[생명과학] 세포막의 구조

 

세포막은 세포 내부가 세포 밖의 환경과 다른 항상성을 유지할 수 있도록 구획화하는 역할을 한다. 하지만 반투과막이기 때문에 막을 통과할 수 있는 물질들이 있어 활발한 물질 교환 또한 일어난다. 이러한 세포막을 처음 발견하게 된 실험들에 대해 알아보자.

 

1. 실험적 확인

 

(1) 유동 모자이크 모델

싱어와 니콜슨은 세포를 빠르게 얼린 후 충격을 가해 세포막이 불규칙하게 깨지도록 하는 동결 단절법을 사용해 세포막의 소수성 부분에도 단백질이 존재한다는 사실을 밝혔다. 세포막은 비대칭의 이중층 구조로 내재성 단백질은 막 사이에 끼어있고 표재성 단백질은 막의 표면에 결합해 있다. 그리고 지질과 단백질은 유동 상태라서 막을 이동할 수 있을 것이라는 사실은 이후에 밝혀지게 된다.

 

(2) 막 단백질의 유동성 확인

생쥐 세포의 막 단백질, 그리고 사람 세포의 막 단백질에 각각 서로 다른 형광 물질을 표지한 뒤 두 세포를 융합한다. 그리고 일정 시간이 지난 후에 두 형광 물질이 세포막에서 뒤섞인 것을 확인할 수 있다. 

 

(3) 인지질의 유동성 확인

 

1) FRAP (Fluorescence recovery after photobleaching)

세포막의 인지질에 형광을 표지하고 레이저로 특정 부위의 형광을 표백한다. 표백된 분자들은 시간이 지나면서 주변의 형광 표지된 분자들과 섞이게 된다. 그리고 표백했던 부위의 형광은 점점 다시 회복되는 모습을 보인다.

 

2) FLIP (Fluorescence loss in photobleaching)

세포막의 인지질에 형광을 표지하고 레이저로 특정 부위의 형광을 표백한다. 시간이 흐른 뒤에 다시 같은 곳의 형광을 표백한다. 이와 같은 과정을 계속 반복하면 표백하지 않은 나머지 부위들의 형광 또한 점점 흐려지는 것을 볼 수 있다.

 

3) iFRAP (Inverse fluorescence recovery after photobleaching)

세포막의 인지질에 형광을 표지하고 레이저로 특정 부위를 뺀 나머지 부위를 형광을 표백한다. 특정 부위의 분자들은 표백된 나머지 부분의 분자들과 섞이면서 형광이 점점 감소한다.

 

4) FLAP (Fluorescence localization after photobleaching)

서로 다른 두 가지의 형광 물질로 인지질을 표지 한다. 레이저로 특정 부위의 한 가지 형광 물질만 표백하면 점차 두 가지 형광 물질이 섞여 혼합된 모습이 나타난다.

 

(4) 막 단백질의 비대칭성 증명

적혈구에 방사성 표지된 EA(ethyl acetimidate)와 IEA(isoethionyl acetimidate)를 각각 따로 처리한다. EA는 세포막을 자유롭게 통과할 수 있지만 IEA는 통과하지 못한다는 특성이 있다. 적혈구를 파쇄하고 막 단백질만 얻어 전기영동 및 필름 감광을 수행한다. 그리고 감광된 밴드를 확인하면 EA를 처리한 적혈구는 안쪽의 단백질에도 EA가 붙어있음을 알 수 있다. 즉, 세포막의 바깥쪽과 안쪽에 다른 양의 EA가 나타나는  것을 통해 막 단백질이 비대칭이라는 점을 확인할 수 있다.

 

 

2. 세포막의  구성

 

(1) 지질

세포막의 지질 부분은 소수성 장벽을 형성하면서 세포 안쪽과 바깥쪽을 구획화한다. 이러한 장벽은 소수성이기 때문에 극성이 없는 분자들만  선택적으로 통과할 수 있다. 또한 전하를 띠는 이온들은 막을 통과할 수 없기 때문에 농도 기울기가 형성되면서 전위차가  발생한다.

 

1) 인지질

세포막의 안과 바깥쪽에 비대칭적으로 존재한다. 인지질은 제자리에서 회전하거나 수평 방향으로 이동하는 것은 가능하지만 수직 방향으로 이동하는 것은 거의 일어나지 않는다. 대표적인 인지질로는 포스파티딜에탄올아민, 포스파티딜콜린, 포스파티딜세린, 포스파티딜이노시톨 등이 있다.

 

2) 콜레스테롤

콜레스테롤은 세포막의 유동성을 유지하는 역할을 한다. 온도가 상승할 경우 막이 해리되는 것을 방지하고 온도가 하강할 경우 막이 응고되는 것을 막는다.

 

(2) 막  단백질

 

1) 표재성 단백질

표재성 단백질은 세포막의 표면에 정전기적으로 결합해 붙어있는 단백질을 말한다. 극성 용매, 염을 처리하거나 pH를 변화시킴으로써 막에서 분리할 수 있다.

 

2) 내재성 단백질

내재성 단백질은 지질층의 내부에 소수성 결합으로 박혀있는 단백질이다. 세포막을 관통하기 때문에 막관통 단백질이라고도 부르는데, 이는 물질을 세포막 안팎으로 수송하거나 신호를 전달할 때 중요한 역할을 한다. 내재성 단백질은 계면 활성제를 처리하면 소수성 결합이 파괴되면서 막에서 분리할 수 있다.

 

3) 고정성 단백질

고정성 단백질은 단백질에 공유 결합되어있는 지질을 이용하여 막에 박혀있다. 지질의 구조로는 미리스토일화(Myristoylation), 팔미토일화(Palmitoylation), 파네실화(Farnesylation), 제라닐제라닐화(Geranylgeranylation), GPI(Glycosylphosphatidyl inositol) 고정 등이 있다.

 

*막 단백질의 위상

막 단백질은 소포체와 골지체를 거치면서 당이 첨가되는 반응이 일어난다. 분비 소낭이 세포막과 융합될 경우 소낭의 안쪽에 해당하는 부위가 세포의 바깥쪽으로 향하게 되기 때문에 소포체와 골지체에서 첨가된 당은 세포막의 바깥쪽에서 관찰된다.

 

*소수성 지표

아미노산의 R기를 소수성 용매에서 물로 옮길 때 발생하는 자유에너지의 변화를 측정하면 아미노산의 소수성 정도를 파악할 수 있다. 이를 통해 폴리펩티드 서열 내에서 막을 관통하는 소수성 아미노산 구간과 막을 관통하는 횟수 등을 알 수 있다.