10과 테스트 문항 — Membrane Structure
추론 문제 (Q1–Q5)
Q1. 특정 유전 질환 환자에서 Flippase(ATP 의존성 aminophospholipid translocase) 유전자에 기능 상실(loss-of-function) 돌연변이가 확인되었다. 이 환자 세포에서 예상되는 현상으로 가장 타당한 것은?
① PE와 PS가 outer leaflet에서 cytosolic leaflet으로 과잉 수송되어 세포막 비대칭성이 오히려 강화된다.
② Glycolipid가 cytosolic leaflet에 비정상적으로 축적된다.
③ PS가 세포 표면에 노출되어 대식세포(macrophage)에 의한 식균작용이 촉진된다.
④ 세포막 유동성이 감소하여 막단백질의 lateral diffusion이 억제된다.
⑤ PS의 net negative charge가 소실되어 세포막이 전기적으로 중성화된다.
Q2. 어떤 연구자가 sphingolipid의 포화 지방산 사슬을 cis-double bond가 다수인 불포화 지방산 사슬로 대체하는 유전자를 도입한 세포를 제작하였다. 이 세포에서 예상되는 변화로 가장 타당한 것은?
① 불포화 사슬의 kink 구조가 더 많은 콜레스테롤과의 결합을 유도하여 lipid raft 형성이 촉진된다.
② Sphingolipid-rich ordered phase(lipid raft)의 안정성이 증가한다.
③ GPI-anchored 단백질이 lipid raft에 집중되는 정도가 감소한다.
④ 세포막의 flip-flop 빈도가 증가하여 비대칭성이 빠르게 파괴된다.
⑤ 세포막 두께가 증가하여 transmembrane α-helix 삽입이 용이해진다.
Q3. 세포 신호전달 중 phospholipase C(PLC)가 활성화되어 세포막 cytosolic leaflet의 PIP₂에서 inositol head group을 절단하였다. 이 반응이 세포막 형태에 미치는 직접적인 효과로 가장 타당한 것은?
① Head group이 제거되어 lipid의 부피 비율이 hydrophilic head > hydrophobic tail이 되므로 micelle 형성이 촉진된다.
② Head group 제거로 지질이 cylinder shape에 가까워져 bilayer 안정성이 증가한다.
③ Head group이 작아진 지질이 cytosolic leaflet에 축적되어 해당 부위에 음의 곡률(negative curvature)이 유도된다.
④ 음전하 head group 소실로 PS가 outer leaflet으로 이동하여 apoptosis 신호가 활성화된다.
⑤ Cytosolic leaflet의 유동성이 감소하여 막단백질의 rotational diffusion이 억제된다.
Q4. 특정 종양에서 Ras 단백질이 과활성화되어 있다. 이를 억제하기 위해 farnesyl transferase inhibitor(FTI)를 투여하였을 때, Ras 신호전달이 억제되는 근본적인 이유로 가장 타당한 것은?
① Farnesyl이 없으면 Ras 단백질의 GTP 결합 부위가 파괴되어 활성 상태로 전환되지 못한다.
② Farnesyl이 없으면 Ras 단백질의 번역 후 수정(post-translational modification)이 전혀 일어나지 않아 단백질이 분해된다.
③ Farnesyl이 없으면 Ras 단백질이 세포막에 anchor되지 못하여 GEF(guanine nucleotide exchange factor)와의 상호작용이 불가능해진다.
④ Farnesyl이 없으면 Ras 단백질이 핵 안으로 이입되어 전사인자로 기능이 전환된다.
⑤ Farnesyl이 없으면 Ras 단백질이 과도하게 outer leaflet에 집중되어 신호가 억제된다.
Q5. 세포에 apoptosis 자극이 주어진 후 다음과 같은 현상이 순차적으로 관찰되었다.
(가) Flippase 활성이 점진적으로 감소하였다.
(나) 세포막의 PS 비대칭성이 소실되어 PS가 outer leaflet에 노출되었다.
(다) 대식세포(macrophage)가 접근하여 해당 세포를 포식하였다.
이에 대한 해석으로 옳은 것은?
① (가)는 (나)의 결과이다 — PS가 outer leaflet으로 이동하면 flippase 활성이 자동으로 억제된다.
② (나)는 flippase 억제만으로 설명이 불충분하며, Ca²⁺ 등에 의해 활성화된 scramblase의 양방향 flip-flop도 비대칭성 소실에 기여한다.
③ (다)에서 macrophage는 세포막 내측(cytosolic leaflet)에 있는 PS를 직접 인식하여 phagocytosis를 수행한다.
④ PS가 outer leaflet에 노출되면 세포 생존 신호(survival signal)가 되어 macrophage가 접근을 회피한다.
⑤ Flippase가 억제되면 scramblase 활성과 무관하게 PS가 즉시 outer leaflet으로 대량 이동한다.
5지선다 (Q6–Q25)
Q6. 지질 이중층에서 flip-flop에 관한 설명으로 옳은 것은?
① Lateral diffusion과 유사한 속도(~10⁷/sec)로 일어나 막 유동성의 주된 기여 인자이다.
② Head group이 소수성 core를 통과해야 하므로 에너지적으로 불리하여 자발적 flip-flop은 수 시간 단위로 매우 드물다.
③ Cholesterol은 head group이 없으므로 flip-flop이 원천적으로 불가능하다.
④ Scramblase는 ATP를 소모하여 PS를 특이적으로 outer leaflet에서 inner leaflet으로 이동시킨다.
⑤ Flippase는 양방향 flip-flop을 촉진하여 비대칭성을 파괴한다.
Q7. 콜레스테롤의 세포막 유동성 조절에 관한 설명으로 옳은 것은?
① 고온에서는 hydrocarbon chain 이동성을 증가시키고, 저온에서는 결정화를 유도한다.
② 고온에서는 hydrocarbon chain 이동성을 제한하고, 저온에서는 결정화를 방지하여 유동 상태를 유지한다.
③ 고온과 저온 모두에서 유동성을 증가시키는 양방향 촉진제 역할을 한다.
④ Hydrocarbon chain과 공유결합을 형성하여 구조를 물리적으로 고정한다.
⑤ Phospholipid의 cis-double bond와 동일한 원리로 kink를 형성하여 유동성을 높인다.
Q8. 인간 적혈구(RBC) 세포막의 지질 비대칭 분포에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
① Phosphatidylcholine(PC)은 주로 outer(noncytosolic) leaflet에 분포한다.
② Phosphatidylserine(PS)은 cytosolic leaflet에 집중되며, 세포막 주요 지질 중 유일하게 net negative charge를 가진다.
③ Glycolipid는 noncytosolic monolayer에만 독점적으로 분포하여 지질 비대칭의 가장 극단적인 예이다.
④ Sphingomyelin(SM)은 주로 outer leaflet에 분포하며 콜레스테롤과 함께 lipid raft 형성에 관여한다.
⑤ Phosphatidylethanolamine(PE)은 outer leaflet에 집중되어 있으며, flippase에 의해 inner leaflet으로 능동 수송된다.
Q9. Hydropathy plot을 이용한 막횡단 영역 예측의 한계에 관한 설명으로 옳은 것은?
① β-barrel 막횡단 단백질에서는 각 strand의 모든 아미노산이 소수성이므로 뚜렷한 양의 peak가 나타난다.
② Pore를 형성하는 amphiphilic α-helix는 한쪽 면에만 소수성 아미노산이 분포하므로 hydropathy plot으로 TM helix 수를 정확히 예측할 수 없다.
③ 막을 완전히 횡단하지 않는 partial membrane insertion 영역도 hydropathy plot으로 정확히 구분된다.
④ 인접한 여러 α-helix가 채널을 이루는 경우 각 helix의 모든 아미노산이 소수성이어야 하므로 peak 계산이 용이하다.
⑤ Hydropathy plot은 모든 유형의 막단백질에서 막횡단 segment 수를 정확히 예측한다.
Q10. Membrane protein을 구조적 기능을 보존한 채로 지질 이중층에서 가용성 형태로 분리하고자 할 때 가장 적합한 detergent는?
① SDS — 이온성, 단백질을 선형으로 풀어 가장 완전한 가용화 실현
② Triton X-100 — 비이온성이지만 단백질을 insoluble pellet에서 완전히 꺼내기 어려워 검출 불가
③ β-octylglucoside — 비이온성, 막단백질을 가용성으로 만들면서 3차구조를 잘 보존
④ Urea — 카오트로픽 시약, 막 이중층 파괴에 특화
⑤ Sodium carbonate — 알칼리 처리, 모든 막단백질을 3차구조 보존 상태로 분리
Q11. Frye-Edidin 실험(1970)에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 마우스 세포(초록 형광 표지)와 인간 세포(빨강 형광 표지)를 융합하여 heterokaryon을 만들었다.
② 37°C에서 40분 후 두 세포 유래 막단백질이 완전히 혼합되었다.
③ 이 실험은 막단백질의 lateral diffusion을 직접 입증하였다.
④ 4°C에서 실험하면 단백질 혼합이 일어나지 않아 막단백질 이동의 온도의존성을 확인할 수 있다.
⑤ 형광 표지 지질 분자를 광표백한 후 회복 속도를 측정하여 flip-flop 속도를 정량적으로 산출하였다.
Q12. Lipid raft에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
① Sphingolipid의 포화 지방산 사슬이 밀착 packing을 가능하게 하여 raft 형성에 유리하다.
② Cholesterol이 sphingolipid-rich ordered phase를 안정화한다.
③ GPI-anchored 단백질이 lipid raft에 농축되는 경향이 있다.
④ 살아있는 세포에서 lipid raft는 영구적이고 안정적인 구조로 유지된다.
⑤ 신호전달 단백질의 집중을 통해 세포 외 신호의 세포 내 변환 효율을 높인다.
Q13. Glycolipid에 관한 설명으로 옳은 것은?
① 세포막 지질 성분 중 가장 높은 비율을 차지하며 구조적 골격을 형성한다.
② Cytosolic leaflet과 noncytosolic leaflet 양쪽에 균등하게 분포한다.
③ Golgi lumen에서 sugar group이 추가되며, 세포 인식과 신호 수용체 기능을 담당한다.
④ Glycerol을 전구체로 하며 sphingolipid와는 전구체가 완전히 다르다.
⑤ 모든 glycolipid는 전기적으로 중성이어서 세포막 표면 전하에 기여하지 않는다.
Q14. 세포막 단백질의 당화(glycosylation)와 disulfide bond 형성 위치에 관한 설명으로 옳은 것은?
① Sugar residue는 Golgi에서만 추가되며, cytosolic domain의 아스파라긴 잔기에도 부착될 수 있다.
② Disulfide bond는 세포막 단백질의 cytosolic domain에서도 형성된다.
③ Oligosaccharide chain은 항상 membrane의 noncytosolic side에 위치하며, disulfide bond도 동일하게 noncytosolic surface에만 형성된다.
④ Cytosol은 산화 환경(oxidizing environment)이어서 sulfhydryl group이 쉽게 disulfide bond를 형성한다.
⑤ Sugar residue는 ER lumen에서 1차로 추가된 후 Golgi에서는 가공 없이 그대로 유지된다.
Q15. Transmembrane β-barrel 단백질에 관한 설명으로 옳은 것은?
① 진핵세포의 plasma membrane에 주로 존재하며 막 횡단에 20–30개의 아미노산이 필요하다.
② 모든 β-strand 아미노산이 소수성이어야 하므로 hydropathy plot으로 TM strand 수를 쉽게 예측할 수 있다.
③ 격번(every other) 아미노산의 side chain만 소수성이면 되며, 10개 이하의 아미노산으로 막 횡단이 가능하다.
④ 단일 β-strand로 구성되며, rolled-up 구조를 이루지 않는다.
⑤ 주로 ER과 Golgi membrane에 존재하며 지질 수송을 담당한다.
Q16. 막횡단 α-helix의 구조 및 특성에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
① 약 20–30개의 소수성 아미노산으로 구성되어 lipid 환경에서 안정적으로 삽입된다.
② Pore를 형성하는 amphiphilic helix는 한쪽 면이 친수성, 반대쪽이 소수성으로 구성된다.
③ Pore를 형성하는 채널 단백질에서도 hydropathy plot으로 TM helix의 정확한 수를 예측할 수 있다.
④ Peptide bond 자체는 극성이지만, 아미노산 side chain의 소수성으로 인해 lipid 환경에 삽입 가능하다.
⑤ 여러 helix가 채널을 이룰 때, 서로 맞닿는 내부 면은 반드시 소수성일 필요가 없다.
Q17. 인간 적혈구(RBC)의 cortical cytoskeleton에 관한 설명으로 옳은 것은?
① Spectrin 망상구조가 세포막 바로 외부(extracellular side)에 존재하여 세포 형태를 지지한다.
② Cortical cytoskeleton에 의한 coralling으로 막단백질이 영구적으로 고정되어 이동이 완전히 불가능하다.
③ Spectrin의 탄성으로 RBC가 좁은 모세혈관을 통과한 후 원래 형태를 회복할 수 있다.
④ Cortical cytoskeleton은 outer leaflet의 지질 확산만 제한하며 막단백질 이동에는 영향을 주지 않는다.
⑤ Hop diffusion이란 막단백질이 cortical cytoskeleton에 의해 한 구역에 완전히 고정되어 다른 구역으로 이동하지 못하는 현상이다.
Q18. 상피세포(epithelial cell)의 막단백질 domain 제한에 관한 설명으로 옳은 것은?
① Apical 표면과 basolateral 표면 사이에는 막단백질 이동을 제한하는 구조가 없어 단백질이 자유롭게 이동한다.
② Tight junction은 outer(noncytosolic) lipid monolayer뿐만 아니라 inner(cytosolic) monolayer의 지질 확산도 완전히 차단한다.
③ Tight junction은 outer lipid monolayer의 지질 확산을 제한하지만, inner monolayer의 지질은 자유롭게 확산될 수 있다.
④ Tight junction은 막단백질의 이동을 제한하지 않으므로 지질 비대칭성만 유지된다.
⑤ Outer와 inner monolayer의 지질 모두 tight junction에 의해 동일하게 도메인이 격리된다.
Q19. 수용액에서 amphiphilic 분자의 자발적 배열과 bilayer의 물리적 특성에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
① Hydrophobic tail이 수용액에 노출되면 인접 수분자가 icelike cage 구조로 재배열되어 엔트로피가 감소한다.
② Cone-shaped 분자(예: detergent)는 micelle을, cylinder-shaped 분자(예: phospholipid)는 bilayer를 형성한다.
③ 소수성 분자들이 clustering하면 cage 구조가 해제되어 water molecule의 엔트로피가 증가한다.
④ Bilayer에 tear(찢어짐)가 발생하면 free edge의 소수성 tail 노출이 에너지적으로 불리하므로, 이 tear를 봉합하는 반응은 열역학적으로도 불리하다.
⑤ Micelle과 bilayer 형성 모두 hydrophobic association에 의해 수용액에서 자발적으로 일어난다.
Q20. 대장균(E. coli) 세포막의 지질 조성에 관한 설명으로 옳은 것은?
① 콜레스테롤이 주요 성분으로 막 유동성을 완충하며, 전체 지질의 약 17%를 차지한다.
② Sphingomyelin이 주요 지질 성분으로 lipid raft를 안정적으로 유지한다.
③ Phosphatidylcholine(PC)이 지질의 대부분을 차지하며 bilayer의 주요 골격을 이룬다.
④ Phosphatidylethanolamine(PE)이 전체 지질의 약 70%를 차지하며, 콜레스테롤은 존재하지 않는다.
⑤ Glycolipid가 약 30%를 차지하여 세포 표면 인식 기능을 담당한다.
Q21. GPI-anchored 단백질에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
① Oligosaccharide linker를 통해 phosphatidylinositol에 부착된다.
② Noncytosolic leaflet(outer surface)에 위치한다.
③ Lipid raft에 농축되는 경향이 있다.
④ 신호전달 수용체로 기능하는 경우가 있다.
⑤ Transmembrane domain을 통해 bilayer를 횡단하므로 cytosolic signal 전달이 직접 가능하다.
Q22. 막 굽힘(membrane bending) 단백질의 작용 기전으로 제시되지 않은 것은?
① 단백질의 소수성 domain을 bilayer의 한 leaflet에 삽입하여 비대칭적인 부피를 유발한다.
② F-BAR domain이 rigid scaffold를 형성하여 막을 구부린다.
③ 큰 head group을 가진 지질(예: sphingomyelin)에 결합하여 clustering을 유도한다.
④ Phospholipase가 PIP₂의 head group을 제거하여 음의 곡률(negative curvature)을 유도한다.
⑤ Actin 중합을 통해 세포막 양측에 균등한 외향력을 제공하여 막 표면을 평평하게 유지한다.
Q23. 지질 앵커(lipid anchor)를 통한 막 결합에 관한 설명으로 옳은 것은?
① Palmitoylation은 비가역적 수정이어서 일단 앵커된 단백질은 세포막과 영구히 결합한다.
② GPI anchor는 cytosolic side에서 phosphatidylinositol에 직접 결합하여 단백질을 inner leaflet에 고정한다.
③ Lipid-anchored 단백질은 반드시 TM α-helix를 통해 bilayer를 완전히 횡단한다.
④ Farnesylation 또는 geranylgeranylation 없이는 Ras, Rho 등 소분자 GTPase가 세포막에 결합하지 못하여 기능을 발휘할 수 없다.
⑤ Prenylation된 단백질은 세포막 outer leaflet에 위치하여 extracellular signal을 수용한다.
Q24. 세포막 단백질과 지질의 비(ratio) 및 게놈 내 막단백질 비율에 관한 설명으로 옳은 것은?
① 세포막의 단백질:지질 질량비는 약 1:10으로 지질이 압도적으로 많다.
② 단백질:지질 질량비 ≈ 1:1이며, 이 비율에서 단백질 1개당 약 50개의 지질 분자가 존재한다.
③ Myelin membrane은 단백질 비율이 매우 높아 전기 절연 효율을 높인다.
④ 전체 게놈이 코딩하는 단백질의 약 10%가 막단백질이다.
⑤ 단백질이 지질보다 분자량이 작기 때문에 질량비 1:1에서도 단백질 분자 수가 지질보다 많다.
Q25. Hydropathy plot으로 Glycophorin과 Bacteriorhodopsin을 분석할 때 예상되는 결과로 옳은 것은?
① Glycophorin: 뚜렷한 양의 peak 7개, Bacteriorhodopsin: peak 1개
② Glycophorin: peak 1개, Bacteriorhodopsin: peak 7개
③ 두 단백질 모두 β-barrel이므로 hydropathy plot으로 TM segment 수를 예측할 수 없다
④ Glycophorin: peak 없음(peripheral protein), Bacteriorhodopsin: peak 1개
⑤ 두 단백질 모두 amphiphilic helix로 구성되어 각각 peak가 검출되지 않는다
OX 퀴즈 (Q26–Q40)
Q26. 지질 이중층에서 lateral diffusion의 속도는 flip-flop보다 훨씬 빠르며, lateral diffusion은 ~10⁷회/초 수준으로 일어난다.
⬜ O ⬜ X
Q27. Glycolipid는 세포막 양측 leaflet에 균등하게 분포하여 세포막 비대칭성이 상대적으로 낮다.
⬜ O ⬜ X
Q28. 콜레스테롤은 고온에서 세포막 유동성을 낮추고, 저온에서 결정화를 방지하는 버퍼 역할을 한다.
⬜ O ⬜ X
Q29. SDS는 막단백질을 세포막에서 분리하면서도 3차구조를 보존하므로, 막단백질의 구조적·기능적 연구에 가장 적합한 detergent이다.
⬜ O ⬜ X
Q30. 세포막을 구성하는 주요 phospholipid 중 PS(phosphatidylserine)만이 net negative charge를 가진다.
⬜ O ⬜ X
Q31. β-barrel transmembrane 단백질의 막 횡단 β-strand에서는 모든 아미노산의 side chain이 소수성이어야 한다.
⬜ O ⬜ X
Q32. 상피세포에서 tight junction은 outer(noncytosolic) lipid monolayer의 지질 확산을 제한하지만, inner(cytosolic) monolayer의 지질은 자유롭게 확산될 수 있다.
⬜ O ⬜ X
Q33. GPI-anchored 단백질은 cytosolic leaflet 쪽에 위치하며, 세포질 내 신호전달 분자와 직접 상호작용한다.
⬜ O ⬜ X
Q34. 단세포 생물이 저온에 노출되면 cis-double bond가 더 많은 지방산을 합성하여 세포막 유동성을 유지한다.
⬜ O ⬜ X
Q35. 살아있는 세포에서 lipid raft는 sphingolipid와 콜레스테롤 사이의 강한 공유결합으로 고정된 영구적 구조이다.
⬜ O ⬜ X
Q36. Scramblase는 ATP를 소모하여 PS를 특이적으로 outer leaflet에서 inner leaflet으로 이동시키고, Flippase는 ATP 없이 양방향 flip-flop을 촉진한다.
⬜ O ⬜ X
Q37. Pore를 형성하는 amphiphilic TM α-helix를 가진 채널 단백질에서는 hydropathy plot으로 정확한 막횡단 helix 수를 예측할 수 없다.
⬜ O ⬜ X
Q38. 세포막 단백질의 disulfide bond는 noncytosolic surface에만 형성되는데, 이는 cytosol이 reducing environment이기 때문이다.
⬜ O ⬜ X
Q39. Hop diffusion이란 막단백질이 cortical cytoskeleton에 의해 특정 구역에 영구히 고정되어 어떠한 이동도 불가능한 현상이다.
⬜ O ⬜ X
Q40. 지질 이중층은 자가봉합(self-sealing) 특성을 가지므로, 찢어짐(tear)이 발생하면 자발적으로 sealed compartment를 형성한다.
⬜ O ⬜ X