제10장. 생체막
생체막 (biological membrane)은 cell membrane, cytoplasmic membrane 또는 plasma membrane으로 불린다. 진핵생물의 경우 세포내소기관을 형성하는 organelle membrane도 존재한다.
생체막의 존재는 외부와의 공간적 분할 (compartmentation)에 의한 기능적인 분화 (functional specialization)를 가능케 한다. 즉, 고도의 선택적 투과성을 가진 경계면으로서의 역할을 수행하여 세포내의 독자적인 화학반응이나 세포간 정보의 흐름을 조절한다.
1. 막단백질
생체막은 지질이중층과 단백질로 이루어져 있다 (약간의 탄수화물도 존재한다. 이는 당백질이나 당지질들로부터 나온 것이다). 즉, 단순한 이중지질층(lipid bilayer)이 아니라 단백질과 결합을 이루고 있다. 지방과 단백질의 조성은 생체막의 종류에 따라 다르다 (미토콘드리아의 내막과 같은 경우는 매우 높으며, 진핵생물의 경우 대략 50%의 비율로 존재한다). 그리고 생체막마다 다른 단백질들을 함유한다. 생체막 지질은 단백질 활성에 필요한 적절한 환경을 조성하는 것으로 보인다. 따라서 보다 활성인 세포는 보다 높은 단백질 함량을 가진다.
막단백질은 일반적으로 peripheral (외재)과 integral (내재) 단백질로 구분되지만 이 교과서에서는 lipid-linked protein을 추가하였다.
막단백질은 다양한 기능을 가진다: transport, receptor, enzyme
A. 내재성 막단백질
이 단백질들은 소수성 상호작용으로 막과 단단히 결합되어 있다. 따라서 막을 유기용매나 detergent로 처리해야만이 단백질이 분리된다.
내재성 막단백질은 양친매성이다. 막 내부에 존재하는 부분은 소수성이며, 막 외부로 노출되는 부분은 친수성이다. 어떤 단백질은 막을 완전히 관통하여 세포질과 세포외부에 노출된 부분을 가진다. 이러한 단백질은 막관통 단백질 (transmembrane protein)이라 불린다. 이러한 단백질에서 막을 관통하는 부위 (transmembrane domain)는 하나 또는 여러 개의 알파나선으로 이루어져 있다 (Glycophorin A, bacteriorhodopsin, photosynthetic reaction center에 대한 그림 10-2, 10-3, 10-4, 10-5를 참조하라). 그렇지만 porin과 같은 수송단백질은 베타원통으로 구성되어 있으며, 원통의 내부는 친수성의 잔기들로 구성되어 있다.
내재성 막단백질은 막에 비대칭적으로 위치해있다. 모든 단백질은 막을 중심으로 비대칭적인 구조를 가진다.
B. Lipid-linked proteins
막에 공유결합을 이루고 있는 단백질들로 3가지 유형이 있다: prenylated proteins, fatty acylated proteins, glycosylphosphatidylinositol-linked protiens. 어떤 단백질은 하나 이상의 공유결합을 가지기도 한다.
prenylated proteins: isoprene units인 farnesyl (C15)이나 geranylgeranyl (C20) 잔기가 단백질의 C-terminal 아미노산 잔기에 결합되어 있다. 이 단백질들은 보통 C-말단에 C-X-X-Y 서열이 존재하며, Y가 Als, Met, Ser이면 farnesyl 기, Y가 Leu이면 geranylgeranyl 기가 결합된다. 이 isoprene unit들은 Cys 잔기에 결합되면서 X-X-Y 잔기들은 잘려 나간다. 따라서 Cys가 C-말단 잔기가 되며 이 때 말단의 카르복시기는 methyl와 결합한다.
fattyacylated proteins: myristic acid (C14)와 palmitic acid (C16)들이 막단백질과 결합한다. Myristic acid가 결합되는 myristoylation은 단백질의 N-말단에 위치한 Gly 잔기의 α-amino 기에 amide 결합을 이룬다. 이 결합은 계속 유지되며, 다수의 생체막에서 발견된다. 반면 palmitoylation은 palmitic acid가 단백질의 Cys 잔기에 에스테르 결합을 이룬다. 이 결합은 거의 대부분 원형질막의 세포질 쪽에 나타나며, 결합과 절단이 가역적으로 일어나면서 막관통 신호전달에 관여하고 있다.
Glycosylphosphatidylinositol-linked proteins (GPI-linked proteins): 모든 진핵생물에서 발견되지만 특히 막관통 단백질이 거의 존재하지 않는 몇가지 기생원생생물에서 흔하다. 당단백질과 당지질처럼 이들은 세포막의 바깥쪽에 위치해 있다.
C. 외재성 막단백질 (peripheral membrane proteins)
이 막단백질들은 이 단백질들은 친수성으로 막의 표면에 정전기적 상호작용이나 수소결합으로 존재하는 것들로서 높은 염농도나 pH 변화와 같은 조건으로 막을 파괴시키지 않고도 분리된다.
2. 생체막 구조와 조립
A. The fluid mosaic model
1972년 S. Jonathan Singer와 Garth Nicolson에 의해 제안된 생체막 구조에 대한 모델로서, 이 모델의 요점은 내재성 막단백질들은 다른 세포성분과 결합되어 있지 않은 한 측면확산에 의해 움직일 수 있다는 것이다. 이 모델은 Michael Edidin의 초기 실험결과를 잘 설명해준다 (그림 10-11 참조).
단백질의 측면확산 속도: 형광물질을 고정된 세포나 인공막의 막성분에 결합시킨 후 레이져 광선을 국부적으로 쪼여 형광물질을 파괴한 후 이 부위가 다시 형광을 나타내는데 걸리는 시간을 측정하였다 (그림 10-12). 이 측정에 의하면 막단백질들마다 다른 측면확산 속도를 보여주었다: 30∼90%의 단백질들은 자유롭게 움직이는 것을 보여주었다. 그 속도는 지질과 비슷하거나 10배 정도 느린 속도를 보여 20 μm의 길이를 가진 진핵세포를 한 시간 내에 횡단한다. 어떤 단백질은 보다 느리고, 또 어떤 것은 거의 움직이지 않았다.
B. 적혈구 세포막
적혈구 세포막은 비교적 간단하고 쉽게 얻을 수 있어서 생체막의 연구에 많이 이용되어 왔다. 다 자란 적혈구 세포는 세포내소기관이 없고 대사활동이 거의 없기 때문에 단순히 헤모글로빈의 주머니라고 표현할 수 있다. 적혈구의 세포막을 삼투압으로 분해시키면 세포질이 빠져나간 후 내용물이 없는 상태에서 막이 메워져 원래의 모양을 되찾는다. 이것을 erythrocyte ghost라 부른다.
적혈구 세포막에는 여러 가지 단백질이 존재한다 (그림 10-13).
적혈구 세포막의 모양을 유지하는데 필요한 단백질이 존재한다. 정상적인 적혈구는 원반형으로 가운데가 움푹한 모양이다. 그렇지만 그 가장자리와 들어간 부분은 고정되어 있지 않다. 트랙터 바퀴와 같이 막은 세포를 감싸고 구른다. 이러한 막의 움직임은 그 내부에 존재하는 단백질 그물망이 골격 (skeleton)을 이루기 때문이다. 이러한 골격은 적혈구에 매우 중요한 특성을 부여한다. 적혈구 세포가 자기보다 적은 지름의 혈관을 비집고 다니기 위해서는 적혈구 세포막은 골격을 가진 상태로 유체와 같이 쉽게 모양을 변형시킬 수 있어야만 하는 것이다.
골격을 이루는 단백질들: spectrin은 골격을 이루는 단백질 중 75% 정도를 차지하는 것으로 (αβ)2 tetramer로서 서로 연결되어 그물망을 형성한다. 이외에도 actin, tropomyosin, amkyrin 등이 spectrin을 연결시키는데 관여하고 있음을 그림 10-15에서 잘 살펴볼 수 있다.
Gates and fences model: 막 구성성분들은 불균일하게 분포되어 있다. 그 이유는 골격단백질들이 막 단백질과 직접적으로 결합하거나 움직임을 제한함으로써 불균일하게 분포하게되며, 지질성분 또한 단백질과의 특이적인 상호작용 때문에 불균일하게 분포한다는 것이다.
C. Lipid asymmetry
asymmetry: inner layer와 outer layer 간의 구조적 비대칭 상태를 의미
막성분들은 방향성을 가지고 있어 이중층의 양면은 성분이나 기능이 동일하지 않다.
단백질과 극성지질들의 차이 (비대칭 구조의 방향성 의미)
outer layer에는 보다 큰 분자들이 위치 (no flip-flop과 관계)
탄수화물 단위체들은 주로 외막에 위치
이러한 비대칭성은 어떻게 생기는가?
진핵세포에서 막지질의 합성은 ER에 존재하는 막단백질들에 의해 이루어진다. 이렇게 합성된 막지질은 주머니 형태로 ER로부터 떨어져나와 세포막과 융합한다. 이때 막단백질들도 함께 전달된다. 원핵세포에서는 세포막에 존재하는 효소에 의해 세포막에서 합성이 이루어진다.
세포막에는 지질의 이동에 관여하는 두가지 효소가 있다. 하나는 ATP-dependent phospholipid translocase이고, 다른 하나는 flipase이다. 전자는 농도에 거슬러 인지질을 다른 층으로 보내는 기능을 가지며, 후자는 그 반대의 역할을 한다.
D. 분비경로 (The secretory pathway): 비교적 최근에 알려진 내용들이 기술되어 있어 자세히 번역하였습니다.
막단백질의 합성: 두가지 유형의 ribosome (free ribosome, membrane-bound ribosome)이 존재한다. free ribosome은 주로 수용성단백질이나 미토콘드리아 단백질을 합성하는 반면, ER에 붙어 있는 membrane-bound ribosome은 막단백질과 분비단백질, ER 내에서 작용하는 단백질, lysosome에 존재하는 단백질들을 합성한다.
Signal hypothesis: membrane-bound ribosome에서 합성되는 단백질들은 N-말단에 13∼36개 잔기로 이루어진 signal peptide를 가진다 (이 상태의 단백질을 preprotein이라 부른다). 이 signal peptide에는 7∼13개의 소수성 잔기들과 그 좌우로 친수성 잔기들이 존재한다. Signal peptide를 포함한 N-말단 잔기들이 합성되면 SRP (signal recognition particle; 단백질과 RNA complex)이 결합하여 RER 표면에 있는 SRP 수용체와 결합한다. 단백질 합성은 계속 진행되어 N-말단 잔기들이 transmembrane channel을 통해 ER 내로 들어간다. SRP와 SRP 수용체가 떨어지고 이때 GTP의 가수분해가 일어난다. 안으로 들어간 N-말단 부분에서 signal peptide가 막에 결합된 signal peptidase에 의해 절단된다. 단백질 사슬은 계속 합성되면서 단백질 접힘 (folding)이 일어난다. 이 과정은 chaperone 단백질 Hsp70의 도움으로 촉진된다. 또한 당이 결합되거나 이황화결합의 형성도 진행된다. 합성이 완료되면 ribosome은 떨어져나가고 단백질은 완전히 ER 내로 들어온다. 그렇지만 막관통 단백질의 경우는 약 20개의 잔기들로 이루어진 소수성의 membrane anchor 또는 stop-tranfer 서열이 존재하기 때문에 C-말단은 세포질에 노출되고 막에 결합된 상태로 남아있는다. 이러한 signal hypothesis는 세균에도 적용된다. 하지만 모든 막관통 단백질의 경우에 적용되지는 않는다.
단백질들의 이동: RER에서 합성된 후 부분적으로 처리된 막관통, 분비, lysosomal 단백질들은 골지체에 나타난다. 단백질들은 막에 결합된 상태나 free한 상태로 한 골지체 구획으로부터 다른 곳으로 옮겨가며 추가적인 post-translational 변형 (주로 당의 결합)이 일어난다. 마지막 골지체에서 완성된 단백질은 분류되어 최종 장소로 이동된다. 골지체로부터 최종 장소로 옮겨지는데 사용되는 도구는 coated vesicle이다. 이 막주머니는 세포질에 면한 바깥면이 다면체 구조를 가진 clathrin이라는 단백질로 둘러싸여 있다. 이 단백질은 원래의 막으로부터 막이 돌출되어 나오는 것을 도와주는 유연한 골격으로 작용한다. 그러나 ER과 골지체 사이의 이동하게 하는 주머니들은 clathrin이 없는 대신에 COPI 또는 COPII (COP means coat protein)으로 둘러싸여 있다. 이 COP들로 둘러싸인 주머니는 전자현미경에서 clathrin으로 둘러싸인 주머니와는 다른 보풀이 있는 모양을 보여준다 (그림 10-23과 10-24 참조).
막관통 단백질의 배향: 모든 경우에 주머니의 발아와 다른 막과의 융합은 막관통단백질의 배향을 유지케 한다. 따라서 ER과 골지체의 복강은 위상적으로 세포 외부와 동일하다 (그림 10-22에서 녹색으로 표시된 당의 방향을 자세히 살펴보아라). 이것은 막관통 단백질의 탄수화물 부분들이 원형질막의 외부에만 나타나는 이유를 설명해준다.
단백질의 구별: ER에 있는 단백질들은 어떻게 구별되어 골지체로 그리고 다시 각각이 도달해야할 막으로 이동되는가? 이러한 과정에 대한 한가지 해답이 인체질환인 I-cell 질환에서 얻어졌다. 이 질환은 열성동형인 경우 점차적인 정신운동의 퇴화와 골격의 변형으로 어린 나이에 사망한다. 이 환자의 연결조직 내 lysosome에는 여러 가지 가수분해효소들의 결핍으로 glycosaminoglycan들과 glycolipid들이 존재한다. 이 효소들은 ER에서 제대로 합성되지만 lysosome으로 운반되지 못하고 세포 밖으로 방출된다. 이러한 잘못된 운송의 문제는 이들 가수분해효소들에 결합된 탄수화물에 mannose-6-phosphate 인식표지가 없기 때문이다. 그것은 mannose 인산화에 필요한 효소가 결핍되어있기 때문이다. Mannose-6-phosphate 잔기들은 lysosome의 가수분해효소들을 골지체로부터 lysosome으로 전달하는 coated vesicle의 수용체와 결합된다.
포유동물에서 대부분의 수용성 ER-상주 단백질들은 C-말단에 K-D-E-L 잔기를 가지고 있다. 이 서열을 바꾸면 단백질은 분비된다. KDEL 단백질들은 분비단백질이나 lysosome 단백질들처럼 막주머니를 통해 ER을 떠나지만 바로 회수되어 ER로 되돌려진다.