10. 세포막

10. 세포막

 

  지질은 막을 물리적으로 온전하게 만들고, 물과 이온 같은 친수성 물질이 빠르게 통과하는 것을 막는 장벽을 형성한다. 이러한 생체막에 대한 일반적인 구조는 유동 모자이크 모형으로 알려져 있다. 유동 모자이크 모형은 단백질은 소수성 부위를 통해 인지질 2 중층 안에 박히거나, 막 속에 삽입된 지질에 결합하여 있다. 단백질은 막을 관통하거나 표면에 결합해 있다. 단백질의 친수성 영역은 2 중층의 양쪽에 있는 수용성 환경에 노출되어 있다. 막단백질은 막을 통한 물질의 이동과 세포의 외부 환경으로부터 화학신호의 수용을 비롯해 수많은 기능을 갖고 있다. 막은 세포나 세포 소기관의 전문화된 기능에 적합한 단백질 조합을 가지고 있다. 막에 결합한 탄수화물은 지질이나 단백질 분자에 부착되어 외부 환경의 물질과 상호작용한다. 일부 막단백질처럼 탄수화물도 인접한 세포의 표면에 있는 특이적 단백질을 인식하는 데 필수적이다.

 

  생체막에 있는 지질은 보통 인지질로 이루어진다. 인지질에서 인산 작용기를 포함하는 ‘머리’ 부분은 친수성 부위로 전하를 띠고 있어 극성 물 분자와 결합한다. 인지질의 기다란 비극성 지방산 ‘꼬리’ 부분은 소수성 부위는 다른 비극성 물질과 결합하지만 물에 녹지 않으며 친수성 물질과 결합하지 않는다. 이러한 특성을 통해 물에서 인지질은 꼬리가 상호 작용하며, 머리가 바깥쪽 수용성 환경을 접하는 2 중층을 형성한다. 모든 생체막은 비슷한 구조를 가지고 있지만 구성하고 있는 단백질과 지질의 종류에서 서로 다르다. 서로 다른 세포나 세포 소기관의 막은 지질 조성에서 크게 다름을 나타낸다. 인지질은 지방산의 길이, 지방산의 포화도 및 극성 작용기의 종류에 따라 다르다. 포화한 사슬은 2 중층에서 지방산이 빽빽하게 채워지도록 하지만, 불포화 지방산에 있는 ‘비틀림’은 지방산이 덜 촘촘하고 유동적으로 채워지도록 한다. 콜레스테롤과 긴 사슬로 구성된 포화 지방산은 서로 나란히 조밀하게 채워진다. 이렇게 조밀하게 채워지면 막의 유동성이 감소하는 반면, 짧은 사슬로 구성된 지방산, 불포화 지방산, 적은 양의 콜레스테롤을 가진 막은 더 유동적이다. 분자는 낮은 온도에서 느리게 움직여 유동성이 감소하여 추운 환경에서 따뜻한 체온을 유지할 수 없는 생물은 막에서 일어나는 세포 과정이 저하되거나 멈추게 된다. 이를 해결하기 위해 일부 생물은 추워지면 포화 지방산을 불포화 지방산으로 바꾸고 더 짧은 꼬리를 가진 지방산을 이용하는 방식으로 막의 조성을 바꾼다. 이러한 변화를 통해 겨울 동안 식물, 세균 더 나아가 동물까지 생존할 수 있도록 했다.

 

  모든 생체막은 단백질을 포함하고 있다. 막 단백질은 매우 다양하다. 실제 진핵생물 유전체에서 단백질을 암호화하는 유전자의 1/4은 막단백질을 암호화하고 있다. 내재성 단백질과 외재성 단백질이라는 두 가지 일반적인 종류의 막단백질이 있다. 내재성 막단백질은 적어도 인지질 2 중층에 부분적으로 박혀 있다. 인지질처럼 이 단백질도 친수성과 소수성 영역을 모두 가지고 있다. 친수성 곁사슬을 가진 일련의 아미노산들이 단백질의 특정 부위에 극성 성질을 부여한다. 이 극성 영역은 물과 상호작용하여 세포의 안이나 밖의 수용성 환경을 향한다. 소수성 곁사슬을 가진 일련의 아미노산들이 단백질의 특정 부위에 비극성 성질을 부여한다. 이들 영역은 물과 떨어져 있는 인지질 내부의 지방산과 상호작용한다. 어떤 단백질은 막 속으로 삽입되는 지방산 사슬과 같이 공유결합으로 연결된 지질을 포함하고 있다. 외재성 막단백질은 겉으로 드러난 소수성 작용기가 없고 2 중층에 박혀 있지 않다. 대신 이들은 내재성 막단백질의 노출된 부위 또는 인지질 분자의 극성 머리 부위와 상호작용하는 극성 또는 전하를 띤 부위를 가진다. 일반적으로 막단백질과 지질은 비공유 결합성 상호작용만 한다. 단백질의 극성 말단은 지질의 극성 말단과 상호작용하고, 두 분자의 비극성 부위는 소수성 상호작용한다. 그러나 어떤 막단백질은 공유결합으로 부착된 소수성 지질을 가지고 있어 인지질 2 중층과 결합할 수 있다. 단백질은 막의 안팎 표면에 비대칭적으로 분포한다. 인지질 2 중층을 관통해 막의 안팎 양쪽에 돌출된 내재성 막단백질을 막관통단백질이라고 한다. 이런 단백질은 막 관통영역과 함께 막의 안쪽과 바깥쪽 면에 또 다른 기능을 가진 영역들을 가진다. 반면 외재성 막단백질은 막의 한쪽 면에서만 위치한다. 이러한 막단백질의 비대칭적 배열은 막의 양쪽 표면이 서로 다른 성질을 갖도록 한다.

 

  세포막은 부착과 인식에 중요하다. 세포 인식을 통해 특정 종류에 속하는 한 세포가 같은 종류에 속하는 또 다른 세포를 특이하게 인식하여 결합한다. 그다음 세포부착을 통해 이 두 세포 사이의 연결이 강화된다. 이러한 세포 인식과 부착은 다세포성 생물의 조직 형성과 유지에 필수적이다. 이 현상은 세포막에 잇는 단백질에 의존한다. 세포부착은 당지질, 당단백질이나 프로테오글리칸 등의 일부를 구성하는 탄수화물 사이의 상호작용 결과가 나타날 수 있다. 다른 경우는 한 세포의 탄수화물이 다른 세포의 막단백질과 상호작용하거나 두 단백질이 직접 상호작용할 수 있다. 단백질의 고유한 모양과 표면에 노출된 고유한 화학 작용기를 통해 단백질은 다른 특정한 분자들과 결합할 수 있다. 이를 통해 세포부착은 모든 종류의 다세포성 생물에서 일어난다. 세포막은 세포외기질에 부착한다. 동물세포의 세포외기질은 프로테오글리칸의 점착성 기질과 그 안에 있는 섬유성 콜라젠 단백질로 구성되어 있어 세포가 세포외기질에 부착하는 것은 온전한 조직을 유지하는 데 중요하다. 이 밖에도 일부 세포는 이웃한 세포와 떨어진 후 이동하여 다른 세포에 부착할 수 있다. 인테그린이라는 막관통단백질이 흔히 상피세포가 세포기질에 부착하는 것을 매개한다.  인테그린은 세포 밖의 세포외기질에 있는 단백질과 결합하고 세포 안에서는 세포골격인 미세섬유와 결합하고 있다. 인테그린은 부착 외에도 세포골격과의 상호작용을 통해 세포 구조를 유지하는 역할을 맡는다.

 

세포막