2. The Supramolecular Architecture of Membranes

* All biological membranes are impermeable to most polar or charged solutes but permeable to nonpolar compounds.
* are 5 to 8 nm thick
* appear trilaminar(three-layered) when viewed in cross section with the EM.
* The combined evidence from electron microscopy, chemical composition, physical studies of permeability, the motion of individual protein and lipid molecules within membranes.
* supports the fluid mosaic model for the structure of biological membranes.

1) A Lipid Bilayer Is the Basic Structural Element

Membrane lipid는 membrane protein과 달리 비대칭이 절대적이지는 않지만 bilayer의 양면에 그 분포는 비대칭이다.

2) Membrane Lipids Are in Constant Motion

Lipid bilayer 구조는 그 자체로 안정적이지만, 각각의 phospholipid와 sterol은 membrane의 평면내부에 한해서 매우 자유롭게 움직일 수 있다. 그들은 매우 빨리 측면으로 확산되어 수 초 내에 적혈구를 일주할 수 있다.

Bilayer의 내부 또한 유동적이다. Fatty acid의 hydrocarbon chain 각각은 항상 움직이고 있으며 그 움직임은 긴 acyl side chain의 carbon-carbon bond 주위의 회전에 의해 생긴다.

유동성의 정도는 lipid composition과 온도에 달려있다. 낮은 온도에서는 비교적 적은 lipid motion이 일어나고 bilayer는 거의 결정과 같은(paracrystalline) 배열로 존재한다. 각 membrane에 대해 특정 온도 이상일 때 lipid는 빠르게 motion을 시작할 수 있다. Paracrystalline solid에서 fluid로 되는 transition 온도는 그 membrane의 lipid composition에 달려 있다. 포화지방산은 paracrystalline array내에 잘 packing 되어 있고 불포화 지방산에서의 비틀림은 이러한 packing을 방해하여 paracrystalline solid state가 형성되지 못하도록 한다. 불포화 지방산의 비율이 높을 수록 membrane의 solid상태에서 fluid 상태로의 transition temperature 또한 높아진다.

Membrane의 sterol 함량 또한 이 transition temperature의 중요한 영향요인이다. Fatty acyl side chain 사이에 삽입되어 있는 steroid nucleus의 견고한 평면구조는 유동성에 대해 두 가지 영향요인을 가지고 있다 : Solid-to-fluid transition 의 온도 이하에서, sterol의 삽입은 fatty acyl chain의 고도로 정렬된,질서화된 packing을 방지하여 membrane이 유동성을 갖도록 한다. Transition point 이상에서, sterol의 견고한 ring system은 carbon-carbon bond 사이의 회전에 의해 움직이는 이웃한 fatty acyl chain의 자유로움을 감소시킴으로써 bilayer 중심부의 유동성을 감소시킨다. 따라서 sterol은 그들을 함유한 membrane의 solidity와 fluidity의 양극단의 상태를 조절한다.

미생물과 배양된 동물 세포 모두는 다양한 성장 조건에서 그들의 lipid composition을 일정한 유동성을 유지할 때 까지 조절한다. 예를 들어, 낮은 온도에서 배양될 때 세균은 높은 온도에서 배양될 때 보다 더 많은 불포화지방산과 더 적은 포화지방산을 합성한다. Lipid composition 상의 이러한 조절의 결과, 높거나 낮은 온도에서 배양된 세균의 막은 거의 동일한 유동성을 가지게 된다.

막 구성성분의 측면이동과 acyl chain의 열에 의한 유동은 분명히 일어나지만 bilayer의 한 면에서 다른 면으로 lipid가 이동하는 transbilayer 또는 flip-flop diffusion은 제한적으로 일어난다. Flip-flop diffusion이 일어나기 위해선 극성이면서 전하를 띨 수도 있는 lipid head group이 소수성 내부를 통해 이동해야 하는데 이것은 거대한 positive 자유에너지를 가지고 있다.
예를 들어 세균의 원형질막의 합성동안에 막의 내부에서 생산된 인지질은 bilayer의 바깥면으로 나가기 위해 flip-flop diffusion을 해야만 한다. 여기에는 flip-flop diffusion을 촉진하는 단백질이 관여하여 transmembrane path를 제공하고 그것은 에너지적으로 더욱 favorable하다.

3) Integral Membrane Proteins Are Insoluble in Water

Membrane protein : two group으로 나눌 수 있다.
①integral protein
   막의 내외부 관통
   막과 강력히 결합(membrane lipid와 protein사이의 hydrophobic interaction 때문)
   막과 분리 위해 detergent, organic solvent, denaturant 필요
   insoluble
②peripheral protein
   표면에 존재
   막과 가볍게 결합
   온화한 처리로 쉽게 막과 분리 가능
   soluble

4) Some Integral Proteins Have Hydrophobic Transmembrane Anchors

Integral membrane protein은 일반적으로 hydrophobic amino acid가 풍부한 부분을 가지고 있다. 어떤 protein에는 하나의 hydrophobic sequence가 protein의 가운데에 있고 다른 membrane protein은 여러개의 hydrophobic sequence를 가지고 있으며 각각은 α-helical conformation 형태로 lipid bilayer를 가로지를 만큼 충분히 길다.

각 α-helical segment들은 막 내외부 표면에서 nohelical loop에 의해 연결되어 있다. Nonpolar amine acid와 acyl side chain사이의 hydrophobic interaction은 막내부에서 단백질이 강력한 닻역할을 하도록 하며 이온 등의 이동을 위한 transmembrane pathway를 제공해 준다.

5) Peripheral Proteins Associate Reversibly with the Membrane

많은 peripheral protein은 integral membrane protein의 친수성 부분, 그리고 membrane lipid의 polar head group과의 정전기적 상호작용과 수소결합에 의해 membrane에 매달려 있다.

그들은 정전기적 상호작용을 저해시키거나 수소결합을 절단시키는 비교적 온화한 처리에 의해 방출될 수 있다.

이들 peripheral proteins may serve as
①regulators of membrane-bound enzymes
②or as tethers that connect integral membrane proteins to intracellular structures
③or (너무 심하게 흔들리지 않도록) limit the mobility of certain membrane proteins

6) Membrane Proteins Diffuse Laterally in the Bilayer

그러나 모든 막 단백질이 빠르게 측면 확산을 시작하는 것은 아니며 이 일반성에 대해 많은 예외가 존재한다. 어떤 막 단백질은 cell 또는 세포소기관 표면에 거대한 응집(patches)을 형성하기 우해 인접한 막 단백질과 결합한다. 이 경우 각 단백질 분자는 서로에 대해 움직이지 못한다.

Acetylcholine receptor는 syanpses에서 조밀한 patches를 형성한다.

또 다른 막 단백질은 자유로운 확산을 방지하는 내부 구조로 인해 고정되어 있다. 적혈구의 막에서, glycophorin과 chloride-bicarbonate exchanger 모두는 섬유성 cytoskeletal protein인 spectrin에 의해 내부가 묶여 있다.

7) Membrane Fusion Is Central to Many Biological Processes

Membrane은 안정적이지만 결코 정적인 것은 아니다. 두 membrane의 fusion이 일어날 만큼 동적이면서 유연하다. Exocytosis, endocytosis, egg와 sperm cell의 fusion, cell division 모두는 연속성의 상실없이 두 membrane segment가 fusion하는 것이다.

융합하기 위해선, 우선 두 membrane이 분자 수준의 거리(a few nanometers) 내로 서로 접근해야 한다.

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