생체막의 주요 성분 ‘막지질’, 지질 이중층 형성
인지질, 당지질, 스테롤 구분…콜레스테롤은 ‘유동성 유지’
1. 막지질(membrane lipid)
생체막(biological membranes)은 지질, 단백질 및 탄수화물의 비공유 결합에 의해 형성된 구조이다. 막의 두께는 유기체의 종류에 따라 다르며 대부분의 경우 6nm~10nm이다. 생체막에는 탄수화물과 단백질을 함유하고 있지만, 생체막의 주요 구조 성분은 막지질(membrane lipids)이라고 불리는 특별한 종류의 지질이다.
저장지질(중성지방, triglyceride)은 글리세롤(glycerol)이 가지고 있는 3개의 –OH(수산기)기에 지질이 에스테르화(esterification)되어 있어서 완전 비극성이고, 막지질은 C1과 C2의 수산기는 지방산으로 에스테르화되고, C3의 수산기는 극성 분자와 결합하여서 친수성과 소수성을 가진 양친매성(amphipathic)이다.
막지질의 양친매성은 지질 이중층을 형성할 수 있게 한다. 막지질의 꼬리 그룹(tail group)으로 불리는 소수성 부분은 지방산의 긴 탄화수소 사슬이 형성하고, 막지질의 머리 그룹(head group)에 해당하는 친수성부분은 –OH와 같이 간단하거나 탄수화물, 아미노산 또는 그 유도체와 같이 매우 복잡할 수 있다.
막지질은 크게 인지질(phospholipid), 당지질(glycolipid), 스테롤(strerol) 3가지로 구분이 된다.
2. 인지질(phospholipid)
인지질은 여러 종류의 분자들을 통칭하는 용어이다. 이 용어는 인산염(phosphate)구조를 기반으로 한 머리 그룹과 두 개의 소수성 꼬리 그룹을 가진 양친매성 지질들을 가리킨다. 지방산 성분은 소수성 장벽을 제공하고, 친수성 부분은 환경과의 상호 작용을 가능하게 한다.
인지질은 글리세로인지질(glycerophospholipid)과 스핑고인지질(sphingophospholipid) 2개의 하위그룹을 가지고 있다.
1) 글리세로인지질(glyerophospholipid 또는 phosphoglyceride)
글리세로인지질은 생체막의 주요 지질이며, 글리세롤-3-인산(glycerol-3-phosphate) 뼈대(back bone)를 가지고 있다. 머리 그룹에 해당하는 부분(C3)에는 인산디에스터(phosphodiester)결합을 가지고 있으며, 글리세롤의 2개의 -OH그룹(C1, C2)에는 지방산이 에스테르결합을 한다.
글리세로인지질은 ⓧ위치(그림2 참고)에 따라 다양한 형태를 보여준다. ⓧ위치에 아무것도 결합되지 않은 가장 단순한 형태인 phosphatidate(acid 형태는 phosphatidic acid)를 형성하는데, 세포막에는 소량만 존재한다. 그러나 이 분자는 다른 글리세로인지질을 생합성하는 주요 중간체이다. 주요 글리세로인지질은 ⓧ위치에 세린(serine), 에탄올아민(ethanolamine), 콜린(choline), 글리세롤(glycerol) 과 이노시톨(inositol)이 결합하고 있다.
① phosphatidic acid(ⓧ → -H, 이하PA)
PA는 지질의 생합성을 위한 전구체(세포내에서 매우 적음)이고, 물리적 성질은 생체막 곡률(membrane curvature)에 영향을 준다. PA는 신호지질로서 세포질 단백질이 세포막에 모이게 한다(예 sphingosine kinase). 세 가지 역할은 서로 상호작용을 가지고 있으며, PA는 막 곡률을 촉진시키고, 단백질을 모집함으로써 소포 형성에 관여 할 수 있다.
② phosphatidylethanolamine(ⓧ → ethanolamine, -CH2CH2NH3+, 이하PE)
PE는 인지질의 25%를 차지하고 있으며 모든 세포에서 발견된다. 특히 뇌의 백색질, 신경, 신경조직 및 척수 같은 신경조직에 많다. PE는 세포질분열(세포분열의 한 과정)동안 막 융합(membrane fusion)과 수축링(contractile ring)의 분해역할을 한다. PE는 막 곡률 조절에 영향을 주는 것으로 판단되고, 여러 가지 생물학적 경로에 중요한 전구체, 기질 공여자 역할을 한다.
③ phosphatidylcholine(ⓧ → choline, -CH2CH2N(CH3)3+, 이하PC)
PC는 종종 레시틴(lecithin)으로 불리기도 하는데, 레시틴은 인지질로 구성된 동식물 조직에서 발생하는 활갈빛의 지방 물질군을 두루 가리키는 용어이다.(phosphatidylcholine, phosphatidylenthanolamine, phosphatidylinositol 등) PC는 세포막의 주요성분이며, 폐 계면활성제(pulmonary surfactant)의 주성분이다. 보통 세포막의 바깥에서 발견되며, PC전달단백질(phosphatidylcholine transfer protein, PCTP)에 의해서 세포내막으로 이동하는 것으로 보인다.
④ phosphatidylserine(ⓧ → serine, -CH2CH(NH3+)COO-, 이하PS)
PS는 flippase 효소에 의해서 세포막 안쪽(세포질 방향)을 향하게 유지된다. 그러나 세포에 apoptosis가 일어날 때는 PS가 세포막 밖으로 이동하게 되고, 이것은 대식세포에 의해 세포를 삼키는 신호로 작용한다. PS는 혈액 응고에 중요한 역할을 한다.
⑤ phosphatidylglycerol(ⓧ → glycerol, -CH2CHOHCH2OH, 이하PG)
PG는 phosphatidylcholine과 더불어 폐 계면활성제에서 발견되는 인지질이다.
⑥ diphosphatidylglycerol(ⓧ → phosphaditylglycerol)
diphosphatidylglycerol은 cardiolipin(소의 심장에서 분리가 되어서 붙여진 이름)으로 불리고, 미토콘드리아 내막에 중요한 성분으로, 미토콘드리아 내막 총 지질의 20%를 차지한다. cardiolipin은 미토콘드리아 외막과 다른 생체막에는 존재하지 않는다.
미토콘드리아 내막에서 발견되는 cardiolipin은 에너지 대사에 관여하는 수많은 효소의 최적 기능에 필수적이다.
⑦ phosphatidylinositol (ⓧ → myo-inositol, 이하 PI)
PI의 흔한 지방산은 C1위치에 stearic acid, C2위치에 arachidonic acid이고, 세포막에서 세포질 쪽에 위치한다. PI의 인산화(phospholylation)형태를 phosphoinosites라고 하며 지질신호, 세포신호, 막 수송에 중요한 역할을 한다. phosphoinosites에는 phosphatidylinositol phosphate(PI-4-P, 비공식적으로는 PIP), phosphatidylinositol bisphosphate(PIP2) 그리고 phosphatidylinositol trisphosphate(PIP3) 등이 있다.
스핑고지질(sphingolipid)은 스핑고신(sphingosine, C18, amino alcohol을 가지고 있음)이라 불리는 긴 탄소사슬을 뼈대로 형성된 지질이다.
스핑고지질도 글리세로인지질과 마찬가지로 ⓧ위치에 무엇이 들어가는지에 따라 다른 형태를 보여준다. ⓧ위치에 phosphocholine이 결합하면 인지질이 되고, 당(sugar)이 결합하면 당지질이 된다.
2) 스핑고인지질(sphingophospholipid)
① sphingomyelin(ⓧ → phosphocholine 또는 phosphoethanolamine, 이하 SPH)
SPH는 동물 세포막에서 발견되는 스핑고지질의 일종으로, 특히 신경세포 축색돌기를 둘러싸고 있는 미엘린 외피(myelin sheath)에서 발견된다. SPH은 머리 부분에 phosphocholine, phosphoethanolamine을 함유하고 있어 글리세로인지질과 함께 인지질로 분류된다. SPH는 phospatidylcholine과 일반적인 성질 및 3차원 구조가 유사하며, 머리그룹에 순전하(net charge)는 없다.
SPH는 글리세롤에서 합성되지 않는 인지질 중의 하나로써 구조적으로 신호전달경로에 중요한 역할(SPH의 분해 및 합성은 신호전달에 중요한 2차 메신저-DAG, diacylglycerol-를 생성)을 한다.
3. 당지질(glycolipid)
당지질은 glycosidic bond에 의해서 탄수화물이 지질에 부착된 것으로 세포막의 외부 표면에서 발견된다. 당지질의 역할은 막의 안정성을 유지하고, 세포 인식을 위한 표시로 작용한다. 또, 특정 화학물질에 대하여 인식하는 역할을 하고, 막의 안정성을 유지하는 것을 도우며, 세포들을 서로 붙여서 조직을 형성한다.
당지질의 기본 구조는 지질 부분에 결합된 탄수화물이 단당 또는 올리고당이 결합하여 이루어진다. 지질 복합체의 가장 흔한 구조는 글리세롤 또는 스핑고신 뼈대로 구성되며, 당지질은 글리세로 당지질(glycero- glycolipid)과 스핑고당지질(sphingo- glycolipid)로 구분된다.
당지질과 인지질의 가장 큰 차이점은 인지질은 인산염(phosphate)를 가지고 있다는 것이고 당지질은 인산염 대신에 탄수화물과 결합을 한다는 것이다(저자 주: glyceroglycolipids에 대한 자료가 부족하여서 sphingoglycolipids에 대해서만 기술합니다).
1) 스핑고당지질(sphingo-glycolipid)
스핑고지질(sphingolipid)은 ‘그림 5’에 있는 구조에 ⓧ위치의 머리그룹에 결합하는 것에 따라 분류한다.
스핑고지질에 인산염이 결합하면 인지질(sphingomyelin)로 분류하고, 탄수화물이 결합하면 당지질로 분류한다. 스핑고당지질은 cerebroside, globoside, ganglioside로 분류한다.
① cerebroside
cerebroside는 ceramide에 단당이 결합한 당지질로서 glucose와 galactose를 포함한다. 갈락토스가 결합한 galactocerebroside는 신경조직에서 발견이 되고, 포도당이 결합한 glucocerebroside는 신경조직을 제외한 다른 조직에서 발견이 된다.
② globoside
globoside는 ceramide 측쇄에 하나 이상의 당을 가진 당지질이다. 탄수화물 잔기는 보통 N-acetyl- galactosamine, D-glucose, D-galactose의 조합으로 되어있다.
③ ganglioside
ganglioside는 당 사슬(sugar chain)에 하나 이상의 sialic acid가 연결된 스핑고당지질이다. ganglioside에 연결된 sialic acid는 globoside와 구별된다.
스핑고지질(sphingolipid)의 머리 그룹의 탄수화물은 인간 혈액 그룹을 정의한다. 올리고당의 머리 그룹은 D-glucose(Glc), D-galactose(Gal), N-acetyl-galacotosamine(GalNAc) 및 fucose(Fuc)로 구성된다. 올리고당 마지막에 추가된 N-acetyl-galacotosamine는 A항원/혈액형, 그리고 Galactose는 B항원/혈액형을 형성한다.
4. 스테롤(sterol)
스테롤은 진핵세포 막에 존재하고, 다른 식물이나 세균의 세포막에는 존재하지 않는다. 포유동물의 스테롤(sterol)은 주로 콜레스테롤과 그 유도체에서 비롯된다. 콜레스테롤은 동물 세포막의 주요 스테롤이다. 콜레스테롤은 막지질의 약 30~40%를 구성한다. 다른 막지질과 유사하게, 콜레스테롤 또한 양친매성으로 극성 수산기(hydroxyl, -OH)는 머리에 해당이 되고, 비극성 탄화수소는 꼬리에 해당된다.
하지만 콜레스테롤의 수산기는 긴사슬 지방산과 에스터결합을 하여서 콜레스테롤 에스터(cholesterol esters, 예 cholesteryl strearate)를 형성할 수 있고, 콜레스테롤은 보통 소수성으로 이루어져 있다. 따라서 콜레스테롤만으로는 세포막을 이룰 수는 없지만, 인지질 막 사이에 들어가 인지질의 유동성을 유지하고, 물리적 강도를 보강한다.
<참고문헌>
University of California Davis, Lipid Headgroup Types
Biochemistry 5th edition, Jeremy M Berg, John L Tymoczko, and Lubert Strye
Biochemistry of plasma membrane lipids ; properties, structure and classification
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