Phospholipid

Phospholipid는 세포막의 가장 풍부한 lipid로, Major lipids in cell membrane의 주요 성분이다. 모든 phospholipid는 Amphiphilic molecule이며,¹ polar head group (phosphate group 포함)과 두 개의 hydrophobic hydrocarbon tail을 가진다.

구조적 특징

공통 구조 요소

모든 phospholipid는 다음 특징을 공유한다:

Head group:

• Polar (hydrophilic) 특성
• Phosphate group 포함
• 다양한 chemical group이 phosphate에 결합 가능

Hydrocarbon tail:

• 주로 fatty acid로 구성 (동물, 식물, 세균 세포에서)
• 보통 두 개의 tail
• 길이: 일반적으로 14-24 carbon atom 포함
• Saturation 정도 다양

Fatty Acid Tail의 특성

위 그림은 phosphatidylcholine의 구조를 다양한 형태로 보여준다:

• (A) 화학식
• (B) Space-filling model
• (C) 개략도
• (D) 기호 표현

Tail의 구성:

1. 한 tail: 종종 하나 이상의 cis-double bond 포함 (unsaturated)
2. 다른 tail: Double bond 없음 (saturated)

cis-Double bond의 효과:

• 각 cis-double bond가 tail에 kink 생성
• Phospholipid molecule끼리 pack하는 방식에 영향
• Membrane의 fluidity 영향

Phospholipid의 주요 클래스

Phospholipid는 backbone 구조에 따라 두 가지 주요 subclass로 나뉜다:

1. phosphoglyceride
2. Sphingolipid

phosphoglyceride

sphingolipid보다 더 유동적이다

Backbone: Glycerol

• 3-carbon glycerol backbone
• 대부분의 동물 세포막에서 주요 phospholipid

구조:

1. Glycerol의 인접한 두 carbon atom에 두 long-chain fatty acid가 ester bond로 연결
2. Glycerol의 세 번째 carbon atom에 phosphate group 부착
3. Phosphate group이 여러 type의 head group 중 하나에 연결

다양성: 여러 다른 fatty acid와 head group을 결합하여:

• 세포가 많은 다른 phosphoglyceride를 만듦
• 각각 고유한 특성과 기능

주요 phosphoglyceride

위 그림은 포유류 plasma membrane의 네 가지 주요 phospholipid를 보여준다. (A-C)는 phosphoglyceride이고, (D)는 sphingolipid이다.

1. Phosphatidylethanolamine

• 포유류 세포막에서 가장 풍부한 phospholipid 중 하나
• Terminal primary amino group 보유
• 전기적으로 중성: 한 개의 positive charge와 한 개의 negative charge
• Physiological pH에서

**2. Phosphatidylserine

• 포유류 세포막에서 가장 풍부한 phospholipid 중 하나
• Terminal primary amino group 보유
• 유일하게 net negative charge 보유²
• 이 negative charge는 중요한 기능적 의미를 가짐 (후술)

3. Phosphatidylcholine

• 포유류 세포막에서 가장 풍부한 phospholipid 중 하나
• Choline group 포함: (CH₃)₃N⁺CH₂CH₂OH
• 전기적으로 중성: 한 개의 positive charge와 한 개의 negative charge

포유류 세포막 조성: Phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine이 함께:

• 포유류 세포막 lipid 질량의 상당 부분 구성
• Sphingomyelin과 함께 절반 이상 차지

Sphingolipid

Sphingolipid가 덜 유동적인 이유 - gemini

• 스핑고신 골격 자체의 포화도: 스핑고신 골격 부분(탄소 사슬) 자체가 이미 매우 긴 포화 탄화수소 사슬을 가지고 있습니다.
• 구조적 직선성: 글리세로인지질은 글리세롤에 지방산 2개가 달려 있어 구조가 전반적으로 쐐기(Wedge) 형태를 띠기 쉽지만, 스핑고지질은 지방산이 1개만 결합하고 골격이 직선형에 가까워 분자끼리 아주 밀착되어 쌓이기(Packing) 좋습니다.
• 강력한 수소 결합: 앞서 언급했듯이, 스핑고지질은 머리 부분에서 강력한 수소 결합을 형성합니다. 설령 꼬리 부분에 불포화 지방산이 조금 섞여 있더라도, 머리 부분에서 단단히 결합하고 있어 전체적인 막의 유동성은 글리세로인지질보다 훨씬 낮게 유지됩니다.

Backbone: Sphingosine

• Glycerol 대신 sphingosine 사용
• Phospholipid의 또 다른 중요한 class

Sphingosine 구조:

• Long fatty acid tail
• 한쪽 끝에 amino group (NH₂)
• 두 개의 hydroxyl group (OH)

Sphingomyelin

위 그림의 (D)는 sphingomyelin을 보여주며, (E)는 sphingosine의 구조를 보여준다.

구조:

1. Amino group에 fatty acid tail 부착
2. Terminal hydroxyl group에 phosphocholine group 부착

중요성:

• 가장 흔한 sphingolipid
• Phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine과 함께
• 포유류 세포막 lipid 질량의 절반 이상 구성

Membrane에서의 배열과 행동

Bilayer 형성

Phospholipid의 amphiphilic 특성과 모양이:

• 수용액에서 자발적으로 bilayer 형성을 유도

메커니즘:

1. Hydrophobic tail의 물 노출 최소화
2. Hydrophilic head의 물 노출 최대화
3. 결과: Lipid bilayer 형성
   • Hydrophobic tail이 두 monolayer 사이에 sandwiched
   • Hydrophilic head group이 양쪽 표면에 위치

Cylinder-shaped molecule: Phospholipid는 일반적으로 cylinder-shaped이다:

• 이 모양이 Micelle 대신 bilayer 형성을 선호하게 함
• Micelle은 cone-shaped amphiphilic molecule이 형성

Lateral Diffusion과 Flip-flop

Lateral diffusion:

• Phospholipid molecule이 monolayer 내에서 빠르게 이웃과 위치 교환
• ~10⁷ times/second
• Fluidity of a lipid bilayer 참조

Flip-flop:

• 한 monolayer에서 다른 monolayer로의 이동
• 매우 드물고 느림 (시간 척도: 수 시간)
• Hydrophilic head group이 bilayer의 hydrophobic core를 통과해야 하기 때문
• Energetically disfavored

기능적 다양성

1. Membrane Fluidity 조절

다양한 fatty acid의 조합:

• Chain 길이
• Saturation 정도 (cis-double bond 수)

이들이 phospholipid molecule끼리 pack하는 방식에 영향:

• Fluidity of a lipid bilayer 조절
• 세포는 온도 변화에 대응하여 fatty acid 조성 조절 가능

위 그림은 hydrocarbon chain의 cis-double bond가 미치는 영향을 보여준다:

• Double bond가 chain끼리 pack하기 어렵게 만듦
• Lipid bilayer를 freeze시키기 더 어렵게 만듦
• Unsaturated lipid의 hydrocarbon chain이 더 spread apart됨
• 결과적으로 unsaturated lipid를 포함하는 bilayer가 더 얇음

2. Protein Recruitment

특정 phospholipid head group이:

• Cytosolic protein의 membrane 결합 site 제공
• Asymmetry of the lipid bilayer 참조

예시: Protein Kinase C (PKC):

• 다양한 extracellular signal에 반응하여 활성화
• Plasma membrane의 cytosolic face에 결합
• Phosphatidylserine이 집중된 곳
• Activity를 위해 negatively charged phosphatidylserine 필요

3. Signaling Molecule 생성

Phospholipase에 의한 절단: Plasma membrane의 phospholipid가:

• Extracellular signal에 의해 활성화된 phospholipase에 의해 절단됨
• Fragment가 short-lived intracellular messenger로 작용

예시: Phospholipase C:

• Plasma membrane의 cytosolic monolayer에서 inositol phospholipid 절단
• 두 개의 fragment 생성:
  1. Membrane에 남아 protein kinase C 활성화 도움
  2. Cytosol로 방출되어 ER로부터 Ca²⁺ 방출 자극

4. Lipid Raft 형성

특정 phospholipid (sphingolipid 등)가:

• Raft domain 형성에 기여
• Cholesterol과 함께 cluster
• Membrane protein 조직화 및 signaling에 중요

sphingosine과 sphingomyelin의 특성

콜레스테롤과 소수성 결합이 좋음. 그래서 sphingolipid와 cholesterol이 모인 lipid raft 형성 fatty chain이 다른 fatty acid 보다 길어서 다른 지질 꼬리와 상호작용해서 lipid raft를 만들기 좋음

5. Asymmetric Distribution

Phospholipid의 비대칭 분포는 기능적으로 중요하다:

Human red blood cell 예:

• Outer monolayer: Phosphatidylcholine과 sphingomyelin (choline 포함)
• Inner monolayer: Phosphatidylethanolamine과 phosphatidylserine (terminal primary amino group 포함)

Charge 차이:

• Negatively charged phosphatidylserine이 inner monolayer에
• Bilayer의 두 half 사이에 significant charge difference

기능적 의의:

• Cytosolic protein 결합
• Cell recognition
• Apoptosis signaling(참조)

Minor Phospholipid의 특별한 역할

Phosphatidylinositol (PI)

Minor phospholipid 중 하나지만 중요한 기능:

• Cell membrane의 cytosolic monolayer에 집중
• Lipid kinase에 의해 modification

기능:

1. Membrane traffic 안내:

   • Intracellular membrane의 inositol phospholipid phosphorylation
   • Membrane transport를 안내하는 protein 모집

2. Cell signaling:

   • Phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase):
     • Extracellular signal에 반응하여 활성화
     • Specific intracellular signaling protein을 plasma membrane의 cytosolic face로 모집

3. Docking site 생성:

   • Inositol ring의 distinct position에 phosphate group 추가
   • Cytosol로부터 특정 protein 모집하는 binding site 생성

세포막별 Phospholipid 조성

다양한 membrane의 phospholipid 조성이 크게 다르다:

TABLE 10–1 Approximate Lipid Compositions of Different Cell Membranes
	Percentage of total lipid by weight
Lipid	Liver cell plasma membrane	Red blood cell plasma membrane	Myelin	Mitochondrion (inner and outer membranes)	Endoplasmic reticulum	Escherichia coli bacterium
Cholesterol	17	23	22	3	6	0
Phosphatidylethanolamine	7	18	15	28	17	70
Phosphatidylserine	4	7	9	2	5	Trace
Phosphatidylcholine	24	17	10	44	40	0
Sphingomyelin	19	18	8	0	5	0
Glycolipids	7	3	28	Trace	Trace	0
Others	22	14	8	23	27	30

E. coli (bacterial plasma membrane):

• 70% phosphatidylethanolamine
• 주로 한 가지 주요 phospholipid type
• Cholesterol 없음

Mammalian plasma membrane:

• 다양한 phospholipid 혼합
• Phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, sphingomyelin
• Cholesterol과 함께

Mitochondrion:

• Phosphatidylcholine 44%
• Cholesterol 3%

각 membrane의 특화된 기능을 반영하는 독특한 lipid 조성을 가진다.

관련 개념

• Lipid bilayer
• Amphiphilic molecule
• Major lipids in cell membrane
• Fluidity of a lipid bilayer
• Asymmetry of the lipid bilayer
• Cholesterol
• Glycolipid
• Raft domain

Footnotes

1. 2022 중간 12번 — 인지질의 양친매성(amphiphilic) 특성이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

2. 2023 중간 1번 — Phosphatidylserine이 유일하게 net negative charge를 가지며, 정상 세포의 inner monolayer에만 위치함 → GSDMD가 정상 세포의 외부에서는 인식할 수 없다는 내용이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩