Membrane Protein
Lipid bilayer가 biological membrane의 기본 구조를 제공하는 반면, membrane protein은 대부분의 membrane 특정 작업을 수행하며, 각 type의 cell membrane에 특징적인 기능적 특성을 부여한다.
Membrane에서의 단백질 양
Membrane protein의 양과 type은 매우 가변적이다:
Myelin membrane:
- 주로 nerve cell axon의 electrical insulation 역할
- 25% 미만이 protein
ATP production membrane:
- Mitochondria와 chloroplast의 internal membrane
- 약 75%가 protein
전형적인 plasma membrane:
- 중간 정도
- 약 절반이 protein (mass 기준)
Lipid molecule 대비 수:
- Lipid molecule이 protein molecule보다 작기 때문에
- Cell membrane에는 항상 훨씬 더 많은 lipid molecule이 존재
- 50% protein (mass 기준)인 membrane에서도
- Protein molecule 하나당 약 50개의 lipid molecule
추정:
- 동물 genome에 encode된 protein의 약 30%가 membrane protein
- 세포 기능과 환경과의 상호작용에 필수적
Membrane Protein의 특성
Amphiphilic 특성
Lipid neighbor처럼 membrane protein도 amphiphilic이다:
- Hydrophobic region: Lipid bilayer를 통과하거나 membrane에 삽입
- Hydrophilic region: Membrane의 양쪽에 노출
Hydrophobic region:
- Membrane을 통과
- Bilayer 내부의 lipid molecule의 hydrophobic tail과 상호작용
- 물로부터 sequester됨
Hydrophilic region:
- Membrane 양쪽의 물에 노출
Membrane과의 결합 방식
위 그림은 protein이 lipid bilayer와 결합하는 다양한 방식을 보여준다.
1. Transmembrane Protein
많은 membrane protein이 lipid bilayer를 확장하여 통과한다:
- Transmembrane protein으로 불림
- Mass의 일부가 membrane 양쪽에서 돌출
Single-pass transmembrane protein (예시 1):
- Polypeptide chain이 bilayer를 단일 α helix로 횡단
- 일부는 covalently attached fatty acid chain을 가짐
- Cytosolic lipid monolayer에 삽입됨
Multipass transmembrane protein (예시 2):
- Polypeptide chain이 bilayer를 multiple α helix로 횡단
β barrel transmembrane protein (예시 5):
- Rolled-up β sheet (β barrel)로 bilayer 횡단
특정 측면 노출 (예시 3, 4):
- 일부 transmembrane protein은 membrane의 한쪽에만 주로 노출
- 예시 3: Golgi apparatus에서 glycosylation reaction을 수행하는 glycosyltransferase
- 예시 4: Membrane fusion을 촉매하는 SNARE protein
2. Lipid-anchored Protein
Cytosolic surface attachment (예시 6, 7):
- Amphiphilic α helix를 통한 부착 (예시 6)
- Helix의 hydrophobic face를 통해 cytosolic monolayer로 partition
- Covalently bound lipid chain을 통한 부착 (예시 7)
- Fatty acid chain 또는 prenyl group
- Lipid anchor 참조
Noncytosolic surface attachment (예시 8):
- Oligosaccharide linker를 통해 phosphatidylinositol에 부착
- GPI anchor로 불림
- GPI Anchor 참조
3. Membrane-associated Protein
Noncovalent interaction (예시 9, 10):
- Membrane에 전혀 확장하지 않음
- 대신 다른 membrane protein과의 noncovalent interaction으로 결합
- Membrane 양쪽 face에 결합 가능
기능적 다양성
Membrane protein은 membrane의 거의 모든 다른 기능을 매개한다:
1. Transport
- 특정 molecule의 membrane 횡단 transport
- Multipass protein이 담당
- 작은 water-soluble molecule 전달
2. Enzymatic Activity
- Membrane-associated reaction의 촉매
- 예: ATP synthesis
3. Structural Link
Plasma membrane에서:
- Cytoskeleton과 extracellular matrix 연결
- 또는 인접 세포와 연결
- Lipid bilayer를 통과하는 transmembrane protein이 담당
4. Signal Transduction
Receptor 기능:
- 세포 환경의 chemical signal 감지 및 변환
- Cell surface에서 작동
5. Cell Recognition
- Cell-cell interaction 매개
- Cell adhesion 담당
Transmembrane Segment의 구조
α Helix 구조
대부분의 transmembrane protein에서:
- Polypeptide chain이 lipid bilayer를 α-helical conformation으로 횡단
위 그림은 membrane-spanning polypeptide chain segment가 lipid bilayer를 α helix로 횡단하는 것을 보여준다. Glycophorin의 일부로 red blood cell plasma membrane에서 풍부하게 발견된다.
특성:
- 약 20-30 amino acid의 segment
- 높은 정도의 hydrophobicity
- α helix로 lipid bilayer를 span하기에 충분한 길이
- Hydropathy plot에서 확인 가능
β Barrel 구조
Multipass transmembrane protein의 또 다른 방식:
- Multiple transmembrane strand가 β sheet로 배열
- Cylinder로 rolled up (β barrel)
- Porin protein 등에서 발견
Glycosylation
대부분의 transmembrane protein (동물 세포)은 glycosylate됨:
- Sugar residue가 ER과 Golgi apparatus의 lumen에서 추가됨
- Oligosaccharide chain이 항상 membrane의 noncytosolic side에 존재
위 그림은 single-pass transmembrane protein을 보여준다:
- Polypeptide chain이 right-handed α helix로 lipid bilayer 횡단
- Oligosaccharide chain과 disulfide bond가 모두 noncytosolic surface에 위치
- Sulfhydryl group이 disulfide bond 형성 (intrachain 또는 interchain)
- Cytosolic domain의 sulfhydryl group은 정상적으로 disulfide bond 형성 안 함
- Reducing environment in cytosol이 이러한 group을 reduced (–SH) form으로 유지
Membrane Protein의 이동성
많은 membrane protein이 빠르게:
- 막 평면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능 (rotational diffusion)
- Membrane 내에서 laterally 이동 가능 (lateral diffusion)
그러나 세포는 특정 membrane protein을 고정시키거나 특정 domain에 국한시키는 방법을 가지고 있다. Restricting domain of membrane protein 참조.
Carbohydrate Layer
Glycoprotein과 Glycolipid의 carbohydrate는:
- 모든 진핵세포 표면의 carbohydrate-rich zone 형성
- Cell coat 또는 glycocalyx로 불림
위 그림 (B)는 carbohydrate layer의 구성을 보여준다:
- Membrane glycolipid의 oligosaccharide side chain
- Membrane glycoprotein의 oligosaccharide side chain
- Membrane proteoglycan의 polysaccharide chain
- Adsorbed glycoprotein과 proteoglycan
기능:
- 기계적 및 화학적 손상으로부터 세포 보호
- 다른 세포를 거리에 유지
- 원하지 않는 cell-cell interaction 방지