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클릭클릭(세포구조, 단백질 그리고 물질대사) - 밴더 생리학
1. 생명체의 특징과 생화학(biochemistry)
생화학은 생명현상 또는 생명원리의 기초를 화학적으로 연구하여 밝히는 학문. 생화학은 생체분자들이 생명체 내의 현상과 특성을 나타내기 위해 상호작용하는 과정에서 나타나는 여러 현상을 다양한 분자적 반응에 기초하여 설명하는 학문으로서 생물화학이라고 부름.
1) 생명체는 복잡하며 고도로 조직화되어 있음.
생물을 구성하는 생체분자들은 원자로 구성되어 있으며 이러한 원자들은 다양한 조합의 화학결합을 통해분자를 형성하고 또 분자들이 서로 연결되어 고분자를 형성함. 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산 등을 고분자들은 생명체의 여러 조직과 기관을 구성하는 세포소기관을 구성함으로써 생체가 생체분자들의 고도로 조직화된 산물임을 나타냄.
2) 생명체는 동적인 상태를 유지함.
생명체는 주위의 계(system)으로부터 끊임없이 물질과 에너지를 상호교류하여 생명체에 필요한 화합물을 생성하며 주변의 계와 물질의 평형을 이루는 비생물과는 달리 스스로를 구성하는 생화합물을 분해, 생합성함으로써 동적인 상태를 유지함.
이화과정- 산화과정, 화학적 에너지 방출 및 ATP생성과정
동화과정- 환원과정, 에너지의 유입을 필요로하며 생체에너지인 ATP를 소비하는 과정
3) 생명체는 자기복제 및 자가회합하고 분화하며 생식을 통해 번식함.
생명체는 자신의 세포내 핵속에 유전자(gene)라는 유전정보를 DNA염기서열을 통해 저장하고 있으며 그정보는 한세대에서 다음세대로 전해짐.
4) 생명체는 항상성을 가짐
2. 세포 : 생명의 구조적, 기능적 단위
인체의 경우 유사한 기능을 수행하는 세포(cell)들이 모여 조직을 이루고 세포의 집단체인 조직(Tissue)은 세포보다 상위의 구조적, 기능적 단위를 형성함. 또 다른 구조 및 기능적 특성을 갖는 조직들과 결합하여 기관(organ)을 형성하며 유사한 기능들의 기관들이 연합하여 기관계를 구성하고 기관계가 유기적인 연합을 통해 인체를 형성함.
1) 세포의 종류
원핵세포(prokaryote, 세균과 남조류)와 진핵세포(eukaryote, 동물과 식물) 두가지로 구분함.
2) 세포의 구조
가. 세포막
# 세포막의 구조와 기능
세포막은 원형질막이라고도 부르며 세포의 외부와 내부를 나눌뿐 아니라 조직내 세포들 간의 경계를 구분하는 구조임. 기본적으로 인지질 이중층(bilyer phospholipid)구조에 단백질이 묻혀 있으며 이와 결합한 탄수화물 및 막의 구조적 견고성을 부여하는 콜레스테롤 분자가 존재함.
원형질막을 구성하는 인지질은 물과 상호작용하는 친수성 머리와 물과 친화성이 없는 소수성 고리로 이루어짐. 친수성의 머리부분은 세포의 외부와 외부로 향하고 있고 소수성의 꼬리부분은 안쪽으로 마주보는 형태를 취하여 유동적인 이중층을 형성함. 단백질은 원형질막의 외부나 내부를 향해 돌출되어 있거나 이중층의 막을 관통하는 형태로 존재함. 이는 막을 통해 유출되어야 하는 영양소나 노폐물, 신호물질같은 분자들의 이동에 대한 선택적 투과의 방어벽으로서 작용하며 이는 주로 원형질막에 묻혀 있는 운반단백질이나 수용체 단백질에 의해 조절됨.
즉 세포막에서 지질은 물리적, 구조적 특성을 결정하며 세포막의 기능적 특징은 단백질에 의해 결정됨. 탄수화물은 세포막을 이루는 지질 혹은 단백질에 결합되어 당지질 혹은 당단백질을 형성하며 주로 세포의 상호작용을 위한 식별의 도구를 제공함.
# 세포막을 통한 물질 수송
원형질막은 영양소, 노폐물 등과 같은 분자들이 세포의 안쪽과 바깥쪽으로 이동하는 것을 조절함. 원형질막은 인지질 이중층으로 이루어져 세포의 내-외부에 소수성을 나타내기 때문에 가스나 일부 비극성의 작은 분자들만이 막을 통과할 수 있으며 물과 친화적인 친수성분자 즉 이온이나 극성이 큰 분자들은 세포막을 쉽게 통과할 수 없고 다양한 막단백질을 통해 세포내로 수송될 수 있음. 이러한 이유로 원형질막은 선택적 투과를 위한 효율적인 화학적 장벽이며 물에 용해된 분자가 막을 가로질러 세포내로 수송되기위해서는 통과되는 물질의 화학적 성질에 따라 크게 3가지 방법을 이용함.
가. 단순확산 simple diffusion
O2, CO2, N2등의 가스, 비극성의 스테로이드 호르몬, 몇가지 약물등은 특정 운반단백질을 필요로 하지않으며 에너지 소비없이 막을 경계로 높은 농도에서 낮은 농도로 농도구배(Concentration gradient)에 순응하여 이동하는 현상
나. 촉진확산 facilitated diffusion
과당, 이온 및 물이 막에 존재하는 특정 운반단백질을 이용하여 막을 경계로 농도구배에 순응(고농도 -> 저농도)하여 물질을 이동하는 방법으로 단순확산에 비해 운반체를 이용한다는 점에서 다르지만 농도구배에 순응하여 물질이 이동하는 공통점을 가짐
다. 능동수송 active transport
포도당, 아미노산, 여러가지 이온이나 친수성 분자, 지질과 같은 물질들이 ATP의 가수분해에 따라 작동되는 운반단백질에 의해 막을 경계로 농도구배에 역행(저농도-> 고농도)하여 이동하는 방법이며 대표적으로는 Na+/K+의 작용을 예로 들 수 있음.
3) 세포질
세포질은 원형질막으로 둘러싸인 세포내부의 바탕질 또는 공간을 뜻하며 물에 가용성 부분인 사이토졸과여러가지 세포소기관, 단백질 섬유로 구성된 세포골격의 망조직을 포함함. 사이토졸에는 세포질에서 일어나는 해당과정, 단백질 및 지방산 합성 등 여러가지 생화학적 대사에 필요한 효소, 아미노산, 핵산 및 탄수화물 등이 존재하고 세포골격은 세포의 구조를 지탱하며 세포내 분자들의 이동경로 역할을 함.
4) 세포소기관
진핵세포는 핵, 리보솜, 소포체, ER, 골지체, 미토콘드리아 등을 포함함. 이들 세포소기관 외에 식물세포는 세포벽, 엽록체를 추가로 포함하여 동물세포는 리소좀을 포함함.
① 핵 Nucleus
핵은 세포의 특성과 대사기능을 결정하는 유전정보를 저장하여 이 유전정보에 따라 단백질 합성을 통제함으로써 세포가 수행할 수 있는 기능과 구조에 중요한 영향을 미치는 세포내 정보통제소임. 핵은 이중막으로 구성된 핵막(nuclear envelope)에 의해 외부의 세포질과 내부의 핵질(nuclear matrix)로 구분되며 외부 핵막은 조면소포체(endoplamic reticulum)와 연결됨. 핵막표면에는 단백질, mRNA등의 물질이 핵내외로 이동할 수 있는 핵공이라는 통로가 존재함. 핵질에는 일반적으로 불규칙한 실모양의 염색질(chromatin)이 존재하는데 염색질은 유전정보원인 DNA와 히스톤 단백질이 고도로 조직화된 망상조직임. 염색질은 세포가 분열하여 딸세포에 유전물질을 분배하기 위해 고도로 응축되는 과정에서 막대기 모양의 염색체(chromosome)를 형성하는데 사람의 경우 23쌍 즉 46개의 염색체가 존재함. 핵의 내부에 어둡게 보이는 부분을 핵소체(nucleolus)라고 하며 이곳은 리보솜의 성분인 rRNA의 대부분이 합성되는 장소임.
② 리보솜(ribosome)
리보솜은 단백질의 합성을 담당하는 세포내 기관으로서 막구조를 취하고 있지 않음. 리보솜은 rRNA와 단백질의 복합체인 큰 단위와 작은 단위의 두개의 소단위로 구성되어 있음. 단백질 합성이 시작될때 리보솜 소단위가 결합하고 리보솜을 형성하여 mRNA상의 유전정보를 해독함으로써 아미노산 간의 펩티드결합을 평성시켜 단백질을 합성함.
③ 소포체(Endoplasmic reticulum, ER)
소포체는 막구조의 납작한 주머니로 이루어진 세포내 가장 큰 막구조. 두가지 형태의 소포체가 존재하며표면에 리보솜이 결합하여 거친 표면을 나타내는 조면소포체와 리보솜이 결합하지 않은 활면소포체로 구분함. 조면소포체에 결합한 리보솜은 세포에서 합성하는 거의 모든 단백질을 합성함. 리보솜으로부터 합성된 폴리펩티드는 조면소포체의 내강으로 들어가 샤페론이라는 단백질의 작용으로 접힘반응을 거쳐 3차원적인 구조를 갖추게 됨.
활면소포체에서는 주로 지방산, 인지질 및 콜레스테롤의 합성이 이루어지며 간세포에 존재하는 활면소포체는 살충제를 비롯한 약물 및 소수성을 나타내는 독성물질을 체외로 배출시킬 수 있는 형태로 변형시키는 해독기능.
The ins and outs of endoplasmic reticulum‐controlled lipid biosynthesis
Abstract
Endoplasmic reticulum (ER)‐localized enzymes synthesize the vast majority of cellular lipids. The ERtherefore has a major influence on cellular lipid biomass and balances the production of different lipid categories, classes, and species. Signals from outside and inside the cell are directed to ER‐localized enzymes, and lipid enzyme activities are defined by the integration of internal, homeostatic, and external information. This allows ER‐localized lipid synthesis to provide the cell with membrane lipids for growth, proliferation, and differentiation‐based changes in morphology and structure, and to maintain membrane homeostasis across the cell. ER enzymes also respond to physiological signals to drive carbohydrates and nutritionally derived lipids into energy‐storing triglycerides. In this review, we highlight some key regulatory mechanisms that control ER‐localized enzyme activities in animal cells. We also discuss how they act in concert to maintain cellular lipid homeostasis, as well as how their dysregulation contributes to human disease.
④ 골지체(golgi apparatus)
조면소포체로부터 합성된 단백질은 작은 막구조의 운반소포에 운반되어 골지체로 수송됨. 골지체는 얇고 구부러진 납작한 주머니 모양의 막소낭이 쌓여있는 형태의 구조물로서 한면은 소포체를 향해, 다른 면은 원형질막으로 향해 있으며 낭의 모서리부분에서는 소포가 많이 관찰됨. 운반소포에 의해 전달된 단백질은 골지체에서 당을 결합시키는 등 화학적 변형작용 및 농축작용의 추가적인 처리과정을 거치며 단백질의 구조와 최종목적지에 따라 막단백질과 분비성 단백질로 다르게 변형시킴.
⑤리소좀(lysosome)
리소좀은 동물세포에서만 관찰되는 세포 소기관으로서 세포내에서 존재하는 손상된 세포막이나 오래된 세포소기관을 분해하는 역할. 이러한 분해작용은 리소좀에 존재하는 가수분해효소에 의해 진행되며 중합체(polymer)를 단량체(monomeric subunit)로 분해하는 40여종의 가수분해효소는 산성의 pH에서 효과적인 분해작용을 수행하여 산 가수분해효소(acid hydrolase)라고 부름. 세포내 물질이 리소좀에 의해서 분해될 뿐만 아니라 세포외의 물질들도 세포내로 들어와 분해될 수 있는데 세포막이 함입되면서 세포밖 물질을 둘러싸서 엔도솜(endosome)을 형성하여 세포밖의 거대분자가 세포내로 유입되는 세포내이입(endocytosis)라고 하며 외부 박테리아와 같은 전체세포나 용해되지 않은 커다란 물질들이 세포표면으로부터 파고솜(phagosome)을 형성하여 세포내로 유입되는 과정을 식균작용(phagocytosis)라고 함. 엔도솜이나 파고솜은 리소좀과 결합하여 외부의 물질을 세포내에서 분해함.
⑥ 미토콘드리아
미토콘드리아는 외막, 내막의 이중막으로 이루어져 있으며 세포내 발전소임. 외막은 세포질과 접촉하고 있으며 외막과 내막사이의 공간을 막사이공간(내막 안쪽을 바탕질, 내막이 안쪽으로 접혀진 구조를 크리스테)라고 함. 미토콘드리아를 세포내 발전소라 부르는 것은 주로 지방산과 포도당을 주 원료로 하여 생체내 에너지인 ATP를 합성하는 장소이기 때문임. 크리세트를 포함하는 내막에는 전자전달계를 구성하는몇가지 단백질 복합체 및 ATP합성효소가 존재하며 다량의 ATP가 생산되는 장소임. 바탕질에는 TCA회로, 지방산의 베타-산화 등의 에너지 생산과 관련된 시스템을 구성하는 효소들이 존재하며 포도당 혹은 지방산의 산화가 수행되도록 함
⑦ 퍼옥시좀, 페록시좀(Peroxisome)
페록시좀은 적혈구를 제외한 모든 진핵세포가 가진 구형의 세포소기관으로 몇몇의 산화효소를 함유하여 유기물을 산화시키는 역할. 이때 산화반응에 의해 유해한 과산화수소가 발생되지만 다량의 카탈라제를 함유하여 과산화수소를 물과 산소로 분해함. 또한 ATP 생산을 위한 미토콘드리아에서의 지방산 산화와는 다르게 페록시좀에서는 콜레스테롤과 같은 주요 화합물을 생합성하기 위한 전구체를 생성하기 위해 지방산을 산화시켜 아세틸기를 생성함.
⑧ 액포
⑨ 엽록체
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