세포골격(細胞骨格, cytoskeleton)
세포 내의 골격기관으로 다른 세포소기관과 마찬가지로 세포질에 포함되어 있다. 세포골격은 모든 세포, 즉 식물 세포나 동물 세포, 혹은 진핵세포나 원핵세포 모두에 존재한다. 유동적인 구조인 세포골격은 세포 형태를 유지하게 해주며, 그럼에도 편모나 섬모와 같은 구조와 함께 세포가 어느 정도 움직이는 것을 가능하게 하기도 하며, 또한 세포내 수송(예를 들어 소포의 이동) 및 세포분열에 중요한 역할을 한다.
⑴ 세포골격(cytoskeleton) : 진핵생물에만 존재, 미세소관, 중간섬유, 미세섬유로 구분
⑵ 미세소관(microtubule) : 직경 25 nm. 동물세포 및 식물세포에 존재
① 기능 : 세포의 모양 유지, 세포 수준 운동, 세포 내 수송 소낭
○ 중심립, 편모, 섬모
② 구성 1. 단위체 : α 튜불린, β 튜불린이 이량체를 구성함
○ (-) 말단 (음성말단) : α 튜불린으로 끝나는 지점
○ 순탈중합속도↑
○ (+) 말단 (양성말단) : β 튜불린으로 끝나는 지점
○ 순중합속도↑
○ 첨가속도, 해리속도 모두 음성말단보다 빠름
○ 뉴런에서 신경 세포체가 (-) 말단, 축삭 말단이 (+) 말단
○ 구조 : 튜불린 이합체로 구성된 protofilament 13개가 실린더 구조를 이룸
③ 구성 2. 모터 단백질 : 미세소관 위를 걸어다닐 수 있는 단백질
○ 디네인 : 중심체(중심립)에서 먼 지점에서 가까운 지점으로 운동, 핵에서 사용되는 단백질 수송
○ 키네신 : 중심체(중심립)에서 가까운 지점에서 먼 지점으로 운동, 외분비 단백질 수송
○ 미오신
④ 중합실험 : 핵형성기(nucleation) - 신장기(elongation) - 안정기(steady state)
○ α 튜불린 : GTPase 활성
○ β 튜불린 : GTP 혹은 GDP가 결합할 수 있음
○ (+) 말단에 있던 β 튜불린의 GTP를 GDP로 분해하면서 새로운 β 튜불린 (GTP) - α 튜불린이 결합
○ GTP cap : (+) 말단의 β 튜불린은 GTP, 나머지 β 튜불린은 GDP 상태
○ 시간에 따른 미세소관 형성 : 튜불린 이량체, GTP, Mg2+를 재료로 함. 25,000 nm까지 신장 가능
○ 트레드밀 현상(treadmiling) : (-) 말단은 짧아지고 (+) 말단은 길어지는 것
○ 완전분해 : 미세소관 GTP 가수분해는 가끔씩 끝에 GDP가 결합된 소단위 노출
○ 활성 증가 : GTP, γ 튜불린
⑤ 장력-인장길이 실험
○ catastrophe
○ rescue
⑥ 종류 1. 중심립(centriole)
○ 원핵생물, 균류, 식물세포에는 없음. 구체적으로 왜 필요한지 밝혀지지 않음
○ 구조 : 9개의 미세소관 트리플렛, 술통 모양의 고리
○ 중심체 : S기에 2개가 되어 수직으로 붙어 있게 됨 → 미세소관이 길이 신장을 하여 방추사 형성
○ 기저체 : 중심립의 형태가 변화된 것. 9개의 미세소관 트리플렛(triplets). 길이신장을 통해 편모, 섬모 형성
○ 편모(flagellum), 섬모(cilium) : 9 + 2 더블렛(doublets)
○ 기능 : 세포의 운동, 용액의 이동
○ 원리 : 한 더블렛에 고정된 디네인이 인접한 다른 더블렛 위를 걸으면 두 더블렛은 휘게 됨
○ 원발성 섬모 운동 이상증 (primary ciliary dyskinesia)
○ 유전적으로 섬모가 없어서 호흡 기도 상 섬모의 운동이 결여된 증상
○ 호흡 기능에 지장이 생김
○ (참고) 원핵생물의 편모 : 수소 이온 농도 기울기에 의한 회전력으로 움직임
○ ATPase와 유사한 기작
○ 폭은 진핵생물의 편모의 1/10 정도
○ 진핵생물과 달리 원형질막으로 덮여 있지 않음
○ 진핵생물처럼 튜불린이 아닌 플라젤린(flagelin)으로 구성
⑦ microtubule destabilizing agent : 미세소관이 합성될 때 미세소관을 불안정하게 하여 미세소관 기능을 저해
○ vinca alkaloid : vinblastine, 빈크리스틴(vincristine), vinorelbine, vindesine, vinflunine
○ 콜히친(colchicine) : 식물 품종개량을 위한 다배체 생성에 사용. 호중구를 억제하기 때문에 항암제로 사용하지 못함
⑧ microtubule stabilizing agent : 미세소관이 제거될 때 미세소관을 안정하게 하여 미세소관 기능을 저해
○ 택솔(taxol) : pacific yew tree에서 추출. 항암제로 사용
○ paclitaxel, docetaxel, eleutherobins, epothilones, laulimalide, sarcodictyins
⑨ microtubule breaking agent
○ 노코다졸(nocodazole) : 미세소관을 파괴
⑶ 중간섬유(intermediate filament) : 직경 8 ~ 12 nm
① 기능
○ 세포 모양 유지 및 세포소기관 위치 고정 : 핵라민 등
○ 데스모좀(desmosome) : 세포와 세포의 결합을 통해 세포를 지지
○ 헤미데스모좀(hemidesmosome) : 세포와 ECM의 결합을 통해 세포를 지지
○ 동물세포에만 존재
② 단위체
○ 구조 : N-말단 + α 나선+ C-말단, 32개의 단위체가 한 필라멘트를 형성
○ 세포의 종류에 따라 중간섬유는 특정 단백질을 함유함
○ 종류 1. 핵 라민 : 핵막 구조 유지
○ 동물세포의 경우 핵막하층은 라민(lamin) 단백질로 구성되어 있음
○ 많은 원생생물, 균류, 식물의 핵막 안쪽 표면은 라민과 관련 없음
○ 핵라민은 핵의 위치를 고정시킴
○ 종류 2. 케라틴(keratin) : 세포질에서 관찰. 표피세포에 많음
○ 케라틴 중간섬유가 피부 표피의 기저층에서 표피와 진피를 연결하여 진피를 보호함
○ 피부, 머리카락, 손톱 등은 대부분 케라틴으로 채워진 죽은 세포들로 되어 있음
○ 종류 3. 비멘틴(vimentin) : mesenchymal cell에 많아 마커로 사용됨
○ 종류 4. desmin : 근육세포에 많음
○ 종류 5. 신경 섬유 : 뉴런 축삭에서 관찰
○ 종류 6. GFAP(glial fibrillary acidic protein) : 교세포(glial cell)에 많음
③ 특징 1. 파괴되지 않음 : 세포분열, 수포성 박리증은 예외
④ 특징 2. 중간섬유의 안정화에 칼슘이 관여
⑤ 장력-인장길이 실험
○ catastrophe
○ rescue
⑷ 미세섬유(microfilament) : 직경 7 nm
① 액틴 미세섬유와 미오신 미세섬유로 구성됨
○ 액틴 미세섬유 : 세포 단백질의 10 ~ 15%를 차지함
○ 미오신 미세섬유 : 훨씬 적게 함유
② 기능 : 근육세포뿐만 아니라 비근육세포에서도 기능을 수행함
○ 세포의 모양 유지 : 원형질막 아래에 집중 위치. 주로 카드헤린과 액틴 미세섬유의 부착과 관련
○ 세포 표면과 핵 사이의 신호 전달 : 주로 인테그린과 액틴 미세섬유의 부착과 관련
○ 밀착연접, adhesion belt, focal contact 등
○ 세포분열 시 중심체를 고정함
○ 근육 액틴 필라멘트 : ATP 사용. 운동성 단백질인 미오신이 액틴과 연결
○ 비근육성 세포 운동 : 아메바 위족운동 등
○ 1st. 아메바의 내부는 졸(sol) 상태, 외부는 겔(gel) 상태
○ 2nd. 아메바는 위족을 형성하려는 방향으로 내부 액체를 흘린 뒤 겔화(gelation)
○ 3rd. 위족 형성 반대 방향으로는 액틴이 수축하여 바닥으로부터 탈착
○ 식물 원형질 유동
○ 동물세포 분열 수축환
③ 구성 1. 단위체 : 액틴 단량체
○ (-) 말단 (음성말단) : 순탈중합속도↑
○ (+) 말단 (양성말단) : 순중합속도↑. 첨가속도와 해리속도 모두 음성말단보다 빠름
○ 미세섬유는 액틴 소단위체 2개가 꼬인 구조를 이루어 37 nm의 반복주기로 2중 나선을 형성함
④ 구성 2. 핌브린(fimbrin) : 액틴과 액틴 사이를 연결 → 장력에 강하고 탄성이 적어짐
○ 예 : 소장 융모는 액틴에 의해 형성
⑤ 중합실험 : 핵형성기(nucleation) - 신장기(elongation) - 안정기(steady state)
○ 1st. ATP와 결합한 G-actin이 액틴 미세섬유(F-actin)의 양성말단에 가서 붙음
○ 2nd. ADP와 결합한 G-actin의 경우 단량체 사이의 결합이 약하여 중합체로부터 쉽게 분리
○ 3rd. 분리된 ADP 결합 G-actin은 ADP가 분리되고 ATP가 결합하면서 새로이 액틴 미세섬유에 결합
○ 중합실험 : 핵이 있으면 초기 중합속도가 빠름
○ 임계농도(critical concentration) : 액틴 필라멘트와 평형을 이루는 G-actin의 농도
○ 임계농도 이상에서 액틴 필라멘트가 형성될 수 있음
○ 양성말단의 임계농도, 즉 양성말단의 중합 = 탈중합이 되는 G-actin의 농도(Cc+)는 낮음 (잘 붙음)
○ 음성말단의 임계농도, 즉 음성말단의 중합 = 탈중합이 되는 G-actin의 농도(Cc-)는 높음 (잘 안 붙음)
○ G-actin의 농도가 Cc+ 보다 높고 Cc-보다 낮으면 양성말단은 순중합, 음성말단은 순탈중합
○ 트레드밀 현상(treadmiling) : 위와 같은 농도에서 중합·탈중합으로 인해 미세섬유가 이동하는 것처럼 보이는 효과
⑥ 장력-인장길이 실험
○ catastrophe
○ rescue
⑦ 중합 촉진·저해제
○ 중합 촉진 : 프로필린(profilin)
○ 중합 저해 : 티모신(thymosin), 사이토칼라신(cytochalasin)
○ 해체 저해 : 자스플라키놀리드(jasplakinolide)
⑸ 세포벽(cell wall)
① 식물과 세균 세포의 원형질막 외부에서 발견
② 다당류 셀룰로오스가 풍부
③ 중력을 거슬러 꼿꼿이 서 있는 식물 몸체를 지지하는 기능
④ 원형질 연락사(plasmodesmata)
○ 신호와 물질을 주고받을 수 있는 식물세포 간 결합(cell junction)
○ 원형질막이 연결돼 있음
○ 원형질 연락사를 통해 인접 세포로 식물 바이러스가 이동
⑤ 1차 세포벽 : 셀룰로오스 + 펙틴 + 헤미셀룰로오스
⑥ 2차 세포벽 : 1차 세포벽 + 리그닌. 두꺼움
⑹ 세포외 기질(ECM, extracellular matrix) : 동물세포에만 존재. 지지·부착·운동·조절 기능
① 기저판(basal lamina)
○ 상피세포들을 둘러싸는 판 모양의 구조물
○ 다중 결합 단백질인 laminin으로 주로 구성
② 콜라겐(교원질, collagen) : 세포들을 연결하는 튼튼한 섬유
○ 원생동물을 제외한 모든 동물에 존재 : 척추동물에서 1/3에 해당하는 단백질이 콜라겐
○ 형성
○ 1st. 원콜라겐(procollagen) 형태로 배출
○ 2nd. 원콜라겐 펩티데이스에 의해 아미노기 말단과 카르복실기 말단의 일부 아미노산이 잘림
○ 3rd. 교차결합한 뒤 비수용성의 복합체(콜라겐) 형성
○ 구조
○ 100개 아미노산이 한 개의 α 체인 : 글리신, 프롤린, 하이드로프롤린으로 구성
○ 세 개의 α 체인이 3중 나선으로 혼합하여 고원분자를 형성 : 길이 280 nm, 지름 1.5 nm
○ 모든 α 체인의 세 번째 아미노산은 글리신 → 3중 나선에 필수적
○ 교원분자끼리 교차연결을 하여 원섬유 형성 : 성숙한 교원질일수록 많음
○ 원섬유가 모여 교원질 형성 : 직경 1 ~ 20 ㎛
○ 각 α 체인은 왼나선 : 원래 α 체인은 오른나선인데 특유의 아미노산 구성이 오른나선을 방해
○ 세 개의 α 체인으로 구성된 각 bundle은 오른나선
○ 타입
○ 타입 Ⅰ : 골세포(oesteocyte) 등이 분비. 건과 인대에서 발견
○ 타입 Ⅱ : 연골세포 등이 분비
○ 암세포의 콜라겐
○ 정상 섬유아세포는 COL1A1, COL1A2를 모두 발현
○ 따라서 정상 섬유아세포가 만들어내는 콜라겐은 α1 체인 2개와 α2 체인 1개로 이루어져 있음
○ 암종 섬유아세포에서는 COL1A1은 발현되는 반면 COL1A2는 DNA 메틸화에 의해 발현이 억제됨
○ 따라서 암종 섬유아세포가 만들어내는 콜라겐은 α1 체인 3개로만 구성되어 있음
③ 엘라스틴(탄력소, elastin)
○ 탄성, 구부림 등에 관여
○ 인대, 혈관벽, 허파조직, 표피, 힘중 등에서 관찰
○ 건과 사지의 인대에는 거의 존재하지 않음
○ 황인대(ligamentum flavum)와 같은 탄력 인대에서 비율 상당함
④ 인테그린(integrin) : 막관통 단백질
○ RGD 서열을 포함하는 인테그린 모티프를 통해 세포-기질 결합을 유도함
○ RGD : arginine - glycine - aspartic acid
○ 18개의 α 서브유닛과 8개의 β 서브유닛으로 구성돼 있고, 둘 다 여러 형태를 가지고 있음
○ 기능 1. 세포 외부의 피브로넥틴과 내부의 액틴 미세섬유와 결합하여 세포 고정
○ 기능 1-1. 피브로넥틴과의 연결성
○ 피브로넥틴과 인테그린은 비공유결합으로 연결
○ 가역적인 결합이므로 세포를 기저막에 부착시키거나 다른 위치로 이동시킬 때 관여
○ 위족운동에서 바닥부착 관여
○ 기능 1-2. 액틴과의 연결성 : 다수의 액틴과 연결되어 충격을 받으면 완충
○ 기능 2. 세포 안의 변화를 세포 밖으로 전달해 주기도 함
○ 인테그린에 의한 신호전달
Figure. 12. 인테그린에 의한 신호전달
⑤ 피브로넥틴(fibronectin) : 인테그린과 결합. 신호전달에 관여
⑥ 비트로넥틴(vitronectin) : 콜라겐, 엘라스틴과 유사한 기능을 수행
⑦ transmembrane proteoglycan : 세포와 기질 간 흡착에 관여함
○ RGD 서열이 없고 친화성이 낮은 transmembrane 수용체와 transmembrane proteoglycan이 연결됨
○ transmembrane proteoglycan은 matrix proteoglycan, 콜라겐, 성장인자 등과 결합함
⑧ CAM(cell-cell adhesion molecule) : 세포와 세포 간 흡착에 관여함
○ Ca2+ independent
○ 예 : N-CAM은 Ig-superfamily CAM으로서 신경 세포에 작용함
⑨ 카드헤린(cadherin) : 세포와 세포 간 흡착에 관여함
○ Ca2+ dependent
○ 이량체로 작용함
○ 예 : E-cadherin (epithelial cadherin)
⑩ 당단백질(glycoprotein)
○ 세포-세포 인식에 중요
○ 세포막의 외부쪽으로 노출
○ 예 1. 렉틴(lectin)
○ 예 2. 셀렉틴(selectin)
○ 예 3. 갈렉틴(galectin)
○ 예 4. 헤마글루티닌(hemagglutinin)
○ 예 5. 뉴라미다아제(neuramidase)
⑪ 라미닌(laminin)
○ basement membrane의 basal lamina에 존재하는 단백질
○ α chain, β chain, γ chain이 3개의 짧은 팔을 형성하여 ECM과 세포와의 결합을 가능케 함
⑫ 디스트로핀(dystrophin)
○ 근 세포막의 칼슘이온채널을 조절하는 6종 단백질과 세포골격 간의 연결 단백질
○ 액틴 필라멘트와 세포막의 당단백질을 연결시켜 근육세포의 구조를 안정화시킴
⑬ fibrillin
⑭ tenascin
⑮ Matrigel
○ 세포의 분화, 형태 변화를 유도하는 상용화된 ECM
○ 상피세포나 내피세포 등에 격자무늬 네트워크를 형성하게 함
⑺ 연접(junction)
① 종류 1. 밀착연접(tight junction)
○ 기능 1. 세포와 물질들이 전혀 못 통과하도록 세포 사이를 꽉 붙임
○ 기능 2. 막단백질의 편재화에도 관여 (예 : 소화관)
○ 이웃한 세포의 세포막에 존재하는 transmembrane tight junctional protein이 연속적인 띠를 형성함 → 세포막 융합
② 종류 2. 부착연접(anchoring junction) : 세포골격을 통한 세포-세포, 세포-기질 간 결합을 형성함
○ intracellular attachment protein과 transmembrane linker glycoprotein으로 구성됨
○ 종류 2-1. 중간섬유를 이용한 부착연접
○ 종류 2-1-1. 데스모좀(desmomsome) : 세포와 세포 간 연접
○ 강한 전단응력을 받아도 찢어지지 않도록 함 (예 : 피부, 근육)
○ 플라크와 카드헤린이 관여
○ 카드헤린 : 칼슘 이온에 의해 안정. N-카드헤린(신경), P-카드헤린(혈소판), E-카드헤린(피부)
○ 케라틴 : 중간섬유. 플라크와 플라크를 잡아줌
○ 상피세포가 분화할 때 데스모좀도 함께 증가함
○ 특징 : 밀착연접과 달리 막의 융합이 일어나지 않음
○ 종류 2-1-2. 헤미데스모좀(hemidesmosome) : 세포와 기질 간 연접
○ 종류 2-2. 액틴 필라멘트를 이용한 부착연접
○ 세포와 세포 간 연접 : adhesion belt 등
○ 세포와 기질 간 연접 : focal contact 등
③ 종류 3. communicating junction
○ 종류 3-1. 간극연접(gap junction)
○ 이웃한 세포의 세포막이 만나 원통형 구조를 형성함 : 원통형 단백질을 통하여 세포 간 연결통로를 형성
○ 세포막은 연결되지 않음
○ 기능 : 세포 간 물질 교환. 이온 등 오직 작은 분자만 해당
○ 코넥손(connexon) : 코넥손이라는 채널은 4-6개의 코넥신으로 구성됨
○ 코넥신(connexin) : 분자량이 24000 ~ 46000임
○ 간극연접은 코넥신 단백질의 구조적 변화에 따라 개폐가 이루어짐
○ 각 세포의 막에서 형성된 각 코넥손이 결합하면 두 세포의 세포질을 연결하는 통로가 됨
○ 전기적 시냅스에서도 간극연접을 찾아볼 수 있음
○ 종류 3-2. 화학적 시냅스
○ 종류 3-3. 원형질 연락사(plasmodesmata) : 식물세포에만 존재
세포질
⑴ 기능 1. NADPH 생성 : 오탄당 인산 경로, C4 식물 등에서 말산이 NADPH가 되는 경로
⑵ 기능 2. 지방산 합성
⑶ 기능 3. 아이소프레노이드 및 스테롤 합성