지질구조, 대사 및 세포막의 기능

지질구조, 대사 및 세포막의 기능

생명과학의 기초 생화학

Chapter 8

8장의 개요

8.1 지질의 화학구조와 기능 8.2 지질대사

8.3 세포막과 운송

8.1 지질의 화학구조와 기능

지질의 분류 및 화학구조

지질 (1) 아실글리세롤

(2) 왁스 (3) 인지질

(4) 스핑고지질 (5) 당지질

(6) 터핀계 지질  카로테노이드, 스테로이드

1. 지방산

- 직선의 포화탄화수소

 사슬 4~30개 짝수의 탄소원자 - 1~6개의 이중결합

반응성

- 대부분이 에스터, 트라이아실글리세롤, 인지질 상태로 발견 - 지방산의 에스터결합

 산성가수분해는 가역적, 염기성 가수분해는 비가역적 - 강한 염기  에스터결합 가수분해에 사용,

지방산의 p

K

- 1~8 탄소원자를 갖는 지방산은 액체, 8개 이상은 고체 - 스테아르산은 녹는 온도가 70^oC

올레인산(한 개의 이중결합)은 13^oC

- 동물이나 식물세포의 막:

풍부한 다중불포화지방산

- 박테리아: 다중불포화지반산을 포함하지 않음 - 다중불포화지방산  시스-벡시닉산

- 비공액성 이중결합  다중불포화 - 리놀레인산: 펜타다이엔 구조

- 비공액성 1,4-펜타다이엔  반응성

 이중결합의 양편 측면에 메틸렌그룹

- 공액이중결합  π 전자의 비편재 때문에 더욱 높은 반응성  광범위한 중합반응

- 응용: 도료산업  중합반응

- 레티놀과 카로틴  생체분자에서 중요한 공액체 - 레티나  시력감응

지질의 명명법 - 팔미트산



- 올레인산



^Δ

- 아라키돈산



^Δ

- 트렌스



^Δ

- 글리세롤:

1,3 탄소  지방산에스터, 탄소 2  비대칭탄소 - L-3-글리셀인산 = D-3-글리셀인산

- 같은 1차알콜그룹에 1,3 상호교환 되도록 사용 못 함

- I : (sn)글리세롤-3-인산 - II : (sn)글리세롤-1-인산

- 두 화합물의 혼합체  rac-글리세롤인산

2. 아실글리세롤

- 가장 널리 존재하는 글리세롤

트라이아실글리세롤 = 트라이글리세라이드

- 대부분의 식물의 트라이아실글리세롤

 올레인산, 리놀레인산, 리놀레닌산

 불포화지방산 포함

- 동물의 트라이아실글리세롤

 포화지방산인 팔미트산, 스테아르산

3. 왁스

- 긴 사슬의 알케인 사슬, 탄소 C₂₅~C₃₅ 범위의 홀수의 탄소원자

- 이차 알콜, 케톤, 긴 사슬의 지방산 에스터, 긴 사슬의 모노하이드록시 알코올로 구성

- 물에 녹지 않고, 이중 결합 없음  반응성 없음 - 과일, 잎사귀(수분보호), 보호막(마모)

- 곤충, 새 또는 양의 물에 대한 보호막  꿀벌 배설 - 바다 기름오염: 계면활성제 사용

 바닷새의 깃털 왁스층 제거  부력 유지 어려움

4. 인지질

- 인 + 글리세롤 + 지방산 + 질소염기 - 포스파티드산 유도체

- 박테리아, 식물, 동물 조직

- 세포막 성분: 포스파티딜에탄올아민, 콜린 또는 세린

- 4-스핑고신: 팔미틸CoA, 세린

- 환원된 형태: 다이하이드로스핑고신

- 유도체: 세레브로사이드(신경조직, 세포의 원형질막) - 스핑고메이얼린: 인산콜린, 인산에탄올아민,

신경세포 또는 원형질막

5. 스핑고지질

6. 당지질

- 인산이 없는 당지질

 엽록소에서 발견되는

갈락토지질, 황지질

- 아이소프레노이드 축합반응으로 얻어짐

 고무, 카로테노이드, 스테로이드 - 아이소펜테닐이인산  메발론산

 스퀄렌  콜레스테롤

- β-카로틴  장의 점액세포에서 절단

 레티놀

7. 터피노이드와 콜레스테롤

지질의 기능

1. 소개

(1) 동물, 곤충, 새 및 씨앗의 에너지원

(2) 효소활성제로 마이크로솜효소, G-6-인산가수분해효소, ω-모노옥시지네이스, β-하이드록시뷰틸탈수소효소

등의 활성을 위하여 포스파티딜콜린의 미셀 필요 (3) 마이토콘드리아에서 전자전달체계의 성분

(4) 기질로 α-아실-β-올레오일포스파디딜콜린은 특수하게 S-아데노실메싸이오닌의 CH₃그룹의 수용체로 기능

(5) 아이소프레노이드화합물인 언데카프레닐인은 박테리아의 세포막, 리포폴리당과

펩티도글라이칸의 지질선호성 글라이코실 부분의 운반체로 기능

(6) 세린으로부터 아미노에탄올의 간접적인

탈카복실화과정에서 기질로, 포스파티딜세린이 특수한 탈카복시화효소에 의해서 탈카복실화되어 포스파디딜에타놀아민이 됨

2. 지질단백질

- 혈장에 의해 운송되지 못하나 저밀도지질단백질 또는 자유지방산알부민복합체인

유미입자(chylomicron)에 의해 운송

- 지질단백질은 세포막의 성분으로도 나타남

- 단백질 성분  지질과 결합하도록 높은 비율의 비극성 아미노그룹  비공유성 비이온성 결합 - 지질과 단백질의 소수성 결합의 예:

11-cis레티놀과 옵신의 결합

- 라멜라 지질단백질체계: 신경의 축삭돌기, 광흡수구조, 엽록소, 박테리아 세포막

3. 지질의 상대적인 분포

- 원핵세포:

95% 이상 세포막에 포함, 스테롤 전혀 없음, 다중불포화지방산이 없다, 사이클로프로펜, 가지사슬의 지방산

- 진핵세포(식물): 씨앗  트라이아실글리세의 형태로 발견  지방산과 복합체의 지질을 가짐

 모노갈락토실다이아실글리세롤,

다이갈락토실다이아실글리세롤 등과 회합

- 진핵세포(동물): 신경세포에는 스핑고지질 풍부, 글리셀에 및 인지질과 함께 플라스말로젠 풍부, 다중불포화산 반드시 필요

- 아라키돈산 유도체

· 프로스타사이클린

· 트롬복세인

· 류코트라이엔

· 프로스타글렌딘

 근육이완 자극제, 혈압강하제

지질의 두겹층

- 긴 탄화수소의 말단이 소수성이고, 반대로 다른 끝이 카보닐그룹인 친수성인 양성물질

 세포막 구성

- 라멜라상  친수성분이 물과 접촉 - 세포막: 이온이나 분자들의 통로,

홀몬이나 신호물질의 영향을 내부에 전달 - 당인산지방질, 스핑고지질  미셀을 만듦

- 라이포솜: 생체막 모형, 약물 전달체

생체막의 유동성

- 탄소길이와 포화도 증가

 두겹층의 전이온도 증가

- 생체막의 전이온도 10 ~ 40^oC

- 온도의 유동성 유지  막지질의 지방성분의 변화

8.2 지질대사

지방의 흡수 및 수송

- 식물과 동물에서  트라이아실글리세롤로 저장 - 탄수화물 열량 4.1 kcal/g, 지질 9.1 kcal/g

- 원형질막, 소포체, 세포구성기관의 구획화 - 지질의 흡수:

소장의 내강  파괴(담즙산, 효소)

공액성 담즙산은 지질에 녹는 스테로이드나 타우린 또는 글리신부분으로 구성된 계면활성제

- 미셀은 지방에 녹는 비타민, 콜레스테롤 흡수 운반체로 기능

- 지질의 행선지

 간, 혈액, 지방조직  혈액이 운송체계

1. 지질의 수송과 유미입자

- 합성된 트라이아실글리세롤, 섭취된 콜레스테롤, 새로 합성된 인지질들, 특수단백질

- 상피세포의 소포체에 집합

 에멀존화 되어 유미입자에 배출

- 반경 200nm, 80~90% 트라이아실글리세롤, 6-10% 인지질, 2-3% 콜레스테롤,

0.2-0.5% 단백질

- 장의 유선에서 림프계를 통과

 왼쪽 동맥으로 배출

유미입자의 형성

- 유미입자  지방조직으로 옮겨감

- 공복 시  유미입자  골격근육, 심장근육 - 트라이아실글리세롤 파괴  자유지방산

- 소장 내강에서 흡수된 지방산

 소장 내막에서 트라이글리셀합성

 유미입자형성  지방조직으로 운반

2. 지방조직

- 격렬한 운동, 빠른 감응의 스트레스 조건

 동물의 혈액  아드레날린 - 지방세포의 수용체에 부착

- 지방산의 가수분해효소의 활성화 - 트라이아실글리세롤 분해

- 혈액을 통하여  혈청알부민과 결합

 안정한 FFA-알부민 복합체

혈청알부민 - 혈장단백질의 50% 차지

- 분자량 69,000D

- 혈액에서 삼투압조절

- 지방산이 한 번 혈청알부민에 부착되면 얻어진 FFA-알부민복합체는 용해도가 매우 높고,

비독성이 되며, 쉽게 간으로 운반되어 지방산의 활용이 가능하게 됨

- 간으로 운반

지방산의 산화과정

1. 막횡단 수송

- 간: β-산화과정은 중요한 대사경로

 관련효소들은 간의 내부막, 마이토콘드리아에 위치 - 지방산의 붕괴되어 아세틸 CoA가 생성될 때 TCA회로의

효소들에 의해 산화되어 CO₂와 H₂O가 얻어짐 - 카니틴

 아실카니틴 형태로 간의 내부막과 다른 조직의 마이토콘드리아 침투가능

- 간질에서 아실CoA로 변환

- 마이토콘드리아 바깥쪽 아실CoA

카니틴아실CoA이동효소 내부로 이동

2. 지방산의 활성화

- 연속적으로 2탄소씩 제거 - 지방산의 활성화효소

 아실CoA 합성효소 관여

- 중간체 아실아데닐산 경유

 싸이오에스터 생성

3.

β

- 아실CoA탈수소효소  FAD

- 에노일 CoA수화효소  이중결합 수화로 3-L-하이드록시아실CoA를 만듦

- β-하이드록시아실CoA의 산화과정에는

L-(+)β-하이드록시아실CoA탈수소효소 관여

 NAD⁺

- 싸이올가수분해효소: 싸이올성 절단에 의한 C_α-C_β결합의 분해

- 식물의 씨앗: β-산화체계는 글라이옥시솜이라 부르는 마이크로체에서만 특유하게 존재

4.

β

- 한 분자의 ATP소요

- 팔미트산  1개의 ATP + 8개의 아세틸CoA - 7몰의 FADH₂, NADH

- FADH₂: 한 쌍의 전자를 호흡사슬의 전자전달 플라보단백질에 전달, 전자쌍 O₂에  1.5ATP - NADH  2.5ATP

- 2 탄소제거  4ATP 분자생성

5. 불포화지방산의 산화

- 두 개의 새로운 효소:

1. 시스-

Δ

- 팔미토레오일  이중결합 한 개를 가짐 - β–산화 3회 후

- 시스

Δ

 트렌스

Δ

Δ

리노레오일CoA 

Δ

Δ

- 시스-

Δ

 트렌스-

Δ

Δ

- 탈수소화효소  2,4-다이에노일중간체

 트렌스-

Δ

Δ

 트렌스

Δ

- 최종 프로피오닐 CoA

- 프로피오닐 CoA카복실화효소

- 얻어진 (S)메틸말로닐 CoA는 라세미화효소에 의해서 (R)-메틸말로닐 CoA가 얻어짐

- 메틸말로닐CoA전환효소에 의해서 석시닐 CoA가 얻어짐

- 보조효소 5’-데옥시아데노실코발아민

6. 케톤체의 형성

- 간과 콩팥의 마이토콘드리아에서 특유의 연계된 반응에서 얻어짐

- D-α-하이드록시뷰틸산, 아세토아세트산, 아세톤

- 간에 3-옥소: CoA이동효소 부족

 붉은색 근육, 뇌, 콩팥, 효소존재 대사기능

- 지방산  트라이이실글리세롤,

간 여분은 고밀도지질단백질(HDL) 콜레스테롤, 인지질, 초저밀도지질백질(VLDL)  입자형성

 혈액체계로  목표조직인 근육, 지방조직으로 운송  지방산 사용, VLDL입자는 HDL로

혈액순환계를 통하여 간으로 돌아가 여분의 트라이아실글리세롤 보충

- 자유지방산  마이토콘드리아  β-산화, TCA  CO₂, H₂O

- 자유지방산  마이토콘드리아  케톤체

 근육, 뇌, 심장근육  CO₂, H₂O로 연소

지방산의 합성

1. 포화지방산의 합성

- 동물의 체내에서 탄수화물로부터 지방산의 합성

- NADPH의 에너지

 오탄당인산화경로에 필요한 60%공급

- 피류브산(세포질)  마이토콘드리아(탈카복시화)

 옥살아세트산 + 2아세틸CoA

 시트르산합성효소  세포질로 절단

 아세틸CoA

- 아실운반단백질(ACP)  세란잔기에 인산판토티인 그룹이 부착  거대CoA

- 간에서 분자량 540,000D

- 8개의 단백질이 공유결합 및 소수성 연결 - 에노일 ACP환원효소  방해제

트리클로산(triclosan)

 0.3%, 치약, 비누, 피부용 크림에 사용

- 뷰티릴ACP + 말로닐ACP  C₆ β-케토아실ACP - 축합  환원  탈수  환원

2. 불포화지방산의 합성

- 간에서 스테아릴CoA 합성되면

 올레일 CoA를 만들게 됨

- 지방산아실CoA 불포화효소(desaturase), 혼합기능산화효소(mixed function oxidase) - 산소분자에 의한 산화로 이중결합 도입

- 사이안이온에 의해서 방해되고, 이때

사이아나이드는 민감한 인자에 부착되며, 이 인자는 철-단백질환원제를 불포화효소에 연결시킴

3. 트라이글리세라이드의 합성

- 글리세롤-3-인산  다이하이드록시아세톤인산 - 2개의 지방산아실CoA + L-글리세롤-3-인산

 다이아실글리세롤-3-인산  포스파티드산

4. 세포막 인지질의 합성

- 세포막구성

 글리세로인지질과 스핑고인지질 - CDP에 의한 활성화

- 포스파티딜세린  탈카복실화

 포스파티딜 에탄올아민

지방산대사의 조절

- 주로 간에서  합성은 세포질에서, β-산화는 마이토콘드리아에서 일어남

- 트라이아실글리세롤의 운송  유미입자와 VLDL, 지방산은 알부민복합체, 케톤체의 형태로 운반

- 인슐린이나 글루카곤

 지질대사경로에 반대로 조절

 트라이아실글리세롤 합성화

 지방산가수분해효소 불활성화 - 홀몬에 민감한 트라이아실글리세롤

지방산가수분해효소에 의해 조절

 cAMP농도에 따른 인산화와 탈인산화가 서로 관여

- AMP-의존 단백질인산화효소

 아세틸CoA카복실화효소인산화

 불활성화

- ATP농도 높아지면

 인산화효소 불활성화

 아세틸CoA카복실화효소 활성화

콜레스테롤의 대사

1. 콜레스테롤의 생합성

- 초기의 하이드록시메틸글루타릴CoA

 메발론산

- HMG-CoA환원효소  속도결정단계

2. 콜레스테롤합성의 조절

- 합성의 조절

 고지혈증치료제의 개발

- HMG-CoA환원효소의 방해제

 로바스타틴

- 효소의 유전자 발현의 조절 - 효소의 합성의 정도가 높음

- 스테롤조절결합단백질(SREBP)

 가수분해조각

 bHLH의 전사활성인자로 알려짐

3. 콜레스테롤과 심장병

- 혈액 속에 LDL형태의 콜레스테롤의 증가

 심장병의 주원인

- 심근경색(myocardial infraction), 뇌졸중(stroke)

 콜레스테롤, 콜레스테롤에스터 및 대식세포의 응고  혈관벽에 정착  근육세포의 경화

- 동물성 지방질 섭취가 원인(콜레스테롤) - 높은 HDL(고밀도지질단백질)의 농도 유지

 콜레스테롤 간으로 수송  담즙으로 제거

8.3 세포막과 운송

세포막의 구조 및 구성

- 인산지방질과 콜레스테롤로 구성된 두겹층 - 세포막의 단백질은 세포막 안팎에 걸침

- 당단백질과 당지질의 탄수화물은 막의 바깥쪽 부분에 존재

- 세포막 내재 단백질 30~70%가 유동성

1. 막골격

- 적혈구 막골격의 75%를 차지하는 단백질인 스펙트린은 적혈구의 유동성 갖게 하는 구조 - 스펙트린  α-나선 꼬인 코일 구조와

이종이량체와 삼중나선의 합쳐진 α-나선 꼬인 코일이 합쳐진 이종사량체(

αβ

세포막단백질

- 안팎으로 페기물의 운송 - 세포외부에서 정보의 수집

- 단백질이 세포막과 접촉되는 방법

1. 단백질이 세포막 안팎으로 걸침  막내재단백질 2. 막의 주변에 부착  막주변단백질

1. 막내재단백질

- 단백질 자체  양성물질

- 세포 안쪽  강한 소수성을 갖는 아미노산잔기 - 글라이코포린  적혈구막단백질

- 로돕신: 트렌스듀신과 상호작용, GDP를 GTP로 교체시키는 기능,

트렌스듀신 해리되어 신호를 cGMP의 경로에 보냄

수용체 - 홀몬수용체나

약물의 수용체

- 세포내부에서 유도된 효소

 인산화

- cAMP의 합성을 촉매

 아데닐고리화효소 - 7TM수용체

2. 막주변단백질

- 세포막에 헐겁게 부착 - 대표적인 사이토크롬

c

- 세포의 신호전달체계의 단백질

 세포성장의 신호 G-단백질 - Ras 단백질  스위치 기능

 파네실 그룹  막 안쪽에 닻을 내림

3. 분비경로

- 막의 안팎, 라이보솜 그리고 소포체에 남아 있는 단백질의 정보

- 단백질 합성시 N-말단에 13~36개 잔기의 신호펩타이드  한 개나 그 이상의 친수성인

염기성 잔기를 포함, 인접지역에 6~15개의 소수성 잔기 - 단백질 합성 후 라이보솜 배출 시 핵단백질인

신호인식입자( SRP,signal recognition

particle)결합  조면소포체 SRP수용체와 결합

 통로 트렌스로콘  소포체 내강 분리

4. 막소포운반

- 단백질의 운반 한 구획에서 다른 구획으로 융합되는 막소포내부의 화물의 형태로 운송

 전진운반

- 막소포를 거쳐 골지체에서 적층을 통과하는 골지구획의 탑승객형태의 운반  후진운반

- 운반체로는 포장된 막소포

 1. 클라트린 2. COPI(coated protein1)단백질 3. COPII 단백질

- 클라트린으로 입혀진 막소포

 막함입(endocytosis)

 막횡단단백질, 분비성단백질

 트렌스골지네트워크에서 세포막으로 운반

막을 통한 운송

- 이온이나 극성물질의 이동이 필수적

 막내재단백질 수송에 관여

- 수동매개수송: 농도의 차이를 발생

 운반체, 투과효소, 통로 및 수송계활용

1. 수동매개수송

2. 이온운반체

- 이온운반체:

운송이온 운반체와 통로형성 이온운반체

운송이온운반체와 통로형성이온운반체 - 운송이온운반체

이온을 담아서 막을 통해 내 보냄

 선택된 이온에 결합, 이온 운송 - 통로형성이온운반체

막통로 또는 막기공을 만듦

 포타슘이온과 배위결합  발리노마이신 - 그라미시딘  원형기공 막통로

 Na⁺ 과 K⁺이온

포린

- β-원통형구조의 수용성 이온통로 - 대장균의 ompF포린

 600D 이내의 용질, 양이온만 통과

- 대장균의 말토포린  말토덱스트린 수송

이온통로

- 삼투압의 균형유지나 신호전달이나 신경전달에서 막 전위차 발생

- 높은 선택성

 막내재단백질, 수동적인 확산을 통하여 이온 운송 - 포타슘이온통로: KcsA(스트렙토마이시스 리비던스)

 동종사량체의 구조, 포타슘이온이 가수화된 상태로 통과

- 열고 닫힘은 개폐(gating): 신경전달 물질에 감응

 리간드개폐통로, 칼슘 같은 신호물질

 신호개폐통로

아쿠아포린

- 포유동물에는 7개의 아쿠아포린

- 물을 빨리 수송하는 조직

 신장, 침샘, 눈물샘 - 물만 통과(글리세롤

요소, 프로톤은 안됨)

운반단백질

- 세포막의 한 면에서 다른 면으로 물질의 이동

 교대로 변화하는 구조적인 변형 - 적혈구 글루코스 수용체

(GLUT1, erythrocyte glucose transporter):

- 글루코스가 세포의 안팎으로 수송되는 과정 1. 글루코스 + 단백질

2. 구조변화로 결합부위 닫힘

3. 세포막의 다른 면의 결합부위 열림

 세포밖의 글루코스 안으로 운반 4. 최초의 상태로 다시 돌아옴

3. 능동수송

- 에너지가 소요되는 수송방법

- 양이온을 수송하는 세포막과 결합된 ATPase - 이차능동수송: 전기화학적인 기울기

 농도기울기 역행 중성분자의 수송

- (Na⁺ - K⁺)-ATPase: 세포내의 ATP 가수분해

 포타슘이온은 세포내부로, 소듐이온은 세포 밖으로

- 3개의 양하전의 이온이 밖으로 나가게 되고 2개의 양하전 안으로 들어옴

- Na⁺이온 세포밖으로 배출시키는 과정

 동물세포는 삼투압으로 물의 함량을 조절 (Na⁺-K⁺)-ATPase에 의해 만들어진

전기화학적인 기울기

 신경세포의 자극에 필수적

- Ca²⁺-ATPase

- 칼슘 농도의 증가

 근육의 수축, 신경물질의 방출, 글라코젠의 분해

- 세포질내의 Ca²⁺ 농도 = ~0.1μM

 세포공간에서 보다 10⁴배 적음 - 큰 농도기울기 차

 Ca²⁺ 능동수송과 ATP의 가수분해

 2개 칼슘 이온을 활발하게 받아들이게

되고, 두 개 또는 세 개의 프로톤을 반대로 수송하게 됨

- 이온기울기에 의한 능동수송

- 장에서 소듐이온 농도기울기에너지

 글루코스흡수

- 소듐-글루코스수송계

 세포내의 글루코스 축적

- 락토스투과효소: 양성자농도기울기

 수소이온과 락토스 수송