[세포생물학] 3.3 : 세포막 단백질(membrane protein)

이번 포스트에서는 세포막을 구성하는 또 다른 주요 성분 중 하나인 세포막 단백질에 대해 알아볼게요.

 

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'세포막 단백질'이라는 이름에서 알 수 있듯이 이 녀석은 세포막에 있는 단백질이에요.

 

 

이 녀석을 제대로 이해하려면 일단 단백질이라는 녀석에 대해 잘 알고 있어야겠죠?

 

 

단백질(protein)은 아미노산(amino acid)이라는 소단위체가 모여서 만들어진 생체 고분자의 일종이에요.

 

위 그림을 보면 자그마한 구슬들이 보일텐데, 이 구슬이 아미노산, 그리고 구슬들이 연결되어서 만들어진 복잡한 모양의 덩어리가 단백질이에요.

 

 

이런 단백질들은 엄~~~~청나게 많은 역할을 수행하는데요.

 

 

세포 내 항상성 유지, 신호전달, 수송 등등 수도 없이 많은 반응에 다 관련되어 있어요.

 

 

그 중 일부, 특별히 세포 막에 붙어있거나, 혹은 박혀있는 단백질을 막단백질(membrane protein)이라고 불러요.

 

 

출처 : Membrane Protein Overview – Creative Biolabs Blog (creative-biolabs.com)

 

 

위 그림에서 분홍색으로 표시된 녀석들이 바로 막단백질들이에요.

 

 

눈썰미가 좋으신 분들이라면 막단백질에도 크게 두 종류가 있구나 하는 것을 캐치하셨을수도 있을 것 같은데요.

 

위 그림 맨 왼쪽에 나온 단백질처럼 아예 막을 관통하고 있는 녀석을 transmembrane protein이라고 불러요.

 

 

아니, 그럼 저기 그림에 나와있는 integral membrane protein이라는 용어는 뭔가요.....

 

 

쉽게 말하자면, integral membrane protein 안에 transmembrane protein이 포함되어 있어요.

 

 

integral protein은 '막과 직접적으로 붙어있는 단백질' 모두를 의미하는 것이기 때문에 아예 막을 관통하지 않더라도 막과 붙어있기만 하면 integral protein이라고 부를 수 있어요. 그 중 특별히 막을 관통하는 녀석을 transmembrane protein이라고 따로 불러주는 거죠.

 

 

반면 위 그림 중간에 나온 단백질처럼 막과 직접적으로는 붙어있지 않고, 겉부분에 그냥 적당히 얹혀져 있는 단백질을 peripheral protein이라고 불러요.

 

 

 

참고로 위 그림 맨 오른쪽에 나와있는 것처럼 지질(lipid)와 직접 결합해있는 단백질도 존재하는데요.

 

이들은 '지질+당 잔기+단백질'의 형태로 존재하는 경우와 '지질+단백질'의 형태로 존재하는 형태로 가장 많이 존재해요.

 

 

(전혀 기억하실 필요는 없지만 혹시나 필요하실 분들이 있을까봐... '지질+당 잔기+단백질'의 형태로 존재하는 녀석들의 경우 이들의 연결 방식에 따라서 다시금 myristoyl anchor, palmitoyl anchor, farnesyl anchor로 나뉘어져요)

 

 

 

이제 다음으로 transmembrane protein, 즉 막관통단백질에 대해 조금 더 자세히 알아볼게요.

 

이 녀석은 막을 몇 번 통과하는지에 따라서 single-pass, multi pass로 다시 나눌 수 있어요.

 

출처 : Cell Membranes: Membrane Proteins SparkNotes

 

 

위 그림의 왼쪽이 single-pass protein, 오른쪽이 multi-pass protein이에요. 직관적으로 감이 오시죠?

 

 

자, 그런데... 이 때 아주 중요한 관찰을 할 수 있어요.

 

 

막의 내부는 결국 뭐로 이루어져 있죠? 인지질, 그 중에서도 인지질의 소수성 꼬리들로 이루어져 있죠?

(기억이 안나신다면 다시 이전 포스트를 참고해주세요ㅎㅎ)

 

 

그런데 단백질이 막을 이렇게 통과한 채로 존재하기 위해서는, 막을 관통하는 부위가 인지질의 소수성 꼬리와 아주 친화적이어야 해요. 그러다 보니 단백질 내에서 막을 관통하는 부위에 해당하는 아미노산들은 거의 대부분 소수성 아미노산이에요.

 

 

아니, 그건 알겠는데 이게 도대체 뭔 의미죠..?

 

출처 : How do transmembrane proteins become transmembrane? - Quora

 

 

요런 의미가 있는데요!

 

ㅋㅋ 이해가 안되는 것이 정상이므로! 자세하게 설명해볼게요.

 

 

앞서 말했듯이 단백질을 쭉~~~ 펴게 되면 아미노산들이 하나하나 연결되어 있어요. 그리고 우리는 발달된 기술을 이용해서 단백질을 구성하는 아미노산 하나하나의 종류를 다 파악할 수 있어요.

 

 

그러면 결국 위 그림 맨 아래에 나타난 것처럼 어떤 부위가 소수성 아미노산들로 구성되어 있는지, 어떤 부위는 그렇지 않은지를 알 수가 있겠죠??? 

 

특히나 한참 소수성 아미노산들로 이루어진 부분이 나오다가, 그렇지 않았다가, 다시 나오다가, 그렇지 않았다가..... 

를 반복한다는 것은 이 녀석이 multi pass여서 막을 여러번 관통한다는 것을 의미해요.

 

 

결과적으로 우리는 아미노산 서열 분석을 통해 특정 막단백질이 single pass인지, multi pass인지, 그리고 multi pass라면 막을 몇 번 관통하는지에 대해 알 수 있다는 거죠.

 

 

이걸 조금 더 우아하게, 그리고 간결하게 보여주는게 바로 위 그림 왼쪽 위에 나오는 hydropathy plot이에요.

 

 

hydropathy plot의 y축은 hydropathy index인데요. 이 녀석의 값이 크면 클수록 아미노산이 더 소수성에 가까움을 의미해요.

 

hydropathy plot을 보는 방법은 정말 간단해요.

 

hydropathy index가 0인 부분을 기준으로 오르락 내리락 하는 graph가 있을 때 몇 번 오르락 하는지를 세 주면 되는거죠. 이 갯수가 곧 transmembrane protein의 막 관통 횟수예요.

 

 

 

넘어가기 전에 참고로 말씀드리자면, 막관통 단백질의 경우 막관통부위의 2차구조가 주로 α-helix로 되어 있는 경우가 많아요. 그런데 이걸 왜 참고로 말씀드리느냐.... 간혹 β-barrel로 된 녀석도 있기 때문이죠.....

 

 

 

 

이제 다음으로 glycoprotein이라는 녀석에 대해 알아볼게요.

 

얘는 무엇이냐... 이름만 들으면 무지막지하게 어려운 녀석일 것 같지만,, 그렇지는 않고요 ㅋㅋ

 

glycoprotein은 glyco + protein의 합성어예요. 다시 말해 당과 단백질이 합쳐져 있는 녀석이죠.

 

앞서 지질과 단백질도 합쳐질 수 있다고 했으니 당과 단백질이라고 해서 못 합쳐질 이유는 없겠죠?

 

 

그런데 glycoprotein, 그 중에서도 막에 존재하는 glycoprotein에는 엄청나게 중요한 특징이 있어요.

 

 

바로 glycoprotein은 세포 바깥쪽 방향에만 존재한다는 거예요.

 

아니 이게 뭔소립니까....

 

 

위 그림을 보시면 위쪽에만 glycoprotein이 있는걸 확인하실 수 있을 거에요.

 

이 때 위 그림상의 위쪽이 바로 세포막의 바깥쪽 방향이에요. 즉 세포 안쪽 내용물이 아닌, 세포 바깥쪽의 내용물을 향한 쪽에만 glycoprotein이 존재하는 거죠.

 

 

그럼 왜 이런 일이 발생하는걸까요?

 

 

출처 : Kuzmanov, U., Kosanam, H., & Diamandis, E. P. (2013). The sweet and sour of serological glycoprotein tumor biomarker quantification.  BMC medicine ,  11 (1), 1-14.

 

위 그림에서 검은색으로 그려진 포도송이 모양의 작은 점박이들이 당인데요.

 

막단백질에 처음 당이 붙는 공간은 소포체(ER, endoplasmic reticulum)예요. 그런데 이 때 소포체의 안쪽 방향으로 삐져나온 막단백질 부분에 당이 붙어요.

 

 

자, 그러면 이 상태로 골지제로 수송되고, 소포(vesicle)로 운반될 때 까지는 단백질에 붙은 당이 계속 안쪽을 향하고 있겠죠?

 

 

그런데 이 녀석이 바깥쪽 세포막과 융합되는 순간! 전세가 역전되는거죠.

 

위 그림 맨 위쪽과 같이 동그란 알갱이가 세포막에 자연스럽게 함입되는 과정을 상상해 보시면 어렵지 않게 이해되실 것 같아요. 아무튼 이런 전세 역전에 의해 계속 안쪽을 바라보고 있던 당 부분이 이제는 세포 바깥쪽을 향해 있게 되는거죠.

 

 

이런 이유 때문에 세포막 중 세포 바깥쪽을 향한 부분에서만 당단백질이 발견된다고 이해하시면 될 것 같아요. (참고로 당지질도 동일한 이유에 의해 세포 바깥쪽 막에만 존재해요)

 

 

그래서 실제로 당 잔기 부분을 염색하는 방법을 이용해 세포를 염색해 보면 세포 바깥에만 존재하는 당단백질, 당지질 등에 의해 세포 바깥쪽 부분만 아래와 같이 검게 염색되는 걸 볼 수 있어요.

 

출처 : Membrane proteins (slideshare.net)

 

이 때 당에 의해 만들어지는 이러한 세포 바깥쪽의 층을 carbohydrate layer(glycocortex)라고 불러요.

 

 

참고로 이런 carbohydrate layer는 세포의 기능과 밀접하게 관련되어 있는데요. 이와 관련한 내용을 주로 연구하는 glycobiology라는 분야도 있어요.

 

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이번 포스트에서는 기본적인 막단백질의 개념, 종류를 알아보았고, 그 뒤에 당단백질에 대한 내용을 알아봤어요.

 

 

다음 포스트에서는 막단백질의 분리와 정제, 그리고 막단백질의 막유동성에 대해 알아보도록 할게요!