막단백질

막단백질은 지질이중층으로 이루어진 막에 삽입되어 있거나 표면에 붙어있는 단백질이다. 지질이중층에 삽입되어 있는 단백질을 ‘내재 막단백질’, 지질이중층의 표면에 붙어있는 단백질을 ‘외재 막단백질’이라고 부른다. 내재 막단백질은 막을 가로지르는 ‘막관통 단백질(transmemembrane protein)’에 속한다. 대부분의 생물체에서 막단백질 유전자는 게놈의 20~30%를 차지하는 만큼 여러 종류가 있어서 다양한 생물학적 기능을 담당한다.

목차

내재 막단백질

내재 막단백질은 세포막을 관통하는 단백질로서 세 가지 주요 도메인으로 구성된다. 내재 단백질은 막을 관통하는 ‘막관통(transmembrane) 도메인’, 그리고 세포질에 있는 ‘세포질 도메인’과 세포 외부에 노출되는 ‘세포외 도메인’을 갖고 있다 (그림 1). 

 

막관통 도메인

막단백질이 막을 관통하는 부위를 말한다. 막관통 도메인의 수는 막단백질에 따라 다르며 한 개부터 20여개에 이르기 까지 다양하다. 지질 이중층은 소수성이 강한 지질로 구성되어 있기 때문에 이 부위를 통과하는 막관통 도메인은 대부분 소수성 아미노산으로 구성된다. 거의 모든 막관통 도메인은 α-나선구조로 구성된다. 여러 개의 막관통 도메인을 가지는 막단백질에서 막관통 도메인들은 원형으로 배치되어 원통 구조를 만든다. 이 원통 구조는 특정한 신호에 의해서 열리고 닫힘으로써 특정한 이온이나 생물물질을 수송하는 통로로 사용된다. 극히 제한된 수의 막단백질의 막관통 도메인은 β-병풍구조로 되어 있다. β-병풍구조로 구성된 여러 개의 도메인이 원형으로 배열되어 형성된 원통 구조를 ‘β-원통 (β-barrel)’이라고 부른다. β-원통으로 구성된 내재 막단백질의 대표적인 예는 미토콘드리아의 외막에 있는 포린 (porin)이다. 

세포외 도메인

세포외부에 노출되어 있는 세포외 도메인은 외부에서 오는 신호물질과 결합하여 신호를 전달하거나 다른 단백질과 결합하여 특정한 구조를 만드는 역할을 한다. 막단백질과 결합하는 신호물질은 분자의 크기가 크거나 전하를 띄고 있어서 지질이중층을 통과하지 못한다. 폴리펩티드 호르몬인 성장호르몬과 아세틸콜린과 같은 신경전도물질 등이 좋은 예이다. 세포외 도메인이 신호물질과 결합한 후에 신호를 전달하는 방식은 크게 두 가지이다. 첫째, 신호물질이 세포외 도메인에 결합하여 막단백질의 전체 구조를 변화시켜 특정한 물질이 통과하는 통로를 여는 것으로서, ‘아세틸콜린-개폐형 Na⁺  채널’이 좋은 예이다. 둘째, 세포질 도메인의 구조를 변화시켜 세포질에 분포하는 특정한 단백질을 활성화시키는 것으로서, ‘성장호르몬 수용체’가 좋은 예이다. 

세포질 도메인

세포외부의 신호물질과 세포외 도메인이 결합하면 세포질 도메인의 구조가 변화되어 ‘G-단백질’과 같Na⁺ 은 특정한 세포질 단백질과 결합하여 활성화함으로써 일련의 반응이 시작된다. 일련의 반응은 cAMP 또는 Ca2⁺과 같은 2차 전령 물질 (secondary messenger molecules)을 증폭하거나 인산화 효소를 다단계로 활성화함으로써 유전자 전사 조절이나 세포질의 단백질의 활성을 조절한다.  

외재 막단백질 (peripheral membrane protein)

외재 막단백질은 막단백질과 지질이중층 또는 막관통단백질과 공유결합이나 비공유결합을 통해서 세포막과 연계된다 (그림 2).

외재 지질

단백질 분자와 지질 분자가 공유 결합으로 연결되어 지질단백질이 형성된다. 지질단백질의 지질 분자와 세포막의 지질 단층 사이의 소수성 결합이 일어난 결과, 단백질은 세포막의 표면에 고정된다. GPI(Glycosylphosphatidylinositol)-정박 단백질이 좋은 예이다. GPI의 지방산이 지질 단층에 삽입되고 다른 한편에 있는 인산기와 단백질이 공유 결합으로 연결됨으로써 GPI는 단백질을 지질이중층의 표면에 고정시킨다. 

내재 막단백질-외재 막단백질

내재 단백질의 세포질 도메인 또는 세포외 도메인이 다른 단백질과 비공유결합이나 소수성 결합을 함으로써 단백질을 막의 표면에 일시적으로 정박시킨다. 그러나 이러한 형태의 외재 막단백질은 내재단백질과 결합력이 약하기 때문에 염도나 pH를 변화시킴으켜 내재 막단백질로부터 쉽게 떼어낼 수 있다. 

막단백질은 세포막과 막으로 구성된 세포내 소기관의 막에 분포하는 모든 단백질을 총체적으로 지칭하지만, 세포막에 제한하여 그 기능을 논하고자 한다.

물질 수송체

세포의 물질 대사와 에너지 대사에 필요한 생물 물질을 세포는 필요에 따라 세포의 안팎에서 확보한다. 그러나 대부분의 생물 물질은 전하를 띄고 있기 때문에 강력한 소수성 성질의 지질 이중층을 통과할 수가 없다. 예를 들어 음전하를 많이 갖는 포도당을 세포 안으로 들여오기 위해서 세포는 포도당 수송체를 세포막에 가지고 있다. 포도당 농도가 일정 수준을 넘는 환경에서 포도당 수송체는 포도당과 결합하여 포도당을 세포 안으로 수송한다.

이온 채널 및 이온 펌프

세포는 여러 가지 신호 전달과 신경 전도를 실행하기 위해서 Ca²⁺, Na⁺ , K⁺, Cl^- 등의 이온을 수송한다. 이온 채널은 신호물질이나 막전위차와 같은 신호에 반응하여 개폐가 조절된다. 이온 수송을 추진하는 원동력은 확산이기 때문에 반드시 고농도 지역에서 저농도 지역으로 이루어진다. 반면에 이온 펌프는 ATP와 같은 분자를 가수분해하여 발생한 에너지를 사용하여 저농도 지역에서 고농도 지역으로 수송한다. 

리간드 수용체

세포 외부의 신호물질을 리간드 (ligand)라고 부르며 이와 결합하는 단백질을 ‘리간드 수용체’라 한다. 막단백질이 결합하는 리간드는 분자의 크기가 크거나 전하를 띄고 있어서 지질이중층을 통과하지 못한다. 예를 들어 폴리펩티드 호르몬인 성장호르몬은 크기가 크고 아세틸콜린과 같은 신경전도물질은 전하를 띄고 있는 분자이다. 리간드 수용체는 앞에서 설명한 바와 같이 리간드-개폐형 이온채널이나 G-단백질-연계 수용체 등이 있다.

구조 막단백질

막단백질은 여러 가지 형태로 세포의 구조와 기능을 결정한다. 일례로 막단백질 카드헤린을 살펴보기로 한다. 카드헤린의 세포질 도메인은 세포골격을 만드는 케라틴필라멘트와 연결되고 세포외 도메인은 다른 카드헤린의 세포외 도메인과 결합하여 동형 이량체를 형성함으로써 세포와 세포를 접착시키는 데스모솜을 형성한다. 

내재 막단백질, 외재 막단백질, 막관통 도메인, 세포질 도메인, 세포외 도메인, 이온 채널, 이온 펌프, 물질 수송체, 리간드 수용체