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 횡단¹²

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):

• 대신 다른 membrane protein과의 noncovalent interaction으로 결합
• Membrane 양쪽 face에 결합 가능
• 얘도 membrane protein

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 발견³⁴

Glycosylation

대부분의 transmembrane protein (동물 세포)은 glycosylate됨:

• Sugar residue가 ER과 Golgi apparatus의 lumen에서 추가됨
  • oligosaccharyl transferase에 의해 asparagine으로 옮겨짐
• Oligosaccharide chain이 항상 membrane의 noncytosolic side에 존재⁵⁶

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 함⁵⁷
• Reducing environment in cytosol이 이러한 group을 reduced (–SH) form으로 유지⁵⁸

Membrane Protein의 이동성

많은 membrane protein이 빠르게:

• 막 평면에 수직인 축을 중심으로 회전 가능 (rotational diffusion)
• Membrane 내에서 laterally 이동 가능 (lateral diffusion)⁹¹⁰

그러나 세포는 특정 membrane protein을 고정시키거나 특정 domain에 국한시키는 방법을 가지고 있다.¹¹¹²¹³ Restricting domain of membrane protein 참조.

Carbohydrate Layer

검게 염색된 부분이 당을 염색한 것.

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

관련 개념

• Lipid bilayer
• Lipid anchor
• Hydropathy plot
• Detergent
• Restricting domain of membrane protein
• Cortical cytoskeleton
• Membrane bending protein
• Glycolipid

Footnotes

1. 2023 중간 17번 — Hydropathy plot의 peak 수로 α-helix 수를 예측할 수 있다는 내용이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

2. 2023 중간 17번 — ①번 선지: (B) multipass transmembrane protein은 multiple α-helix로 막을 횡단 → 7개 peak = 7 α-helix 예측 가능 (정답) ↩

3. 2022 중간 17번 — β-barrel 막단백질 구조에 관한 내용이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

4. 2023 중간 23번 — β-barrel 막단백질에서 격번 아미노산의 소수성 side chain이 지질과 접촉하며, 짧은 β strand로 막을 횡단한다는 내용이 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

5. 2022 중간 18번 — 당 잔기는 ER/Golgi lumen에서 추가되어 noncytosolic side를 향함(선지 ④ 반박); cytosolic 도메인은 환원 환경으로 이황화 결합 형성 안 함(선지 ①⑤ 반박). 선지 ③(당단백질·당지질의 세포 인식 기여, 정답)은 Glycolipid/Carbohydrate layer 섹션 참조. ↩ ↩² ↩³

6. 2022 중간 18번 — ④번 선지: 당 잔기는 ER/Golgi lumen에서 추가 → noncytosolic side(세포 외부 방향)를 향함; cytosol 방향이 아님 (오답) ↩

7. 2022 중간 18번 — ⑤번 선지: cytosolic domain의 sulfhydryl group은 reducing environment로 인해 이황화 결합을 형성하지 않음 (오답: cytosol 쪽 이황화결합 형성은 틀림) ↩

8. 2022 중간 18번 — ①번 선지: cytosol은 reducing environment → 세포소기관 외부가 아닌 cytosol만 환원 환경 (오답: “모든 세포소기관 안쪽이 환원”은 틀림) ↩

9. 2021 중간 미상E번 — 막단백질이 막 평면 내에서 lateral diffusion이 가능하다는 특성이 인간-마우스 세포융합 실험 맥락에서 출제됨. 복기 불완전. (선지 미복기) ↩

10. 2023 중간 22번 — ①번 선지: 막단백질은 완전히 고정된 것이 아니라 lateral diffusion이 가능함 (오답: “이동하지 않는다”는 틀림) ↩

11. 2022 중간 19번 — 막단백질은 lateral diffusion이 가능하지만, 세포는 이를 domain에 국한시키는 방법을 가짐 → 선지 ①(“자유롭게 이동”) 반박; 선지 ④(단백질-단백질 상호작용으로 고정, 정답) 근거. ↩

12. 2023 중간 22번 — 막단백질은 lateral diffusion이 가능하지만 제한될 수 있음 (전반적 맥락) ↩

13. 2022 중간 19번 — ①번 선지: 막단백질은 lateral diffusion이 가능하지만 자유롭게 이동하는 것은 아님 — 세포는 이를 domain에 국한시키는 방법을 가짐 (오답) ↩