막단백질

막단백질은 세포막에 일부 또는 전체가 삽입되어있는 단백질이다. 막단백질은 세포막 내외로의 물질수송, 세포골격 지지, 전위 차 유지, 신호 전달 등 생명현상에 필수적인 역할을 한다. 최근에는 막단백질의 기능이상이 각종 질병과 관련되어 있다는 여러 연구들이 발표되고 있으며, 사용되거나 개발되고 있는 신약의 50-60%는 막단백질을 타겟으로 하고 있다.

G-단백질 수용체(G-protein coupled receptor) 구조 ()

목차

세포막 단백질은 다음의 주요한 6가지 기능을 가진다. 막단백질은 하나 이상의 다양한 기능을 수행한다.¹⁾

막단백질은 세포막을 가로질러 있으면서 여러 물질들의 수송에 다양한 방법으로 관여한다. 먼저 당, 비타민 등의 친수성 분자들이 세포막을 통과하여 이동할 수 있도록 친수성통로 역할을 하는 경우가 있다. 세포막은 소수성인 인지질로 이루어져 있기 때문에 친수성 분자들은 세포막의 막단백질들에 의해 세포막을 통과할 수 있다. 이러한 수송 막단백질은 친수성 물질들만을 선택적으로 수용하여 막을 통과시킨다. 또한 특정 물질을 세포막 안팎으로 이동시킬 때, 막단백질의 모양을 변형시킴으로써, 또는 ATP를 가수분해하여 에너지를 소모하면서 수송에 관여하기도 한다. 이처럼 친수성인 당, 수용성 비타민 등의 영양분을 흡수하고, 유독한 물질을 세포 밖으로 배출 시키는 과정은 세포가 정상적으로 생명활동을 수행하는데 필수적인 과정이다.

Escherichia coli의 macrolide계 항생제 배출 펌프인 AcrBA-TolC hybrid 구조 (출처: 서울대 하남출 교수님 제공)

일부 막단백질은 효소이다. 예를 들면 phospholipase가 있다. Phospholipase는 세포막에 박혀있는 단백질로 세포막인지질의 인산기를 가수분해하여 늙거나 죽은 세포막을 분해한다. 일부 효소들은 순차적인 물질대사 과정을 수행하기 위해 집단을 이루기도 한다.

막단백질은 세포 안쪽으로 신호를 전달하는 역할을 하기도 한다. 신호를 전달하기 위해서는 먼저 호르몬과 같은 특정 화학적 신호전달물질과 결합해야 하는데, 막단백질은 이러한 특정 신호전달물질과 잘 결합할 수 있도록 특정한 모양의 결합부위를 갖는다. 이 신호물질은 막단백질과 결합하여 모양을 변화시킴으로써 세포 안 쪽으로 신호가 전달되도록 한다. 대개 이렇게 모양이 변화한 막단백질은 세포질의 단백질과 결합하는 방식으로 차례로 신호를 전달한다.

당단백질(glycoprotein)은 단백질을 구성하는 polypeptide와 공유적으로 결합된 올리고당(oligosaccharide) 사슬을 포함하는 단백질이다. 일부 막단백질은 특정 당단백질들을 특이적으로 인식할 수 있다. 따라서 세포들이 서로 인식을 할 때 막단백질이 당단백질을 인식함으로써 세포사이의 인식이 이루어질 수 있다.

막단백질은 인접한 세포의 막단백질과 접합하여 세포간 결합을 가능하게 한다.

막단백질은 미세섬유 등의 세포골격이나 세포외기질(extracellular matrix) 과 결합하여 세포의 외형을 유지하고 특정 막단백질이 세포막에 안정하게 삽입되어 있도록 한다. 세포외기질(extracellular matrix) 에 결합할 수 있는 막단백질들은 세포내외의 변화들을 모두 조절할 수 있다.

막단백질은 세포막과 막단백질 사이의 관계에 따라 크게 내재성 단백질(integral protein)과 막주변 단백질(peripheral protein) 2가지 범주로, 상세하게 총 7가지 범주로 나눌 수 있다.²⁾³⁾ 먼저, 내재성 막단백질은 그 일부가 세포막의 안쪽 소수성 부분에 삽입되어있는 단백질이다. 이들 중 대부분은 세포막을 통과하는 막관통단백질(transmembrane protein)인데, 한 쪽 끝은 세포 바깥쪽으로, 다른 한 쪽 끝은 세포질내로 노출되어 있다. 세포막 안쪽을 통과하는 단백질의 소수성부분은 비극성 아미노산으로 이루어져있고, 주로 알파나선(alpha-helix) 구조로 감겨져 있다. 막주변 막단백질은 내재성 막단백질과는 달리 세포막에 삽입되어 있지 않고, 막의 표면에 느슨하게 달라붙어 있는 단백질이다. 대부분의 막주변 막단백질은 내재성 막단백질의 세포막 바깥쪽으로 노출된 부분에 붙어있거나 인지질의 일부와 결합해 있다.⁴⁾

내재성단백질(integral protein)과 세포주변질단백질(peripheral protein)의 모습 (출처: GettyimagesKorea)

1)    세포막을 1개의 알파나선(alpha helix)으로 가로지르는 유형, 내막에만 존재

2)    세포막을 다수의 알파나선(alpha helix)으로 가로지르는 유형, 내막에만 존재

3)    세포막을 1개의 베타배럴(beta barrel)으로 가로지르는 유형, 외막에만 존재

내재성 막단백질(integral membrane protein)의 종류 ()

1)    세포막에 평행하도록 양친매성의 알파나선이 삽입되어 있는 유형

2)    루프부분이 세포막의 지질과 결합해있는 유형

3)    세포막의 지질과 공유결합으로 결합해있는 유형

4)    세포막의 지질과 이온결합으로 결합해있는 유형

세포주변질 단백질(peripheral protein)의 종류 ()

하남출/서울대학교

최형태/강원대학교

1. CAMPBELL · REECE · URRY · CAIN · WASSERMAN · MINORSKY · JACKSON (2009), 『생명과학』, 8판, 전상학(역), 바이오사이언스㈜, pp129-130.
2. Von Heijne, G. (2006). 'Membrane-protein topology'. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 7 (12): 909–918. 
3. Gerald Karp (2009). Cell and Molecular Biology: Concepts and Experiments. John Wiley and Sons. pp. 128–.  ISBN 978-0-470-48337-4 . Retrieved 13 November 2010.
4. Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000. Section 3.4, Membrane Proteins. Available from: