Asymmetry of the Lipid Bilayer
Lipid bilayer의 두 monolayer는 lipid 조성이 현저하게 다르다. 이 lipid asymmetry는 기능적으로 중요하며, 특히 extracellular signal을 intracellular signal로 변환하는데 필수적이다.
Human Red Blood Cell의 Asymmetry
Human red blood cell (erythrocyte) membrane은 lipid asymmetry의 고전적 예이다:
Outer Monolayer (Noncytosolic)
Choline-containing phospholipid가 거의 모두 위치:
- Phosphatidylcholine: Choline이 head group에 있음 - (CH₃)₃N⁺CH₂CH₂OH
- Sphingomyelin: Choline이 head group에 있음
Inner Monolayer (Cytosolic)
Terminal primary amino group을 가진 phospholipid가 거의 모두 위치:
- Phosphatidylethanolamine
- Phosphatidylserine
Charge 차이
Negatively charged phosphatidylserine이 inner monolayer에 위치하기 때문에:
- Bilayer의 두 half 사이에 significant charge difference 존재
- Inner monolayer가 net negative charge를 가짐
Glycolipid 분포
Glycolipid의 분포는 가장 극단적인 asymmetry를 보인다:
- Plasma membrane 또는 intracellular membrane에서
- Cytosol을 등지는 monolayer에서만 독점적으로 발견됨
- Animal cell에서 sphingosine으로부터 만들어짐 (sphingomyelin처럼)
위 그림은 human red blood cell의 lipid bilayer에서 phospholipid와 glycolipid의 비대칭 분포를 보여준다. Glycolipid는 hexagonal polar head group (파란색)으로 그려져 있다. Cholesterol은 양쪽 monolayer에 대략 균등하게 분포한다.
Asymmetry의 생성 메커니즘
Glycolipid Asymmetry
Glycolipid의 비대칭 분포는 합성 위치로부터 나온다:
합성 과정:
- Golgi apparatus의 lumen에서 lipid molecule에 sugar group 추가
- 이 compartment는 세포 외부와 topologically equivalent
- Plasma membrane으로 전달될 때
- Sugar group이 cell surface에 노출됨
Phospholipid Asymmetry
Membrane-bound phospholipid translocator에 의해 생성되고 유지된다:
- Flippase와 scramblase
- 한 monolayer에서 다른 monolayer로 phospholipid 이동 촉매
Asymmetry 유지의 중요성
Lipid asymmetry 유지는 여러 이유로 중요하다:
- Signaling specificity: 특정 signaling pathway의 정확한 localization
- Protein recruitment: Cytosolic protein의 선택적 membrane 결합
- Cell recognition: 세포 상태의 외부 표지 제공
- Membrane domains: 특정 기능을 위한 membrane region 정의
기능적 중요성
1. Cytosolic Protein의 Membrane 결합
많은 cytosolic protein이 cytosolic monolayer의 특정 lipid head group에 결합한다.
Protein Kinase C (PKC) 예:
- 다양한 extracellular signal에 반응하여 활성화됨
- Plasma membrane의 cytosolic face에 결합
- Phosphatidylserine이 집중된 곳에 결합
- Activity를 위해 이 negatively charged phospholipid 필요
2. Lipid Head Group Modification
특정 lipid head group이 먼저 수정되어:
- 특정 시간과 장소에서 protein-binding site 생성
Phosphatidylinositol (PI) 예:
Minor phospholipid 중 하나로:
- Cell membrane의 cytosolic monolayer에 집중됨
- 다양한 lipid kinase가 inositol ring의 distinct position에 phosphate group 추가
- Cytosol로부터 특정 protein을 모집하는 binding site 생성
Phosphoinositide 3-kinase (PI 3-kinase):
- Extracellular signal에 반응하여 활성화됨
- Specific intracellular signaling protein을 plasma membrane의 cytosolic face로 모집하는데 도움
- 유사한 lipid kinase가 intracellular membrane에서 inositol phospholipid를 phosphorylate
- Membrane transport를 안내하는 protein 모집
3. Signaling Molecule 생성
Plasma membrane의 phospholipid가 또 다른 방식으로 사용된다:
- Extracellular signal을 intracellular signal로 변환
Phospholipase 활성화:
- Plasma membrane에 다양한 phospholipase 포함
- Extracellular signal에 의해 활성화됨
- 특정 phospholipid molecule 절단
- 이 molecule의 fragment 생성
- Short-lived intracellular messenger로 작용
Phospholipase C 예:
- Plasma membrane의 cytosolic monolayer에서 inositol phospholipid 절단
- 두 개의 fragment 생성:
- 하나는 membrane에 남아 protein kinase C 활성화 도움
- 다른 하나는 cytosol로 방출되어 ER로부터 Ca²⁺ 방출 자극
Live vs Dead Cell 구별
동물은 plasma membrane의 phospholipid asymmetry를 이용하여 살아있는 세포와 죽은 세포를 구별한다.
Apoptosis 동안의 변화
동물 세포가 apoptosis를 겪을 때:
Phosphatidylserine translocation:
- 정상적으로 plasma membrane lipid bilayer의 cytosolic (inner) monolayer에 국한됨
- Apoptosis 동안 빠르게 extracellular (outer) monolayer로 translocation
- Cell surface에 phosphatidylserine 노출
결과:
- 이웃 세포 (macrophage 등)에 signal
- 죽은 세포를 phagocytose하고 digest하도록 함
Translocation의 메커니즘
Apoptotic cell에서 phosphatidylserine의 translocation이 발생하는 이유:
- Lipid bilayer asymmetry를 생성하고 유지하는 active mechanism이 손상됨
- Phospholipid translocator의 기능 상실