당지질

당지질(glycolipid)은 탄수화물이 아실 글리세롤, 스핑고신 또는 세라마이드와 같은 지질 성분과 글리코사이드 결합(glycosidic bond)으로 연결되어있는 화합물 군을 말한다. 지질에 연결되는 당의 종류에 따라서 글리세로당지질, 스핑고당지질, 세레브로사이드, 강글리오사이드 등으로 분류한다. 구조적으로 세포막의 안정성을 유지하고 세포의 면역 반응과 외부 물질과의 인식에 중요하게 관여한다.

목차

당지질(glycolipid)은 아실 글리세롤, 스핑고신 또는 세라마이드와 같은 지질 성분이 글리코사이드 결합으로 연결되어 있는 화합물군을 말한다. 세포막의 가장 일반적인 지질은 글리세롤 골격의 글리세로지질(glycerolipid)과 스핑고신 골격의 스핑고지질(sphingolipid)이다. 여기에 당(사카라이드, saccharide)이 결합하여 각각 스핑고당지질(glycosphingolipid)과 글리세로당지질(glycoglycerolipid)이 된다. 비극성 긴 사슬을 가지는 당지질은 극성 머리 부분과 비극성 꼬리 부분으로 구분이 되어 당지질은 친수성과 친유성 환경 사이를 중개한다.

두 층의 지질로 구성된 세포막을 구성하면서 바깥쪽 표면으로 친수성 당이 위치하여 세포를 둘러싸고 있는 수용성 환경에서 외부 물질과 선택적이면서 친화적으로 거동할 수 있다.

대부분의 당지질은 탄수화물 단위가 직접적으로 연결한 분자 결합에 따라 3개의 주요 그룹으로 분류한다. 스핑고지질(시알산을 가지는 성분을 포함), 강글리오사이드 및 글리세로당지질과 아이소프레놀-당지질이다. 기능적으로는 아이소프레놀-당지질은 당단백질 생합성의 일부로 지질 세포막을 통하여 탄수화물의 수송을 매개하지만, 스핑고당지질과 글리세로당지질은 세포막 구성체로 직접 역할을 한다는 점이 구별된다.

자연계의 대표적인 당지질인 스핑고당지질(sphingolipid)의 분류는 극성머리 부분의 구조에 따라서 스핑고신(sphingosine), 세라마이드(ceramide), 스핑고미엘린(sphingomyelin), 세레브로사이드(cerebroside) 그리고 강글리오사이드(ganglioside)로 구분한다.

당지질의 하나인 스핑고리피드(sphingolipids)의 다양한 종류와 구조: Glc와 Gal은 D-글루코스(glucose)와 D-갈락토스(galactose)를 나타낸다 (출처: 대한화학회)

스핑고신(sphingosine)은 위 그림에서와 같이 트랜스-D-에리스로-2-아미노-4-옥타데센-1,3-다이올 (trans-D-erythro-2-amino-4-octadecene-1,3-diol)인데 스핑고리피드를 이루는 가장 대표적인 화합물이다. 탄소가 18개이고 트랜스-알켄의 아미노알코올 구조이다. 참고로 스핑가닌(sphinganine)은 스핑고신이 수소화된 D-에리스로-2-아미노-1,3-옥타데케인다이올(D-erythro-2-amino-1,3-octadecanediol)로서 포화스핑고신이라 하고 스핑고신의 생합성 전구체로 이용된다. 스핑고신의 아민에 지방산이 결합하면 세라마이드(ceramide) 구조가 된다.

세라마이드(ceramide)의 일반적인 구조는 스핑고이드(sphingoid, 스핑고리피드의 기본 골격 물질)에 대부분 C20 이상의 포화 또는 불포화 지방산이 아실화된 모든 N-아실화 스핑고이드(sphingoid)이다. 세라마이드는 생체에서 스핑고마이에리네이스(sphingomyelinase, sphingomyelin phosphodiesterase)에 의해 스핑고마이엘린(sphingomyelin)으로 부터 가수분해 반응으로 만들어진다. 거꾸로 세라마이드에 포스포릴콜린(phosphorylcholine)이 결합하면 스핑고미엘린(sphingomyelin) 구조가 된다. 세포 내 세라마이드의 원래 생성은 여러 단계로 만들어진 스핑가닌(다이하이드로스핑고산)을 N-아실화 반응시킨 후 이를 탈수소화 효소반응으로 완성된다.

스핑고미엘린(sphingomyelin)은 N-아실-4-스핑겐일-1-O-포스포릴콜린(N-acyl-4-sphingenyl-1-O-phosphorylcholine) 화합물이다. 이는 스핑고신의 아미노기가 C20 이상의 포화 또는 불포화 지방산과, 말단 하이드록시기에 포스포릴콜린이 에스터 결합으로 얻어진다. 결과적으로 스핑고미엘린은 세라마이드에 신경전달 물질인 포스포릴콜린이 결합한 구조이다. 식물에는 없고 뇌 및 기타 신경 조직에서 다량으로 발견된다.

세레브로사이드(cerebroside)는 N-아실스핑고이드(세라마이드)의 1차 알코올과 1-O-베타-글리코사이드 결합으로 단당류(일반적으로 글루코오스 또는 갈락토오스)가 연결된 모든 스핑고당지질을 말한다. 단당류는 식물의 경우 글루코스, 동물에서는 일반적으로 갈락토스이다. 하지만 조직에 따라 다른데 특히 뇌 혈액의 세레브로사이드에는 글루코스가 존재한다. 세레브로사이드 합성은 글루코스 또는 갈락토스의 세라마이드로의 전이에 의해 진행된다. 세레브로사이드는 동물의 근육과 신경 세포막의 중요 구성 요소인 모노글리코실세라마이드라고 하는 글리코스핑고지질의 일반적인 명칭으로 사용되고 있다.

강글리오사이드(ganglioside)는 세라마이드에 여러 당과 하나 이상의 시알산(sialic acid) 잔기를 보유하는 모든 세라마이드 올리고당 지질이다. 여기서 시알산은 N-아세틸뉴라민산(N-acetylneuraminic acid)이다. 강글리오사이드는 뇌 회백질의 신경절 세포에서 처음 분리되었고 척추동물 조직에 널리 분포되어 있다. 강글리오사이드는 한 개 이상의 시알산(sialic acid)을 가지기 때문에 음전하를 나타낸다. 가장 복잡한 동물성 당지질이고 200여 가지 이상의 강글리오사이드가 확인되었다.

당지질은 세포막의 구성 성분으로 막의 구조적 안정성을 유지하는 역할은 한다. 당지질의 당 부분은 극성 부분으로 세포막의 바깥쪽으로 돌출되어 외부 물질과의 인식 작용, 면역 반응, 혈액형 결정 등의 작용에 꼭 필요하다.

신체에서 당지질은 세포-세포 상호작용을 위한 인식 자리로 이용된다. 당지질의 탄수화물 부분은 인접한 세포의 특정 상보적인 탄수화물이나 렉틴(탄수화물 결합 단백질)과 결합한다. 이러한 세포 표면의 마커 물질과의 상호작용은 세포 인식의 기반이 되며, 조절, 성장, 세포자살과 같은 활동을 하는 세포 반응에 관여한다.

당지질은 체내에서 염증 반응 동안 백혈구와 내피 세포 사이의 상호 작용을 매개한다. 백혈구와 내피 세포의 표면에서 발견되는 렉틴의 한 종류인 셀렉틴은 당지질에 부착된 탄수화물과 결합하여 면역 반응을 일으킨다. 이러한 결합은 백혈구가 혈관으로부터 빠져나와 염증 부위로 유입되게 한다. 이후 더 강한 결합이 형성되고 있는 동안 백혈구가 염증 부위로 이동하도록 하는 인테그린이 발현된다. 이외에도 당지질은 바이러스가 숙주 세포를 인식하는데 이용된다.

사람의 ABO식 혈액형에서 네 가지 혈액형(A형, B형, AB형, O형)은 항원으로 작용하는 적혈구의 표면에 있는 특정 당지질에 결합된 올리고당에 의해 결정된다. H항원이라 불리는 변형되지 않은 항원은 O형의 특징이며, 모든 혈액형의 적혈구에 존재한다. A형은 주된 항원 결정 구조로 N-아세틸갈락토사민이 첨가되고, B형은 갈락토스가 첨가되며, AB형은 이들 세 가지 항원을 모두 갖는다. 개체의 혈액에 존재하지 않는 항원은 항체의 생성을 유도하여, 생성된 항체가 외부로부터 유입된 당지질과 결합하게 된다. 이러한 이유로 AB형 혈액형은 이미 모든 항원을 가지고 있어 모든 사람으로부터 수혈을 받을 수 있고, O형 혈액형은 A,B두개의 항원이 없으므로 A,B혈액형으로부터 수혈을 받을 수 없으나 모든 혈액형 사람에게 수혈해 줄 수 있다.