2주 생체막을 통한 물질 이동
2.1 생체막을 통한 물질 이동의 필요성
l 신호전달 (signal transduction), 물질대사, 에너지 대사 등에 필요한 물질은 세포 안팎으로 이동하여야 함.
l 생체막은 소수성 물질은 비교적 쉽게 통과시키지만, 친수성 물질은 통과시키기가 어려움.
l 물질의 성질에 따라, 특이적 방법으로 세포막을 통과하여야 함.
2.2 생체막을 통한 물질 이동의 분류
l 확산에 의한 이동 - 단순 확산
- Pore, transporter 등을 통한 확산 - 이온 채널을 통한 이온의 확산 - Ionophore
l 능동수송 (Active transport)
- 일차능동수송 (Primary active transport) - 이차능동수송 (Secondary active transport)
2.3 확산
l Driving force
- 생체막을 통한 확산의 driving force는 농도차 및 전위차에 의한 electrochemical gradient에 의함. 즉, 농도가 높은 쪽에 농도가 낮은 쪽으로, 전위가 높은 쪽에서 전위가 낮은 쪽으로 이동함.
- 열역학 제2법칙인 무질서도(entropy) 증가에 의하여, 자유에너지가 감소하여 보다 안정한 상태로 이동하기 위함.
l 생체막을 통한 확산의 특징
- 생체막을 통한 확산은 일반 용매안에서의 확산과는 달리, 소수성 세포막을 통과하 여야 함.
- 따라서, 친수성 물질이 소수성 세포막을 통과하는 동안에는 자유에너지가 증가하면
서 불안정한 상태를 가지게 됨.
- 이러한 에너지의 증가현상은 활성화에너지의 개념으로 설명할 수 있음.
l 생체막을 통한 물질 이동에서의 활성화 에너지
- 물질 이동의 활성화에너지를 낮출 수 있다면, 물질 이동의 효율을 보다 높일 수 있 음.
- Membrane에 pore를 형성하거나, 특정단백질과 결합하여 membrane을 통과함으 로써 활성화 에너지를 낮추고, 물질 이동 효율을 증가시킴.
- Transporter, 이온채널, ionophore 등은 활성화 에너지를 낮춰서 물질 이동 효율 을 증가시킴.
2.4 Transporter의 분류
l Carriers
- 이동하는 물질에 직접 결합하여, 생체막을 통한 물질 이동 촉진 - 확산 및 능동수송에 모두 해당함.
l Channel
- 물질 이동이 가능한 pore를 형성하여, 이를 통한 물질 이동 촉진 - 이온채널 등
2.5 Transporter을 이용한 확산의 예
l Glucose transporter
- 세포보다 혈액의 glucose 농도가 더 높음. 따라서, 세포 내로 확산을 통하여 전달.
- 여러 종류의 glucose transporter들이 존재함.
- Glucose transporter의 glucose 결합 부위는 세포 밖으로 노출되어 있음.
Glucose가 transporter에 결합하면, conformation의 변화를 통하여, glucose transporter의 glucose결합 부위는 세포 안을 향함. Glucose를 세포 안으로 방출 한 후, 원래의 conformation으로 복귀, 세포 밖의 glucose와 재결합할 수 있음.
l Chloride-bicarbonate exchanger
- 조직에서 발생된 이산화탄소를 허파로 전달은 혈액을 통하여 이루어짐. 그러나, 이 산화탄소의 물에 대한 용해도가 높지 않으므로, 효율적인 전달은 이산화탄소를 bicarbonate으로 전환하여 이루어짐. 이때 관여하는 효소가 적혈구 안에 존재하는
carbonic anhydrase임.
- 적혈구 안에서 이산화탄소가 bicarbonate로 전환된 후, chloride-bicarbonate exchanger를 통하여, 적혈구에서 혈액으로 이동.
- Bicarbonate (HCO3-)가 적혈구 외부로 이동하는 과정에서 같은 전하를 가진 chloride (Cl-)가 적혈구 안으로 이동하여 전하균형을 유지함.
2.6 Ionophore에 의한 확산
l Valinomycin: small cyclic peptide - K+ 전하를 중성화함
- Membrane을 통과하여 K+를 전달함. → K+ membran gradient를 약화함.
- 특정 microorganism에서 secondary active transport를 방해함. → Antibiotics 로 쓰임.
2.7 이온채널에 의한 확산
l Ion channels (Na+ channel, K+ channel, etc) in neurons
l Ion channels in myocytes
- Ca2+ channel in the sarcoplasmic reticulum
l 특징
- Transporter보다 많은 ion 전달 (빠른 전달) - 포화되지 않음.
- Gated channel
Ligand-gated channels Voltage-gated channels
l K+ channel
- Ion pore 내에 carbonyl oxygen이 cage를 형성, K+과 interaction을 통하여 안 정화
- 반면에 Na+은 너무 작아서 carbonyl oxygen에 의한 안정화 불가함.
- 이러한 선택성에 의하여 K+ 특이적 이온채널로 작용
l Neuronal Na+ channel
- Voltage gated ion channel: 심장근육 및 골격근육의 신경세포, 근육세포에 존재 - Na+ selective
- Inactivation gate: Ball-and-chain mechanism.
l Acetylcholine receptor - Ligand-gated ion channel - Neuromuscular junction에 존재
- Motor neuron에서 acetylcholine을 방출
→ myocyte의 acetylcholine receptor에 결합
→ receptor의 구조적 변화
→ 이온채널이 열림
→ Membrane depolarization (Na+, Ca2+, K+ 이동)
→ 근육수축
2.8 능동 수송
l 1차 능동수송
- 1차 능동수송은 화학반응을 통하여 얻어진 에너지를 이용하여 물질이동을 촉진함.
l 2차 능동수송
- 2차 능동수송은 1차 능동수송과 연계되어 이루어짐. 1차 능동수송에 의하여 만들어 진 물질 A의 농도차에 의해 물질 A가 농도가 낮은 쪽으로 이동하면서 방출하는 에 너지를 이용하여, 물질 B의 전달에 이용하는 것.
2.9 1차 능동 수송의 예
l P-type Ca2+
pumps: ATP-driven cation transporters
- Ca2+은 세포 내에서 inorganic phosphate와 결합하여 insoluble calcium phosphate 형성할 수 있음. 따라서, 세포질의 Ca2+ 농도는 매우 낮게 유지하여야 함.
- 이러한 과정은 Ca2+ pump에 의하여 이루어짐.
l Ca2+ pump의 종류
- Plasma membrane Ca2+ pump
- Endoplasmic reticulum Ca2+ pump (ER lumen으로 전달)
- Sarcoplasmic reticulum Ca2+ pump (Myocyte의 경우, sarcoplasmic and endoplasmic reticulum으로 Ca2+ 전달)
l Ca2+ pump 는 두가지의 형태를 가짐
- Phosphorylated form: Ca2+에 높은 친화력을 가지고 있으며, 세포질 쪽으로 Ca2+
결합부위가 노출되어 있음.
-
Dephosphorylated form: Ca2+ 에 대한 친화력이 낮으며, Ca2+ 결합부위가 lumen 쪽으로 향하고 있음.l Na+K+ ATPase
- 2 K+ ions을 세포 내로, 3 Na+ ions을 세포 밖으로 이동시킴
- 결과적으로 Na+ ions은 세포밖이 높게, K+ ions은 세포밖이 높게 유지됨.
- 이러한 비대칭적인 이동결과로 세포막을 중심으로 -50 ~ -70 mV에 해당하는 전위 차가 발생하게 됨.
l Na+K+ ATPase의 두가지 형태
- Phosphorylated form: K+ ions에 높은 친화도, 3 Na+ ions에 낮은 친화도 - Dephosphorylated form: K+ ions에 낮은 친화도, 3 Na+ ions에 높은 친화도
2.10 2차 능동 수송의 예
l Lactose transporter (lactose permease)
- Lactose를 proton과 같이 이동시키는 Symport임.
- 1차 능동수송인 proton pump와 연계되어 있음.
