[생화학] 10.3 : 수동수송(passive transport)

 

 

이번 포스트에서는 수동수송(passive transport)의 대표적 예시들에 대해 알아보자.

 

 

처음으로 알아볼 예시는 glucose transporter임.

 

 

 

 

위 그림에는 human이 가지고 있는 glucose transporter의 일종인 GLUT1이 나타나 있음. 이 때 blood plasma의 Glucose 농도는 높은 반면 cytosol의 glucose 농도는 낮으므로(cytosol에서는 glucose가 들어오는 족족 바로 소모되어버리므로 당연히 낮은 농도로 존재하고 있을 것) down chemical gradient를 따라 facilitated diffusion되게 될 것임. (이 때 chemical gradient인 이유는 glucose molecule이 일반적으로 uncharged되어있기 때문임)

 

 

 

이 때, GLUT1은 T1, T2의 2가지 conformation을 가질 수 있음. 보면 우선 바깥에 있는 S가 T1 상태의 GLUT1과 붙고, 이후 conformational change에 의해 T1이 T2로 바뀌면서 GLUT1이 inward를 바라보고 있게 됨. 이후 S는 inside로 방출되고 T2는 다시 T1으로 바뀌게 됨.

 

위 과정을 보면 enzyme의 작용과 상당히 유사하다는 것을 알 수 있음. 다만 enzyme에서와는 다르게 이 경우 반응이 모두 reversible함.

 

 

그러므로 세포외 glucose 농도에 따라 위와 같은 graph를 그릴 수 있음. 이 때 마치 효소에서 했던 것처럼 Km과 비슷한 개념인 Kt(Ktransport)를 구할 수도 있는데, 이 값을 대략적으로 구해보면 6mM정도가 나옴. 한편 위 graph를 보면 알 수 있는 것처럼 saturation이 이루어지기 전까지는 glucose가 GLUT1에 의해 계속 더 많이 수송되는 것이 가능함.

 

 

 

위 그림은 GLUT1 수송과 관련된 이중역수 plot이므로 참고할 것.

 

한편 GLUT1은 stereochemical specificity를 가짐. 그렇기에 이 녀석은 D-glucose만 잘 받아들임. 예를 들어 D-glucose와 비슷하게 생긴 D-mannose, D-galactose와 같은 녀석은 Kt가 훨씬 더 커지게 되어 수송이 잘 이루어지지 않는 것을 알 수 있음. 그 밖에, D-glucose가 아닌 L-glucose의 경우 거의 Kt가 100배 이상 커지게 되어 수송이 거의 이루어지지 않는 것을 알 수 있음.

 

 

 

위 그림의 (a)에는 실제 GLUT1의 구조가 나타나 있음. 보면 12개의 transmembrane domain이 있으며, 이 경우에도 바깥쪽에 주로 charged amino acid가 분포해있음을 알 수 있음. 한편 이 경우 흥미롭게도 막 관통부위 가운데에 hydrophobic한 amino acid뿐 아니라 polar amino acid도 어느 정도 존재하고 있음을 알 수 있음. 이들 polar amino acid들은 실제로는 (c)와 같이 glucose가 통과하는 통로에서의 벽면을 구성하는 역할을 함. 한편 그 바깥쪽에는 hydrophobic한 amino acid들이 분포하고 있으며 이들이 membrane상에서 이 protein이 안정하게 박힌채로 존재할 수 있도록 도와줌.

 

 

실제로 (b)를 보면 하나의 α helix를 봤을 때 한쪽 면에는 hydrophobic한 amino acid들이(노랑), 나머지 한쪽 면에는 hydrophilic한 amino acid들이(파랑) 분포해 있음을 알 수 있음. 이런 directional한 특성들이 모여서 (c)와 같은 구조를 이루게 되는 것임.

 

 

참고로 GLUT1의 경우 T2 state에서의 structure만 알려져 있는 상태임. 그 구조가 (d)에 나타나 있는데, 보면 out 부분은 closed되어있는 반면 in 부분은 open되어있다는 것을 확인할 수 있음.

 

 

 

 

위 그림은 GLUT1의 작동 과정을 정리한 것임. 이 때 outside에 있는 D-glucose를 S1이라 하고, inside로 들어온 D-glucose를 S2라 함. 이 때 S1, S2는 position상의 차이만 있을 분 실질적으로는 같은 D-glucose임.

 

 

 

 

한편, GLUT1 이외에도 많은 GLUT들이 있음. 그 중 또 다른 한 예로 muscle과 adipocyte의 막에서 작용하는 GLUT4가 있음.

 

 

 

흥미롭게도 GLUT4는 위 그림에도 나타나 있는 것처럼 자극이 없을 때는 세포 내의 vesicle에 박혀서 존재하고 있음. 그런데 insulin이 insulin receptor에 인식되어서 signal transduction이 이루어지게 되면 그 결과 vesicle이 membrane과 fusion되면서 GLUT4가 세포 막에 위치하게 되고 glucose uptake가 일어나게 됨. (그러므로 이 transport를 insulin-dependent glucose transport라 볼 수 있음) 한편 insulin 신호가 끊길 시 GLUT4는 다시 endocytosis되어 vesicle 형태가 되고, 이 vesicle들은 더 큰 endosome과 합쳐져서 store된 채로 존재하게 됨.

 

 

 

 

다음으로 살펴볼 passive transport의 예시는 bicarbonate transporter임.

 

 

 

 

세포 내에서의 세포호흡의 결과물로 나오는 것 중 하나가 바로 CO2인데 이 carbon dioxide는 위와 같은 과정을 거쳐서 lung으로 운반 및 배출되게 됨.

 

 

우선 위 그림에 나타나 있는 것처럼 CO2는 RBC로 simple diffusion됨. 이 때 CO2는 상당히 soluble하기 때문에 RBC 내에서 물과 작용해서 HCO3-가 될 수 있음. 이 반응은 그냥도 빠르지만, carbonic anhydrase에 의해 catalyze되어 더 빨라지게 됨. 참고로 이 반응의 결과 H+도 생성되게 되므로 결국 이 반응은 혈중 pH를 조절하는데 있어 굉장히 중요할 수 있는 반응임.

 

한편 이렇게 만들어진 HCO3-는 RBC 내에서 수송되기도 하지만 더 빠른 lung으로의 수송을 위해 RBC 밖으로 나가기도 하는데 이 때 쓰이는 것이 바로 chloride-bicarbonate exchange protein임. 이 protein을 통해서는 bicarbonate와 함께 Cl-가 antiport를 통해 공수송됨. 이 때 bicarbonate, chloride ion 둘 다 농도구배에 순행해서 이동하는 것이고, 이들의 운송에 따라 세포 내외로 어떠한 charge 변화도 일어나지 않기 때문에(둘 다 -1가이므로 이 exchange는 electroneutral함) 결과적으로 이들 수송은 passive transport라 볼 수 있음. (참고로 이 때의 bicarbonate transporter를 anion exchanger로도 볼 수 있음)

 

 

한편 lung에서는 위 그림 아래에 표현된 것과 같은 일이 일어남. 보면 앞서와 동일한 anion exchanger에 의해 이번에는 bicarbonate가 RBC 내로 들어오고 chloride ion은 세포 외로 나가게 됨. (이 과정도 농도 구배에 따라 일어남) 이후 세포 내로 들어온 bicarbonate는 carbonic anhydrase에 의해 다시 CO2로 바뀌게 되고 이 녀석은 RBC 바깥으로 simple diffusion되어서 나가버리게 됨.

 

 

 

다음 포스트부터는 능동수송(active transport)에 대해 알아보자.