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대부분의 세포는 매우 작아서 육안으로는 잘 보이지 않습니다. 그러나 이 작은 세포내에는 아직까지도 다 규명되지 못한 매우 복잡한 체계들이 존재하고 있습니다. 우리가 관심을 갖고 풀어야 할 한 가지 문제는 정교한 생명 과정이 지속될 수 있도록 중요한 물질을 주위로부터 어떤 방식으로 세포가 받아들이는가 하는 것입니다.
세포 수송, 원형질막
세포가 활동적인 상태를 유지하기 위해서는 생명에 필수적인 물질은 지속적으로 홉수하고 대사노폐물은 계속 방출하는 작용이 필요합니다. 또 세포는 특유의 물질을 생성합니다. 세포내로 또는 세포 밖으로 수송되는 물질은 원형질막이
라고 불리는 막을 통과해야만 합니다. 이제 그러한 이동 메카니즘에 관한 연구 내용을 원형질막에서부터 살펴보려 합니다.
원형질막
원형질막(plasma membrane)은 중요한 구조물이며, 세포를 둘러싸고 있는 이 살아 있는 막의 역할은 당연히 필요한 것으로 여겨집니다. 그러나 어떤 사람들은 오랫동안 원형질막의 존재를 믿지 않았습니다. 그것은 원형질막이 매우 얇아 그 구조는 물론 그 존재조차도 투과전자현미경이 개발되기까지는 완전히 간접 증거에 의해서만 추정되었기 때문입니다. 이 간접 증거는 어떤 것이 살아 있는 세포로의 물질 통과를 조절한다는 관찰로부터 수집되었습니다. 이러한 상황 증거만으로 막의 조성까지도 제시되었습니다. 예를 들어 지용성 물질과 지질의 용제는 쉽게 막을 통과한다는 사실로 오랫동안 원형질막은 지질을 가지고 있는 것으로 간주되어 왔습니다. 물도 느린 속도이지만 원형질막을 통과할 수 있기 때문에 과학자들은 단백질로 둘러싸인 것으로 생각되는 통로가 막에 존개하여 물의 이동이 가능하다고 믿었습니다. 앞으로 살펴보겠지만 물이 이동하는 구멍은 아직 관찰되지 않았으나 대체적으로 이들의 생각은 빗나가지 않았습니다.
투과전자현미경을 사용함으로써 처음으로 막이론학자들이 제안한 많은 이론을 입증하는 시각적 증거를 얻을 수 있었습니다. 투과전자현미경으로 관찰된 막은 하나의 투명한 띠에 의해 분리된 두 개의 검은 띠같이 보입니다. 이 투명한 띠의 너비는 5.0nm인데, 이 수치는 막 인지질의 탄화수소 꼬리 길이의 두 배에 해당됩니다. 이 사실로부터 탄화수소의 꼬리와 꼬리가 정연하게 마주해 있는 이중층 구조가 제안되었습니다. 검은 띠는 막에 결합된 단백질과 인지질의 머리 부분을 나타냅니다.
유동 모자이크 모델
유동 모자이크 모델(fluid mosaic model)이란, 이름은 인지질의 유동적 성질과 '지질 바다'에 떠 있거나 부분적으로 또는 완전히 잠겨 있는 단백질의 역동적 행동을 나타냅니다. 인지질은 곧은 꼬리 하나와 굽은 꼬리 하나가 붙어 있는 구형으로 표시합니다. 인지질은 인 외에 다양한 그룹, 흔히 질소를 포함하는 콜린을 가지고 있음을 기억할 필요가 있습니다. 이 인지질을 포스파티딜콜린(phosphatidyicholine)이라 합니다. 극성(하전된) 머리는 두 개의 탄화수소 꼬리를 가지고 있고, 이들 꼬리는 안쪽으로 향해 있습니다. 이러한 배열은 막의 양 표면은 친수성을, 그리고 막의 내부는 소수성을 형성케 합니다. 이러한 특징은 원형질막과 막단백질 그리고 세포 내·외로 출입하는 물질과의 상호작용에 큰 영향을 미칩니다. 막지질의 두번째 타입인 콜레스테롤은 동물 세포의 원형질막에 널리 분포되어 있습니다. 이것은 인지질의 머리 바로 밑에 존재하여 지질의 이중층을 안정시켜 이것이 지나치게 유동적인 막이 되지 않도록 하는 것으로 여겨집니다.
막단백질
막의 단백질은 매우 다양하며, 구형과 선형의 단백질을 다 가집니다. 선형 단백질은 주로 당단백질로서 글리코칼릭스(glycocalyx)라고 불리는 표면층을 구성합니다. 먼저 구형 단백질에 대해 살펴보려 합니다.
원형질막의 동결 절단 시료는 구형 단백질의 존재를 입증하는 데 도움을 주었습니다. 냉동된 세포에서 막의 두 인지질충 사이가 벌어지면 막관통단백질은 한쪽 표면에 돌출된 상태로 남아 있게 됩니다. 이때 반대쪽 표면에는 이 단백질이 박혀 있었던 자리, 즉 움푹 들어간 공간이 남게 됩니다.
현재 구형 단백질에는 세 가지 배열이 알려져 있습니다. 막관통단백질(transmembranal protein)은 막을 완전히 관통합니다. 이 단백질은 중간 부분이 소수성이고 양쪽 끝 부분이 친수성입니다. 이보다 작은 외재성 단백질(peripheral protein)은 하나의 소수성 부분과 친수성 부분을 가지고 있어서 지질 이중층에 일부분이 잠겨 있습니다. 세번째는 완전히 친수성인 표면단백질(surface protein)로 구성되어 있습니다.
막관통단백질은 여러 가지 중요한 기능을 수행하지만 주로 수송 기능을 담당합니다. 어떤 단백질은 특수화된 통로로 작용하여, 나트륨과 칼륨 같은 선별된 이온을 자유로이 통과시킵니다. 또 다른 단백질은 운반체의 기능을 가져 세포가 저장하고 있는 에너지를 이용하여 나트륨과 칼륨을 막을 가로질러 활발하게 이동시킬 수 있습니다. 또한 세포의 저장 에너지를 사용하지 않고 분자나 이온의 이동을 촉진시키는 운반체도 있습니다. 더 작은 단백질 운반체 중 일부는 운동성이 커서 이러한 단백질과 결합한 물쳬와 함께 막을 자유롭게 통과할 수 있습니다.
어떤 구형 막단백질은 효소로서 막에서 촉매작용을 수행합니다. 마지막으로 또다른 구형 단백질은 막을 지지하는 작용을 합니다. 막의 안쪽 표면에 있는 단백질은 세포골격의 구성 요소와 연결하는 가교를 형성합니다.
글리코칼릭스-당단백질과 당지질
많은 동물 세포의 원형질막은 최외각에 글리코칼릭스라고 불리는, 보풀 같고 뚜렷하지 않은 부위를 가집니다. 이
것은 일종의 복잡한 탄수화물로서 막에 있는 선형 단백질이나 지질과 결합되어 있습니다. 당지질은 표면에 분지된 당사슬을 가지고 있고 이 당사슬은 2개의 지방산 꼬리와 연결되며 지방산 꼬리는 다시 막의 지질 이중층을 구성하고 있는 인지질 지방산과 결합합니다. 당단백질도 분지된 당 사슬을 표면 구성원으로 가지고 있으나 당지질과 달리 선형 단백질 꼬리는 종종 막을 관통하기도 합니다. 막 속에 있는 이 꼬리 부분은 α-나선형 구조를 가집니다.
어떤 당단백질, 당지질, 그리고 표면에 존재하는 분자들은 세포의 인지 과정에서 중요한 역할을 하고, 다른 단백질은 호르몬과 같은 화학 신호 전달자에 대한 수용체로 작용합니다. 식물 또는 동물 호르몬은 특이한 인지 부위에 결합할 것입니다. 일단 호르몬이 그 부위에 오면 호르몬-수용체 복합쳬는 그 호르몬에 대한 특이한 반응을 유발시키는 작용을 시작합니다.
사람의 체내에서 세포 인지(즉 우리의 세포가 다른 세포를 식별하고 상호작용 할 수 있는 능력)는 면역쳬계의 작용에 매우 중요합니다. 이 면역체계는 병원체, 즉 외래 분자의 존재에 반응합니다. 세포 인지는 다른 세포에 있는 특정한 세포 표면단백질, 탄수화물 또는 다른 분자를 식별하는 특이한 막 인지 부위에 의해 일어납니다. 예를 들어 면역체계의 세포인 백혈구에서 표면 인지 부위는 백혈구가 체내의 다른 세포를 인지할 수 있도록 하여 다른 세포의 공격에 대한 방어 메카니즘을 작동시킵니다. 흥미롭게도 백혈구는 암이나 바이러스에 의해 공격당한 세포의 표면에서 낯선 분자의 존재를 인지할 수 있습니다.
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