세포외기질

세포외 기질은 세포가 세포 밖으로 분비한 여러 가지 물질들이 형성하는 세포의 구조이다. 세포외기질은 세포의 구조적 지지와 세포 간의 연결을 마련할 뿐만 아니라 신호전달을 비롯한 세포와 세포 사이의 소통을 위한 역할과 배아의 발생과 세포의 분화에서도 중요한 기능을 한다. 다세포로 이루어진 생물체의 각 조직은 기능적인 기능을 위해 독립적으로 진화했기 때문에 세포외기질의 구성 성분과 기능은 조직과 세포의 유형에 따라 다양하다. 동물세포 사이의 기질은 다중탄수화물과 섬유단백질로 이루어진 겔 형태의 물질로써, 세포 사이의 공간을 채우면서 세포외기질에 가해지는 충격을 완화하는 역할을 한다. 동물에서 세포외 기질이 세포 간에 분포하면서 형성한 기저막은 상피 세포에 존재하는 판막 구조의 세포외기질이다. 동물의 여러 결합 조직의 형태는 세포외 기질의 유형에 따라 다르게 이루어진다. 예를 들어, 콜라겐 섬유와 무기물이 뼈 조직의 세포외 기질을 형성하는 반면, 망상 섬유질과 기저 물질이 소성 결합조직(loose connective tissue)의 세포외 기질 만들고, 혈장이 혈액의 세포외기질이 된다. 식물세포의 세포외기질은 셀룰로오스로 만들어진 세포벽 성분을 포함하고 있으며, 복잡한 신호 분자도 갖고 있다. 제한적이기는 하지만 일부 단세포 생물에서도 고분자 물질로 구성된 세포외 기질이 발견된다. 세포외기질은 피브로넥틴과 같은 단백질이 세포막에 삽입되어 있는 막단백질 인테그린과 결합하는 한편, 콜라겐과 같은 고탄력 고인장력을 갖는 단백질 피브로넥틴과 결합하여 기본 구조를 형성한다 (그림 1). 인테그린-피브로넥틴-콜라겐 복합체는 거대 당-단백질 복합체인 프로테오글리칸과 결합하여 다량의 물 분자를 세포 표면에 확보함으로써, 물리적 또한 열역학적인 완충에 절대적인 기여를 하는 세포의 구조물을 형성한다 (그림 1)

그림 1. 세포외기질은 피브로넥틴이 세포막 단백질인 인테그린과 결합하는 한편 세포외 단백질인 콜라겐과 결합한 후, 콜라겐은 고분자 당-단백질 복합체인 프로테오글리칸과 결합하여 완성된다.

목차

세포외 기질을 형성하는 생물물질들은 세포질에서 합성되어 세포외배출 과정을 거쳐서 분비된다. 세포외기질을 구성하는 주요 요소는 두 가지이다. 글리코사미노글리칸 (Glycosaminoglycans; GAGs)과 섬유형 단백질이다. GAG는 탄수화물의 중합화로 형성된 고분자로서 세포외기질 단백질과 공유결합을 통하여 프로테오글리칸 (proteoglycans)이라는 거대 복합체를 형성한다 (그림2).

(그림 2) 프로테오글리칸(proteoglycan); 중앙단백질(protein core)와 결합한 GAG로 구성된 거대 분자. GAG는 케라탄황산(keratan sulfate)과 콘드로이틴황산(chondroitin sulfate)으로 구성됨. ()

프로테오글리칸의 대부분이 음전하를 갖고 있는 탄수화물로 구성되어있기 때문에 양전하를 띠는 나트륨 이온과 상호작용하며 나트륨 이온은 물 분자를 보유함으로써 세포외기질과 세포 표면에 물을 보유하는 구조를 형성한다. 이는 물리적인 충격 뿐만 아니라 급격한 온도의 변화에 대한 완충 역할을 맡는다. 나아가서 세포외기질은 액체화된 공간에 성장인자와 같은 여러 가지 신호물질을 저장한다.

헤파란 황산은 주로 동물세포에서 선형 다중탄수화물의 형태로 분포한다. 2개 혹은 3개의 헤파란 황산 사슬이 단백질에 공유결합으로 연결되어 형성된 붙어있는 프로테오글리칸은 세포 표면이나 세포외기질 단백질과 함께 분포한다. 헤파란 황산은 여러 가지 폴리펩타이드 리간드와 결합하여 발생 과정, 혈관 형성, 혈액 응고 및 종양 전이를 비롯한 다양한 생물학적 활성을 조절한다. 

콘드로이틴 황산도 세포외기질에서 선형 다중탄수화물의 형태로 주로 연골, 힘줄, 인대, 대동맥 벽 등과 같이 인장의 강도를 필요로 하는 조직의 세포외기질을 형성한다. 또한 뉴런의 가소성 (plasticity) 에도 관여하는 것으로 알려져 있다.

케라탄 황산은 다른 GAG와는 다르게 우론산 (uronic acid)를 갖고 있지 않으며, 각막, 연골, 뼈와 동물의 뿔에 분포한다.

히알루론산은 D-글루쿠론산과 N-아세틸 글루코사민의 잔기가 교대로 연결된 선형의 다중탄수화물이다. 히알루론산은 프로테오글리칸에서 발견되지 않으며 하중이 많이 부과되는 관절의 세포외기질에서 많이 분포한다. 

콜라겐은 동물의 여러 결합조직의 세포외기질에서 가장 많이 분포하는 단백질이다. 콜라겐은 세 가닥의 콜라겐이 나선을 형성하는 구조를 갖고 있어서 탄성과 장력이 매우 높은 특징이 있다 (그림 2). 콜라겐이 가장 많이 분포하는 세포외기질은 인대, 힘줄, 피부 등이 있다. 콜라겐은 생화학적 특성에 따라 13 가지 유형으로 나뉜다. 세포질에서 합성된 콜라겐은 전구체 형태로 분비되고 단백질 절단 과정을 통해서 세포외 기질을 형성한다. 콜라겐은 광물화 (mineralization)의 정도에 따라서 여러 수준의 경도를 갖기 때문에 뼈와 같이 최고의 경도를 갖는 조직에서부터 연골과 같이 탄력이 높은 조직을 만들 수 있다. 

엘라스틴은 콜라겐과는 달리 조직에 탄력을 부여하여 필요에 따라 신장과 수축을 반복할 수 있는 성질을 갖는 단백질이다. 이러한 기능적 특성 때문에 혈관, 폐, 피부, 인대 등에 분포한다. 

피브로넥틴은 약 2,500 여개의 아미노산으로 만들어진 고분자 당단백질이다. 피브로넥틴은 프로테오글리칸, 콜라겐, 인테그린과 결합하는 독립적인 도메인을 가지고 있다. 피브로넥틴 단백질은 공유 결합을 통해서 형성된 이량체가 세포외기질을 구성하는 프로테오글리칸, 콜라겐, 그리고 막단백질 인테그린과 결합하여 세포외 기질의 구조를 완성하는 역할을 한다. 

라미닌 단백질에는 α, β, γ 세 가지 아형이 존재하며, 이들 세 가지 아형으로 이루어진 삼량체가 주어진 생물학적 기능을 수행한다. 라미닌 삼량체은 다른 삼량체와 규칙적으로 배열하여 격자 형태로 이루어진 그물망의 구조를 형성한다. 이러한 그물망 구조는 콜라겐과 니도겐과 같은 세포외 기질을 구성하는 단백질과 결합하여 더욱 기능적인 세포외 기질의 구조를 완성한다. 

세포외 기질은 여러 가지 물질로 구성되기 때문에 그 유형에 따라 다양한 생물학적 기능을 한다. 예를 들어, 조직을 분리하고 세포 간의 소통을 조절할 뿐만 아니라, 세포의 동적 거동에도 관여하며, 특히 세포 성장 인자의 보관 장소로 사용된다. 세포외기질의 강도와 탄성은 세포 이동, 유전자 발현, 분화에 중요한 영향을 미친다. 예를 들어 세포는 세포외 기질의 강도를 감지하여 강도가 더 높은 표면으로 이동하는 성질을 갖는다. 세포의 탄성도 선택적인 유전자의 발현에 중요하다. 더구나 세포외기질에 보관된 성장 인자들은 생리학적인 신호에 의해서 활성화된 단백질 분해효소에 의해서 방출되기 때문에, 특정한 신호에 의해서 조절되는 세포의 기능과 성장과 분화에서 매우 중요한 역할을 한다.

GAG, 프로테오글리칸, 콜라겐, 엘라스틴, 피브로넥틴, 라미닌

필수세포생물학 (Alberts, 4판, 교보문고), The Cell; A Molecular Approach (Cooper and Hausman, 7판, Sinauer)