. 이에 따라 다양한 이름의 것들이 존재한다.
이 지질의 구조는 한 쪽에는 탄소사슬의 비극성, 다른 한 쪽에는 인화합물의 극성 구조를 이루고 있다. 따라서 양친매성으로 생체막의 구성성분으로 쓰이게 된다.
이 인지질에 작용하는 여러 가지 효소들이 있다. 이 효소들은 에스테르 결합을 끊으므로 esterase에 해당된다. 이들의 끊는 위치와 명칭을 확인하여 보아라. 이들은 자주 거론되는데 그 이유는 이 효소들의 작용으로 만들어지는 가수분해 산물들이 생리활성물질로서 중요하게 작용하기 때문이다. 그리고 중성지방인 triacylglycerol에 작용하는 효소는 일반적으로 그냥 lipase라 불린다.
D. Sphingolipids
이 지질은 sphingosine (스핑크스에서 유래된 명칭이다. 왜?)을 기본구조로 가진다. Sphingosine은 탄소 18개의 aminoalcohol로서 monoacylglycerol과 유사한 구조를 이룬다 (Sphingosine은 palmitoyl-CoA와 serine으로부터 합성된다. 597 페이지 그림 참조). 이것에 아미노기에 지방산이 amide 결합을 이룬 것이 ceramide로서 diacylglycerol에 해당되는 구조이다.
Ceramide에 인산화합물이 결합된 것이 sphingophospholipid이고, 당이 결합된 것이 cerebroside와 gangliside이다. Cerebroside는 당이 한 개 결합된 것으로 glucoserk 결합된 것은 glucocerebroside, galactoserk 결합된 것은 galactocerebroside이다. Ganglosides는 당이 여러개 결합된 것으로 여러 가지 유형이 존재한다. 이들은 주로 뇌세포에 존재한다. 가장 일반적인 sphingophospholipid인 sphingomyelins는 신경세포를 감싸고 있는 막구조물인 myelin sheath의 중요성분이다. Ganglosides 경우는 특히 세포막 표면에서 특이적인 수용체로서 작용하여 많은 생리적인 기능에 관여하고 있다고 알려져 있다. 또한 세포와 세포의 인식에 관여하여 세포의 생장과 분화에서 중요한 역할을 맡고 있다. Ganglosides의 대사와 관련된 정신질환인 Tay-Sachs 질환은 잘 연구되어 있다.
E. Steroids
4개의 고리구조를 가지는 다양한 유도체들이 존재한다. 가장 잘 알려진 것이 cholesterol로서 다른 중요한 sterol들의 전구체이며 진핵생물, 특히 동물에 주로 존재한다. Cholesterol은 첫 번째 고리의 3번 탄소에 극성인 OH가 존재하기 때문에 약한 양친매성 (amphiphilic) 특성을 가진다. 이 때문에 cholesterol은 원형질막의 구성성분으로도 중요하다. 소기관의 막에는 적은 양 존재한다.
F. Other lipids
Eicosanoids는 탄소 20개의 지방산에서 유래된 것들로 prostaglandind, prostacyclins, thromboxanes, leukotrienes들과 같은 생리활성물질들을 총칭하여 부를 때 쓰인다. 이들은 인지질의 구성성분인 arachidonic acid에서 유래된 것들로 국부적으로 방출되어 매우 낮은 농도로서 여러 가지 중요한 생리활성을 가진다. 널리 사용되는 약인 아스피린의 작용은 leukotrienes를 제외한 다른 eicosanoids의 합성에 저해제로 작용하는 것이다.
2. Lipid bilayers
A. Why bilayers form
수용액에서 지방산과 같은 것들은 주로 micelle을 형성한다. 지방산은 구조적으로 쐐기 모양을 이루기 때문에 주로 구형의 모양을 이루며, 한정된 크기를 가진다 (내부에 공간이 생기지 않는 수준의 크기로서 분자에 따라 다르다). 그 이유는 적은 분자들에 의해 구형이 이루어졌을 경우는 소수성부분이 물에 노출되고, 많은 분자들에 의해 구형이 커졌을 경우 내부에 물이 존재하는 빈 공간이 생기는데 이는 열역학적으로 안정하지 못하기 때문이다.
그렇지만 인지질의 경우는 주로 bilayer로 이루어진 liposome을 형성한다. 이것은 closed, self-sealing solvent-filled vesicle로서 수백 옹스트롬의 크기를 가진다. 이것은 인위적인 세포막 구조로서 생체막을 연구하는데 유용하게 이용되어 왔으며, 약을 전달하는 수단으로 연구되고 있다.
이러한 자발성은 lipid가 가지는 amphiphatic character에서 비롯되는데, lipid들의 소수성 상호작용이 주요 원동력으로 hydrocarbon tail 사이의 Van der Waals attractive force가 존재한다. 극성인 머리부분과 물 사이에는 정전기적 힘과 수소결합이 존재한다.
B. Lipid mobility
Lipid bilayer 상에서 물질의 전달에는 두가지 유형이 있다. 하나는 transverse diffusion (횡단확산, flip-flop), 다른 하나는 lateral diffusion (측면확산)이다. 기본적으로 lipid bilayer에서는 측면확산 만이 가능하다. 따라서 lipid bilayer는 이차원 유체에 해당된다.
지질의 내부는 C-C 결합의 회전 때문에 항상 움직이는 상태로서 기름 (light machine oil)과 같은 점도를 가지고 있다고 한다 (내부의 탄소사슬이 보여주는 움직임은 그림 9-17에 묘사되어 있다. 그림이 질서정연한 구조를 이루고 있지 않음에 주목할 것. 서로 다른 크기의 사슬이 얽혀있는 모습임을 알 수 있다). 이러한 점도는 극성 표면에 가까워질수록 커진다. 왜냐하면 다른 극성인 분자들간의 상호작용이 커지고, 특히 질서 상태의 물분자와 접촉을 이루고 있기 때문이다.
유동성 (fluidity): 막의 유동성은 매우 중요하다. 이러한 유동성의 변화는 sol-gel 상태의 전이 (상전이, phase transition)로서 표현될 수 있다. 이러한 전이를 야기시키는 온도를 전이온도 (transition temperature)라 부른다. 막의 전이온도는 앞에서 배운 바와 같이 사슬의 길이와 불포화도에 의해 결정된다. 모든 생물은 자신의 서식 온도에서 막 유동성을 확보하기 위하여 지방산의 조성이 다르다. 세균의 경우 온도가 변화하면 지방산의 조성이 달라진다 (어떻게 변화할까? 신속한 방법 중의 하나로는 불포화도를 변화시키는 것이다).
Cholesterol은 막 유동성을 감소시킨다. 왜냐하면 지방산의 경우 C-C 결합의 회전 때문에 유동성을 가질 수 있으나 cholesterol은 견고한 모양을 유지하기 때문에 다른 지방산들의 움직임을 방해한다). 그렇지만 cholesterol은 지방산의 결정화를 방해함으로써 상전이의 온도범위를 넓히는 중요한 역할을 한다. 상전이온도 이하에서는 유동성 증대시키나 상전이온도 이상에서는 유동성을 감소시킨다. 따라서 생체막의 과도한 고체상이나 액체상을 가감시킨다. 또한 생체막에서는 단백질이 존재하기 때문에 이들이 막의 유동성을 제한하기도 한다.