Phospholipid
Phospholipid는 세포막의 가장 풍부한 lipid로, Major lipids in cell membrane의 주요 성분이다. 모든 phospholipid는 Amphiphilic molecule이며, 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:
- 한 tail: 종종 하나 이상의 cis-double bond 포함 (unsaturated)
- 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:
- Glycerophospholipid
- Sphingolipid
Glycerophospholipid
Backbone: Glycerol
- 3-carbon glycerol backbone
- 대부분의 동물 세포막에서 주요 phospholipid
구조:
- Glycerol의 인접한 두 carbon atom에 두 long-chain fatty acid가 ester bond로 연결
- Glycerol의 세 번째 carbon atom에 phosphate group 부착
- Phosphate group이 여러 type의 head group 중 하나에 연결
다양성: 여러 다른 fatty acid와 head group을 결합하여:
- 세포가 많은 다른 glycerophospholipid를 만듦
- 각각 고유한 특성과 기능
주요 Glycerophospholipid
위 그림은 포유류 plasma membrane의 네 가지 주요 phospholipid를 보여준다. (A-C)는 glycerophospholipid이고, (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 보유
- 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
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:
- Amino group에 fatty acid tail 부착
- 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:
- Hydrophobic tail의 물 노출 최소화
- Hydrophilic head의 물 노출 최대화
- 결과: Lipid bilayer 형성
- Hydrophobic tail이 두 monolayer 사이에 sandwiched
- Hydrophilic head group이 양쪽 표면에 위치
Cylinder-shaped molecule: Phospholipid는 일반적으로 cylinder-shaped이다:
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:
- Membrane에 남아 protein kinase C 활성화 도움
- 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
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
Minor Phospholipid의 특별한 역할
Phosphatidylinositol (PI)
Minor phospholipid 중 하나지만 중요한 기능:
- Cell membrane의 cytosolic monolayer에 집중
- Lipid kinase에 의해 modification
기능:
-
Membrane traffic 안내:
- Intracellular membrane의 inositol phospholipid phosphorylation
- Membrane transport를 안내하는 protein 모집
-
Cell signaling:
- Phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase):
- Extracellular signal에 반응하여 활성화
- Specific intracellular signaling protein을 plasma membrane의 cytosolic face로 모집
- Phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase):
-
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:
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.