Glycolipid

Glycolipid는 sugar를 포함하는 lipid molecule이다. 모든 진핵세포 plasma membrane의 표면에서 발견되며, membrane 분포에서 가장 극단적인 asymmetry를 보인다.

구조적 특징

Glycolipid는 두 가지 주요 성분으로 구성된다:

1. Lipid portion: Sphingosine 기반 (동물 세포에서)
2. Sugar portion: Oligosaccharide chain

Sphingosine 기반

동물 세포에서 glycolipid는:

• Sphingosine으로부터 만들어짐
• Sphingomyelin과 유사한 구조 (Phospholipid 참조)
• Phosphate-linked head group 대신 sugar가 부착됨

Glycolipid의 종류

Neutral Glycolipid

Galactocerebroside:

• Head group을 형성하는 sugar가 uncharged
• Neutral glycolipid로 불림
• 위 그림 (A)에 구조 표시

Ganglioside

Glycolipid 중 가장 복잡한 형태이다.

구조적 특징:

• 하나 이상의 sialic acid moiety를 포함하는 oligosaccharide
• Sialic acid가 net negative charge 부여
• 위 그림 (B)에 GM1 ganglioside 구조 표시

Sialic acid:

• 다양한 type 존재
• Human cell에서 주로 N-acetylneuraminic acid (NANA)
• 위 그림 (C)에 구조 표시

다양성:

• 40가지 이상의 서로 다른 ganglioside 확인됨
• Gal = galactose
• Glc = glucose
• GalNAc = N-acetylgalactosamine
• 이 세 sugar는 모두 uncharged

신경 세포에서의 특별한 역할

Nerve cell plasma membrane:

• 가장 풍부한 ganglioside 함유
• 전체 lipid 질량의 5-10% 구성
• 다른 cell type에서는 훨씬 적은 양

Membrane 분포

극단적 Asymmetry

Sugar-containing lipid molecule로서 glycolipid는:

• Membrane 분포에서 가장 극단적인 asymmetry 보임
• Plasma membrane 또는 intracellular membrane에서
• 오직 cytosol을 등지는 monolayer에서만 발견됨

Asymmetric Distribution의 원인

Glycolipid의 비대칭 분포는 합성 과정에서 기인한다:

1. 합성 위치: Golgi apparatus_MOC의 lumen
2. Sugar group 추가: Lipid molecule에 sugar group이 lumen에서 추가됨
3. Topological equivalence: 합성되는 compartment가 세포 외부와 topologically equivalent
4. 전달: Plasma membrane으로 전달될 때
5. 최종 위치: Sugar group이 cell surface에 노출됨

자가-결합 경향

Glycolipid는 self-associate하는 경향이 있다:

결합 메커니즘:

1. Sugar 사이의 hydrogen bond
2. Long and straight hydrocarbon chain 사이의 van der Waals force

결과:

• Lipid raft phase로 우선적으로 partition
• Raft domain 형성에 기여

기능

Glycolipid의 위치와 구조는 여러 중요한 기능을 시사한다:

1. 보호 기능

Epithelial cell의 plasma membrane:

• Glycolipid가 노출된 apical surface에 국한됨
• 종종 발견되는 harsh condition으로부터 membrane 보호 가능:
  • Low pH
  • 높은 농도의 degradative enzyme

2. 전기적 효과

Charged glycolipid (ganglioside 등):

• Electrical field를 membrane 전체에 걸쳐 변화시킴
• Membrane surface에서 ion 농도 변화
• 특히 Ca²⁺ 농도에 영향
• 중요성: Membrane의 전기적 특성 조절

3. Cell-recognition Process

Glycolipid는 cell-recognition process에서 기능한다:

메커니즘:

• Membrane-bound carbohydrate-binding protein (lectin)
• Glycolipid와 glycoprotein 모두의 sugar group에 결합
• Cell-cell adhesion process에서 작용

4. 신경계 기능

Mutant mice 연구 결과:

• 모든 complex ganglioside가 결핍된 경우
• 신경계 이상 보임:
  • Axonal degeneration
  • Reduced myelination

이는 ganglioside가 신경계 기능에 필수적임을 시사한다.

병원체 인식 부위

Glycolipid의 ubiquitous presence는:

• 여러 bacterial toxin과 virus에 의해 이용됨
• 세포 진입 수단으로 사용됨

Virus 예시

Influenza virus:

• Ganglioside의 sialic acid sugar와 상호작용
• 세포 진입 과정에서

Polyomavirus:

• Ganglioside에 결합한 후 세포 진입

Bacterial Toxin 예시

Cholera toxin:

• Ganglioside GM1이 cell-surface receptor로 작용
• GM1을 surface에 가진 세포에만 결합하고 진입
• Intestinal epithelial cell 포함

작용 메커니즘:

1. GM1에 결합
2. 세포 진입
3. Intracellular cyclic AMP 농도의 지속적 증가
4. 큰 Cl⁻ 유출
5. Na⁺, K⁺, HCO₃⁻, 물의 장으로 분비
6. Cholera의 심각한 설사 유발

Carbohydrate Layer

Glycolipid는 membrane glycoprotein과 함께:

• Cell surface의 carbohydrate-rich zone 형성
• Cell coat 또는 glycocalyx로 불림

위 그림은 세포 표면의 carbohydrate layer를 보여준다:

(A) Electron micrograph:

• Ruthenium red로 염색된 lymphocyte 표면
• 세포를 둘러싼 두꺼운 carbohydrate-rich layer 강조

(B) Carbohydrate layer 구성:

• Membrane glycolipid의 Oligosaccharide side chain
• Membrane glycoprotein의 oligosaccharide side chain
• Membrane proteoglycan의 polysaccharide chain
• Adsorbed glycoprotein
• Adsorbed proteoglycan (표시 안됨)
• 모든 carbohydrate가 membrane의 extracellular surface에 위치

관련 개념

• Asymmetry of the lipid bilayer
• Lipid bilayer