세포 구조
내막계(endomembrane system)
내막계(內膜系, 영어: endomembrane system) 또는 세포내막계(細胞內膜系)는 진핵세포에서 세포를 기능적, 구조적 측면에서 나눠주는 체계이다. 원핵세포는 내막계가 없으며 그에 따라 대부분의 세포 소기관이 결여되어 있다.
내막계는 지질과 단백질의 합성시 표면 반응같은 세포의 수송체계도 통제한다. 그러나 모든 내막계가 합성에 관여하진 않는다.
내막계를 이루고 있는 생체막은 지질 2중층이며 단백질이 이 층에 부착되어 있거나 가로질러 있는 경우도 있다.
종류
원형질막은 인지질 2중층으로 근본적으로 세포와 주변 환경을 분리하며 분자단위의 수송, 세포 내/외부간의 신호전달을 관장한다.
핵막은 세포핵를 둘러싸고 있는 생체막이다. 핵 자체는 내막계에 포함되지 않는다.
소포체는 합성과 수송을 관장하는 소기관으로, 핵막의 확장판이라고 볼 수 있다.
골지체는 단백질의 수송과 포장에 관여한다. 특히 조면소포체와 합동한다.
액포는 식물세포의 저장창고이다. 주로 대사노폐물과 유독물질이 저장된다. 과일의 맛을 내는 주요 물질이 들어있다.
리소좀은 세포의 소화기관이라고 할 수 있다. 세포내의 쓸모없는 기관이나 작은 분자(주로 유해하거나 쓸모없는)를 효소로 분해한다.
소포(소낭)은 막으로 둘러싸인 기관으로 분자의 수송, 저장을 담당한다.
⑴ 원형질막(세포막, plasma membrane or cell membrane)
① 구성 : 지질, 단백질
② 기능 : 물질 수송, 형태 유지, 신호 전달, 근육 수축, 신경 충격
○ 막의 구조 : 【인지질 머리 - 소수성 꼬리】 + 【소수성 꼬리 - 인지질 머리】
○ 인지질 이중층의 자발적 막 형성 : 인산 머리는 물과 닿는 표면으로, 소수성 꼬리는 막의 안으로 향함
○ 유동모자이크 모델
○ 막단백질 분자들이 인지질의 유동적인 이중층에 실려서 움직이는 모자이크
○ FRAP 실험과 FLIP 실험에 의해 밝혀짐
○ 막의 좌우이동은 105 ~ 107 번/s
③ 막 투과성
○ 비전하성, 지용성 물질은 확산
○ 선택적 투과성(selective permeability) : 수용성 분자
○ 이유 : 소수성 꼬리가 인지질 머리보다 길어 친수성 분자에 비해 소수성 분자는 단순확산을 통해 세포막 통과
④ 유동성 요인 1. 변이온도(Tm)
○ 경직된 상태의 세포막이 유동적인 상태로 급작스럽게 변하는 온도
○ 겔-졸 변환과 관련 있음
⑤ 유동성 요인 2. 세포골격에 부착된 막단백질의 이동 제한 (예 : 카베올린)
⑥ 유동성 요인 3. 밀착연접으로 막단백질의 이동 제한
⑦ 유동성 요인 4. 콜레스테롤
○ 콜레스테롤 : 온도가 높을 때는 인지질이 활발히 운동하는 것을 제한하고 온도가 낮을 때는 인지질이 응집하는 것을 막음으로써 막의 유동성 유지에 도움, 친수성 물질 투과 ×
○ 온도에 따라 인지질 내 불포화 지방산(유동성↑)의 함량 및 지방산 길이(유동성↓)를 변화시켜 유동성 조절
⑧ 인지질의 비대칭성 : 활면소포체에서 만들어진 인지질 소낭은 비대칭성이 없음. 소낭이 원형질막과 결합 후 flippase와 floppase에 의해 비대칭성이 만들어짐
○ flippase : 바깥층에서 안쪽층으로 인지질의 이동을 돕는 효소
○ floppase : 안쪽층에서 바깥층으로 인지질의 이동을 돕는 효소
○ 인지질의 비대칭성의 예시
○ 비대칭성이 깨지면 세포자살 신호전달이 일어남. 이를 위해 flip-flop 현상이 관여
○ 소포체의 막 신장 메커니즘에도 flippase 관여
⑨ 세포막 고정법 실험(patch clamp method)
○ 살아있는 세포의 세포막에 패치를 붙여서 전기 생리학을 연구하는 데 사용하는 기술
⑵ 핵(nucleus)
① 구성 1. 핵막(nuclear envelop) : 이중막. 선택적 투과성이 있는 핵공이 많음
○ 핵막의 외막은 소포체와 연결, 내막은 중간섬유로 골격 유지
○ 핵공 : 8량체 통로. 뉴클레오티드, 아미노산, 포도당 등 단량체는 자유롭게 이동
② 구성 2. 핵질(nucleoplasm)
③ 구성 3. 인(nucleolus) : 염색질이 모여 있는 부분
○ rRNA 합성, telomerase 합성, 리보솜 소단위체의 조립 장소
○ 막이 없음. 진하게 보임
○ 핵 내부 중 가장 쉽게 관찰되는 구조
⑶ 리보솜(ribosome)
① 모든 세포에서 발견
② 단백질 합성을 위한 작업대
③ 자유 리보솜(free ribosome)과 부착 리보솜(bound ribosome)으로 분류됨
⑷ 소포체(ER, endoplasmic reticulum) : 핵막과 연결된 채로 세포질로 뻗어 있는 막으로 된 큰 네트워크
① 조면소포체(rough ER, RER) : 리보솜이 박혀 있는 소포체. 단백질을 분비함
○ vesicle의 budding이 일어나는 부분은 리보솜이 없이 매끈
○ 기능 1. 소낭 및 세포막 형성
○ 기능 2. 1차 당화 : N-당화(N-linked protein glycosylation). 아스파라긴 등이 관여
○ 예 : 만노오스, 혈액형
○ 기능 3. 소포체 신호 서열 제거 : 소포체에 단백질이 배달되기 전에 이뤄지나 일반적으로 조면소포체의 역할로 봄
○ 기능 4. 이황화 결합
② 활면소포체(Smooth ER, SER) : 리보솜이 없는 소포체
○ 기능 1. 지질·인지질 합성, 지방산 길이 연장, 지방산 불포화
○ 보통 포화지방에서 불포화지방으로 합성
○ 후기 단계의 활면소포체는 스테롤을 합성
○ 기능 2. 칼슘 저장(Ca2+ 펌프) 및 방출(IP3 dependent Ca2+ channel)
○ 예 : 근소포체(SR, sarcoplasmic reticulum)
○ 기능 3. cytochrom p450 : 독성 제거. 지용성 물질에 -OH기를 붙여 세포외 방출. OH기는 반응성을 높임
○ 기능 4. 혈당량 조절 : glycogen phosphorylase
○ 기능 5. 포도당 신생합성 : glucose-6-phosphatase (간에만 있음)
③ 알코올 분해와 숙취
⑸ 골지체(Golgi apparatus) : 적혈구에는 없음
① 구조
○ 시스터나(cisternae) 구조 : CGN(cis-Golgi network) + medial + TGN(trans-Golgi network)
○ 한쪽 면은 계속 받기만 하는 부분(cis). 다른쪽 면은 계속 소낭을 보내는 부분(trans)
② 형성
○ cisternal maturation model : 골지체의 trans 부분은 사라지고 cis는 trans가 됨. 소포체로부터 온 소낭이 cis가 됨
○ vesicular transport model : 크기가 작은 물질은 골지체 진화를 거치지 않고 소낭을 통해 직접 운반되므로 빠름
③ 분비방식
○ constitutive secretory pathway : 연속적으로 분비. 세포막 단백질 및 세포외기질 (예 : 콜라겐, 프로테오글리칸)
○ signal mediated secretory pathway : 호르몬에 의해 분비되는 단백질
○ 리소좀 경로(lysosome pathway)
④ 기능 1. 단백질 분류 : 리소좀
⑤ 기능 2. 세포 내 목적지로 분비
⑥ 기능 3. 단백질 절단 → 단백질에 활성 부여 : 인슐린 절단, 소화효소 절단
⑦ 기능 4. 2차 당화 : O-당화(O-linked protein glycosylation). 세린, 트레오닌이 관여
○ O-당화의 예 : O-GlcNAcylation
○ 생성물의 예 : 중심단백질과 콘드로이틴 황산염, 케라틴 황산염
⑧ 기능 5. 식물세포에서 펙틴 및 헤미셀룰로오스 합성
○ 셀룰로오스는 식물세포막에 있는 셀룰로오스 synthase에 의해 생성
⑨ 기능 6. 유미입자 생성
⑩ 기능 7. 기타 번역 후 변형(post-translational modification)
○ O-황화(O-sulfation)
○ 인산화(phosphorylation)
⑹ 리소좀(용핵소체, lysosome)
① 약 50여 종 이상의 산성 가수분해효소가 담긴 단일막 소포
○ lipofuscin 등
○ 식물세포에는 리소좀이 없으며 액포가 대신함
② 기능
○ 표적 분자들, 손상된 수용체, 손상된 세포소기관 소화
○ 자살캡슐(suicide capsule)이라고 불리는 이유
③ 1st. 조면소포체에서 미성숙 리소좀 분해효소 표면에 mannose라는 5탄당이 붙음(당화). flippase 관여
④ 2nd. 미성숙 리소좀 분해효소가 골지체 cis로 이동
⑤ 3rd. 골지체에서 mannose가 UTP에 의해 인산화되어 M-6-ⓟ(mannose-6-phosphate)가 됨
⑥ 4th. M-6-ⓟ가 골지 trans에 도달하면 M-6-ⓟ가 막 표면의 M-6-ⓟ 수용체와 결합
○ M-6-ⓟ가 수용체에 결합하면 가수분해효소를 리소좀 내로 유인
⑦ 5th. 당단백질이 소낭에 싸인 뒤 세포막으로부터 나온 성숙 엔도좀(endosome)과 결합
○ 엔도좀 : 내포작용이 일어나는 소낭. H+ pump를 가짐
○ 단백질에 M-6-ⓟ를 표지하는 효소에 문제가 생기면 리소좀으로 산성 가수분해효소를 보낼 수 없음
⑧ 6th. 리소좀 완성 : H+ pump가 작동하여 내부 pH가 5가 되면 M-6-ⓟ가 수용체로부터 유리
⑨ 7th. 식균작용(phagocytosis)에 의해 세균 등이 세포 내로 들어와 식포(phagosome)를 형성
⑩ 8th. 유기물이 담긴 식포와 리소좀이 만나 파고리소좀(phagolysosome)이 됨
○ 리소좀 내 가수분해효소가 유기물을 모두 분해
○ 리소좀 내 낮은 pH가 가수분해를 도움
⑪ 9th. 남은 찌꺼기들은 외포작용(exocytosis)에 의해 세포 밖으로 버려짐
⑫ 저해제
○ Mannan : mannose receptor-mediated endocytosis 저해제
○ bafilomycin : lysosomal inhibitor
⑬ 리소좀 질병
○ 원리 : 리소좀 내 분해효소 ↓ → 분해물질 축적 → 리소좀 내 농도 ↑ → 물 유입 → 용혈 → 주변 세포에 피해
○ 예 1. 테이삭스병(Tay-Sachs' disease) : 신생아가 눈이 멀거나 귀가 들리지 않음
○ 예 2. 폼페병(Pompe's disease) : 근육에서 발생
○ 예 3. 통풍 : 요산과 관련
⑺ 액포(vacuole)
① 특징
○ 리소좀과 기능/기원이 같아 골지체에서 생성됨
○ 식물세포에만 있음
○ 가수분해보다 재활용에 초점
○ 식물세포에는 리소좀이 없으며 액포가 대신함
② 종류 1. 식포
③ 종류 2. 수축포(contractile vacuole) : 원생동물은 내부의 물을 배출하기 위해 수축포를 가지고 있음
④ 종류 3. 중심액포 : 물, 색소, 소화효소, 독, 노폐물을 포함한 다양한 분자 저장. 내부 압력을 유지하여 식물의 지지 도움
⑻ 퍼옥시좀(peroxisome) : 과산화수소를 분해하여 산소 라디칼이 생기는 것을 방지
① 약 50여 종의 효소를 보유한 단일막 소포, 글리콜산 경로에 관여하는 효소도 함유
② 생성 : 소포체로부터의 소포로부터 생성. 골지체는 퍼옥시좀을 생성하지 않음
③ 효소
○ 초과산화물제거효소(SOD, superoxide dismutase) : 2O2- + 2H+ → O2 + H2O2
○ 카탈라아제(catalase) : 2H2O2 → 2H2O + O2. 다른 세포소기관에는 없음
④ 반응
○ ROS(reactive oxygen species) : 산소로부터 만들어지는, 반응성이 강한 화학종
○ radical : superxoide(O2·-), hydroxyl radical (·OH)
○ nonradical : singlet oxygen (1O2), hydrogen peroxide (H2O2)
○ ROS cascade reaction
○ O2 + e- → O2·-
○ 2H+ + 2O2·- → H2O2 + O2
○ H2O2 + e- → HO- + ·OH
○ 2H+ + 2e- + H2O2 → 2H2O
○ Fenton reaction : 철 이온은 ROS를 생성시킬 수 있음
○ Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + HO● + OH-
○ Fe3+ + H2O2 → Fe2+ + HOO● + H+
○ HO● + HOO● + H2O → 2H2O2
○ Haber Weiss reaction : 촉매량의 free iron ion이 있으면 다음 반응이 일어남
⑤ 기능
○ 지방산 산화
○ H2O2 제거
⑥ 동물세포 : 베타산화의 25-50 %가 퍼옥시좀, 나머지는 미토콘드리아 막간공간
○ 간에는 다른 세포에 비해 퍼옥시좀이 많음
⑦ 식물세포 : 베타산화의 100%가 퍼옥시좀
⑧ Zellweger syndrome : empty peroxisome이 다수 발견
⑼ 글리옥시좀(glyoxisome)
① 발아 전 혹은 발아 중인 종자에만 존재 하는 퍼옥시좀으로 보유 효소가 다름
② 퍼옥시좀과 글리옥시좀
○ 빛이 있는 광합성 가능 환경에서 퍼옥시좀으로 존재
○ 빛이 없는 광합성 불가능 환경에서 글리옥시좀으로 존재
③ 글리옥시산 회로 : 배젖의 지방산을 당으로 전환하는 대사 경로
⑽ 메소좀(mesosome)
① 박테리아에만 존재하는 기관
② 세포막의 일부가 원형질에 함입되어 이루어진 관 모양 혹은 자루 모양의 막 조직
⑾ 지방방울(lipid droplet, LD)
① phospholipid monolayer에 둘러싸여 있음
② 대체로 0.1-5 μm. 지방세포에서는 100 μm
③ 생성
○ LD 내 트리글리세리드의 생성 : ER에 있는 DGAT(diacylglycerol acyltransferase)가 관여
○ LD 내 콜레스테롤 에스터의 생성 : ER에 있는 ACAT(acyl-CoA:cholesterol acyltransferase)이 관여
④ 기능
○ lipid ester의 저장
○ lipotoxicity에 대한 방어적 기능
○ lipolytic activity : ATGL(adipose triglyceride lipase), HSL(hormone sensitive lipase), MAGL(monoacylglycerol lipase)가 관여함
○ protein degration을 방지하기 위한 보관 장소
○ hypoxia 상황에서 toxic한 포화지방산을 저장함 : 산소가 없으면 환원하므로. 즉, H를 얻고 산소를 잃음
⑤ 소멸
○ LAL(lysosomal acid lipase)
○ CMA(chaperon-mediated autophagy)
○ HSP70(heat shock protein 70) : HSP70에 의해 매개되는 lysosomal proteolysis
○ LAMP-2A (lysosome-associated membrane protein 2A)