세포막의 구조와 기능탐구 - 유용한 동영상 모음!!!

[문형철]

CHEMISTRY REVIEW VIDEOS 

The chemistry of water: https://youtu.be/5EZw-I65Q0A 

Chemical bonding: https://h5p.org/h5p/embed/267321

• Polar and nonpolar molecules: https://youtu.be/PVL24HAesnc

• Intermolecular forces video: https://h5p.org/h5p/embed/268232

• Basic principles of thermodynamics: https://www.youtube.com/watch?v=8N1BxHgsoOw ◦

Entropy and life: https://youtu.be/a_BKQ_ZPImw

◦ Thermodynamics and energy diagrams: https://youtu.be/Ykhn2psFmEM

• Basic of acids/base chemistry: https://youtu.be/mnbS56HQbaU

◦ More advanced concepts: Acids and pKas in the context of organic chemistry: https://www.youtube.com/watch?v=BLKqbC_QIZA

BIOLOGY REVIEW VIDEOS

• The basic structures of cells: https://youtu.be/8IlzKri08kk

• Macromolecules ◦ Amino acids and proteins: https://youtu.be/wvTv8TqWC48

◦ Lipids: https://youtu.be/5BBYBRWzsLA

Nucleic acids overview: https://youtu.be/MA-ouz1LtpM

▪ Chemistry of DNA: https://youtu.be/o_-6JXLYS-k

▪ DNA versus RNA: https://youtu.be/Wdt39RLmE_s

◦ Carbohydrates: https://youtu.be/LeOUIXbFyqk

• Transcription, translation, and protein folding overview: https://youtu.be/itsb2SqR-R0

◦ Transcription: https://youtu.be/SMtWvDbfHLo

◦ Translation: https://youtu.be/TfYf_rPWUdY

• Replication: https://youtu.be/I9ArIJWYZHI

• The cell cycle and mitosis (basics only): https://youtu.be/8uzHTKdv_Sw

https://open.oregonstate.education/cellbiology/chapter/biological-membranes/

Biological Membranes

Introduction

Now that you’ve had a chance to better understand microscopes, we now turn to learning about the makeup of the cells themselves. In this chapter, we will start by exploring the composition and function of biological membranes. This will give us the opportunity to review what we know about macromolecules, specifically lipids and proteins and, to a lesser extent, carbohydrates. After that, we will discuss the function of the plasma membrane and how the structure of those macromolecules contributes to the function of the plasma membrane. Finally, we will discuss cell surface–adjacent structures, like the extracellular matrix or plant cell wall, that are found just outside of the plasma membrane.

Topic 2.1: The Chemical Features of Biological Membranes

Learning Goals

• List the four primary features of a biological membrane and explain why they are important for cellular function.
• Explain how the chemical composition of a membrane (including lipids, carbohydrates, and proteins) contributes to its function.
• Explain how thermodynamics and the hydrophobic effect hold membranes together.
• Compare and contrast the chemical properties of membranes with the molecules that are allowed to cross versus the ones that are excluded from crossing.

All membranes in the cell share some common features, despite the fact that they each have a different composition, fluidity, and permeability. In this topic, we will discuss the common features of all membranes and touch briefly on which macromolecules contribute to specific membrane functions.

It’s worth noting that a biological membrane is not the same thing as a phospholipid bilayer, despite the fact that these terms sometimes are used interchangeably. A phospholipid bilayer is made only of phospholipids and nothing else, whereas a biological membrane will have many types of lipids in it (including glycolipids and cholesterol) as well as proteins. We’ll see examples of this later in the topic.

Membranes Are Barriers That Define Compartments

One of the most basic features of cells is that they are separated from the environment by a membrane. Not only do the membranes create a barrier that separates the inside of the cell from the exterior, but they also function in a way that gives the cell a great deal of control over what can enter or exit it. This creates an environment inside the cell that is different from the outside (Figure 02-01).

생물학적 막

소개

이제 현미경에 대해 더 잘 이해하셨을 것입니다. 이제 세포 자체의 구조를 배우는 단계로 넘어갑니다. 이 장에서는 생물학적 막의 구성과 기능을 탐구하는 것으로 시작하겠습니다. 이는 우리가 알고 있는 거대분자, 특히 지질과 단백질에 대해 복습하는 기회를 제공하며, 탄수화물에 대해서는 상대적으로 덜 다룰 것입니다. 그 다음에는 세포막의 기능과 이러한 거대 분자의 구조가 세포막의 기능에 어떻게 기여하는지 논의할 것입니다. 마지막으로, 세포막 바로 바깥쪽에 위치한 세포 표면과 인접한 구조물(예: 세포외 기질이나 식물 세포벽)에 대해 논의할 것입니다.

주제 2.1: 생물학적 막의 화학적 특성

학습 목표

• 생물학적 막의 네 가지 주요 특성을 열거하고, 왜 이러한 특성이 세포 기능에 중요한지 설명하세요.
• 막의 화학 구성(지질, 탄수화물, 단백질 포함)이 그 기능에 어떻게 기여하는지 설명하세요.
• 열역학과 친수성 효과가 막을 결합시키는 원리를 설명하세요.
• 막의 화학적 특성과 막을 통과할 수 있는 분자 및 통과할 수 없는 분자의 차이를 비교하고 대조하세요.

세포 내 모든 막은 구성, 유동성, 투과성이 다르지만 일부 공통된 특성을 공유합니다. 이 주제에서는 모든 막의 공통된 특성을 논의하고 특정 막 기능에 기여하는 주요 고분자에 대해 간략히 다룰 것입니다.

참고로, 생물학적 막은 인산지질 이중층과 동일하지 않습니다. 이 용어들이 때로는 혼용되지만, 인산지질 이중층은 인산지질만으로 구성되어 있는 반면, 생물학적 막은 다양한 유형의 지질(글리콜리피드와 콜레스테롤 포함)과 단백질을 포함합니다. 이 주제의 후반부에서 이에 대한 예를 살펴보겠습니다.

막은 구획을 구분하는 장벽입니다

세포의 가장 기본적인 특징 중 하나는 환경과 분리되어 있다는 점입니다. 막은 세포 내부를 외부와 분리하는 장벽을 형성할 뿐만 아니라, 세포가 무엇이 들어오거나 나가는 것을 통제하는 기능을 합니다. 이로 인해 세포 내부는 외부와 다른 환경을 갖게 됩니다(그림 02-01).

Molecules are able to move around freely (diffuse) within each cellular compartment. However, it is more challenging for some molecules to cross membranes. This is because biological membranes have specific chemical properties, which determine when and how molecules cross the membrane. Thus, membranes are a key feature that allows cells to maintain compartments with a distinctive chemical composition.

Like everything in science, the idea that biological membranes contain both lipids and proteins took time for cell biologists to accept. Sometime in the 1970s, the current concept of the membrane was developed and was known as the “fluid mosaic model.” The “fluid” part refers to the lipids being able to move around within the layers of the membrane, and the “mosaic” part refers to the fact that proteins are expected to be scattered across and throughout the membrane. Since then, further research and experimentation have expanded and refined our understanding of how membranes work. In this part of the chapter, we will explore four general features of biological membranes:

1. The membrane is a bilayer, made up of lipids and proteins.
2. The membrane is selectively permeable.
3. The membrane is organized but fluid.
4. The membrane is asymmetric.

We will look at each of these in a little more detail. Then in Topics 2.2 and 2.3, we will take a more in-depth look at the relationship between lipids and membrane fluidity as well as the organization and function of membrane proteins.

General Features of Biological Membranes

분자들은 세포 내 각 구획 내에서 자유롭게 이동(확산)할 수 있습니다. 그러나 일부 분자들은 막을 통과하는 것이 더 어렵습니다. 이는 생물학적 막이 분자들이 막을 통과하는 시기와 방법을 결정하는 특정 화학적 특성을 가지고 있기 때문입니다. 따라서 막은 세포가 독특한 화학적 구성의 구획을 유지할 수 있도록 하는 핵심적인 특징입니다.

과학의 모든 것처럼, 생물학적 막이 지질과 단백질을 모두 포함한다는 아이디어는 세포 생물학자들이 받아들이는 데 시간이 걸렸습니다. 1970년대 어느 시점에 현재의 막 개념이 개발되었으며, 이는 “유동 모자이크 모델”로 알려져 있습니다.

fluid mosaic model

'유동적'이라는 부분은

지질이 막의 층 내에서 움직일 수 있음을 의미하며, 

'모자이크'라는 부분은

단백질이 막 전체에 분산되어 존재한다는 점을 나타냅니다.

이후 추가 연구와 실험을 통해 막의 작동 원리에 대한 이해가 확장되고 정교해졌습니다. 이 장의 이 부분에서는 생물학적 막의 네 가지 일반적인 특징을 살펴보겠습니다:

1. 막은 지질과 단백질로 구성된 이중층입니다.
2. 막은 선택적 투과성을 가집니다.
3. 막은 조직화되어 있지만 유동적입니다.
4. 막은 비대칭적입니다.

이들 각 특성을 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 이어서 주제 2.2와 2.3에서는 지질과 막 유동성 간의 관계, 그리고 막 단백질의 조직화와 기능에 대해 더 깊이 탐구할 것입니다.

The Membrane Is a Bilayer Made Up of Both Lipids and Proteins

The earliest work on membranes was done on plasma membranes from red blood cells. This is because red blood cells are easy to collect in relatively large quantities. In addition, in mammals, they lack a nucleus and internal membranes. So they contain mostly “pure” plasma membrane without the need to experimentally separate other membrane types during experimental isolation. To isolate these membranes, cells are burst open and the membranes are gently washed to remove cytoplasmic debris. Lipids and proteins are separated by treatment with strong detergents or organic solvents (e.g., ether) and characterized. Next, we’ll take a look at the chemical properties of lipids and proteins separately to discuss how they each contribute to the structure of the biological membrane.

생물학적 막의 일반적인 특징막은 지질과 단백질로 구성된 이중층입니다.

막에 대한 초기 연구는 적혈구의 세포막을 대상으로 진행되었습니다. 이는 적혈구가 상대적으로 큰 양으로 쉽게 수집될 수 있기 때문입니다. 또한 포유류의 적혈구는 핵과 내부 막이 없기 때문에, 실험적 분리 과정에서 다른 막 유형을 실험적으로 분리할 필요 없이 주로 “순수한” 세포막을 포함합니다. 이 막을 분리하기 위해 세포를 파열시키고 막을 세포질 잔여물을 제거하기 위해 부드럽게 씻어냅니다. 지질과 단백질은 강한 계면활성제나 유기 용매(예: 에테르)로 처리하여 분리하고 특성을 분석합니다. 다음으로, 지질과 단백질의 화학적 특성을 각각 살펴보고 생물막의 구조에 어떻게 기여하는지 논의하겠습니다.

1a. 막의 지질 성분: 지질 이중층의 형성

1a. The Lipid Component of Membranes: Formation of Lipid Bilayers

음전하를 띠는 세포막 벽의 인산기와 양전하를 띠는 물의 수소가 결합하기 때문에... 

세포벽은 친수성

(For a complete review of the basic structure and formation of lipid molecules as well as a description of polar and nonpolar molecules, please see the introduction.)

(지질 분자의 기본 구조와 형성 과정, 그리고 극성 및 비극성 분자에 대한 자세한 설명은 소개 부분을 참고하시기 바랍니다.)

막의 주요 지질 성분은 인산지질로,

극성 인산 머리 그룹과 두 개의 지방산 꼬리 그룹으로 구성되며,

각 꼬리 그룹은 알코올 잔기 통해 글리세롤의 한 팔에 연결되어 있습니다(그림 02-02A).

그러나

생물학적 막에서는 거의 단독으로 존재하지 않습니다.

다른 지질(글리콜리피드, 스핑고리피드, 콜레스테롤) 및 수많은 단백질이

모든 생물학적 막에 존재합니다.

인산지질의 화학적 특성은

생물막의 핵심 구성 요소인 이중층 구조를 형성할 수 있게 합니다.

물 속에서 지방과 기름은

물과 섞이지 않는 혼란스러운 분자 덩어리로 큰 방울을 형성합니다(샐러드 드레싱을 상상해 보세요).

The main lipid components of membranes are phospholipids, a family of molecules with a polar phosphate head group and two fatty acid tails, each connected to an arm of a glycerol via an alcohol residue (Figure 02-02A). However, they are almost never alone in a biological membrane. Other lipids (glycolipids, sphingolipids, and cholesterol) as well as a great many proteins are found in every biological membrane. The chemical properties of phospholipids allow them to adopt a bilayer shape, a key component to a biological membrane.

In water, fats and oils will form into large droplets of jumbled molecules that do not mix with the water (think salad dressing). However, membrane lipids are able to form sheets because of two very important characteristics:

• They are amphipathic (i.e., there is a polar “head” region, which can freely form hydrogen bonds with water, and a nonpolar “tail” region, which cannot). Some sources refer to polar molecules/regions as hydrophilic, which translates to “water loving.” Conversely, the nonpolar molecules/regions are sometimes referred to as hydrophobic, which translates to “water fearing,” but as these terms are misleading and stray from referencing the chemical properties of the molecules, we don’t find them to be as useful. We prefer the terms polar and nonpolar when describing the head and tail regions of the phospholipids, as they are more scientifically accurate. However, both will be used in this textbook.
• They form a roughly cylindrical shape, which tends to stack together well (much like cans of soda; see Figure 02-02B).

그러나

막 지질은 두 가지 매우 중요한 특성 때문에 시트를 형성할 수 있습니다:

• 그들은 암피파틱(즉, 물과 자유롭게 수소 결합을 형성할 수 있는 극성 “머리” 영역과 수소 결합을 형성할 수 없는 비극성 ‘꼬리’ 영역을 갖습니다). 일부 자료에서는 극성 분자/영역을 수용성이라고 부르며, 이는 “물 친화적”으로 번역됩니다. 반면, 비극성 분자/영역은 때로는 '수소 결합을 형성하지 않는'을 의미하는 '수소 결합을 두려워하는'으로 번역되는 '수소 결합을 두려워하는'으로 지칭되기도 합니다. 그러나 이러한 용어는 분자의 화학적 특성을 정확히 반영하지 않기 때문에 유용하지 않다고 판단됩니다. 우리는 인산지질의 머리 부분과 꼬리 부분을 설명할 때 '극성'과 '비극성'이라는 용어를 선호합니다. 이는 과학적으로 더 정확하기 때문입니다. 그러나 이 교과서에서는 두 용어를 모두 사용할 것입니다.
• 그들은 대략 원통형 모양을 형성하며, 서로 잘 쌓이는 경향이 있습니다(소다 캔과 유사함; 그림 02-02B 참조).

When phospholipids are mixed with water, they will spontaneously form into spherical bodies called liposomes that have water on the inside as well as on the outside (Figure 02-02B). Liposomes are commonly used for the targeted oral delivery of drugs and other agents in medical treatment. Liposomes are the simplest version of a cell membrane, so they are able to fuse with a real cell membrane to release its contents directly into the cell. This is useful if the compound inside the liposome would not easily pass through a membrane under normal circumstances. A great example of this technology in action is the RNA vaccines developed to target the SARS-CoV-2 virus (the cause of the COVID-19 pandemic). These RNA vaccines use an outer coating called a lipid nanoparticle, which is a combination of phospholipids, cholesterol, and other compounds that are designed to help contain and stabilize the RNA vaccine and ease its entry into the cell.

인산지질은

물과 섞이면 자연스럽게 리포좀이라고 불리는 구형 구조체를 형성합니다.

이 구조체는

내부와 외부 모두에 물을 포함하고 있습니다(그림 02-02B).

리포좀은

의료 치료에서 약물 및 기타 물질의 표적 경구 투여에 널리 사용됩니다.

리포좀은

세포막의 가장 간단한 형태이기 때문에 실제 세포막과 융합하여

그 내용을 직접 세포 내로 방출할 수 있습니다.

이는 리포좀 내부의 화합물이 정상적인 조건에서 막을 쉽게 통과하지 못할 경우 유용합니다. 이 기술의 대표적인 예는 SARS-CoV-2 바이러스(코로나19 팬데믹의 원인)를 표적화하기 위해 개발된 RNA 백신입니다. 이 RNA 백신은 인슐린과 콜레스테롤, 기타 화합물로 구성된 외피인 지질 나노입자를 사용합니다. 이 외피는 RNA 백신을 포함하고 안정화하며 세포 내 진입을 용이하게 설계되었습니다.

1. nature  
2. nature chemistry  
3. articles  
4. article

Engineering a nanoscale liposome-in-liposome for in situ biochemical synthesis and multi-stage release

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• Published: 15 July 2024

Engineering a nanoscale liposome-in-liposome for in situ biochemical synthesis and multi-stage release

• Colin P. Pilkington, 
• Ignacio Gispert, 
• Suet Y. Chui, 
• John. M. Seddon & 
• Yuval Elani 

Abstract

Soft-matter nanoscale assemblies such as liposomes and lipid nanoparticles have the potential to deliver and release multiple cargos in an externally stimulated and site-specific manner. Such assemblies are currently structurally simplistic, comprising spherical capsules or lipid clusters. Given that form and function are intertwined, this lack of architectural complexity restricts the development of more sophisticated properties. To address this, we have devised an engineering strategy combining microfluidics and conjugation chemistry to synthesize nanosized liposomes with two discrete compartments, one within another, which we term concentrisomes. We can control the composition of each bilayer and tune both particle size and the dimensions between inner and outer membranes. We can specify the identity of encapsulated cargo within each compartment, and the biophysical features of inner and outer bilayers, allowing us to imbue each bilayer with different stimuli-responsive properties. We use these particles for multi-stage release of two payloads at defined time points, and as attolitre reactors for triggered in situ biochemical synthesis.

초록
리포좀과 지질 나노입자 같은 연성 물질 나노スケ일 조립체는 외부 자극에 따라 특정 부위에서 다중 화물을 전달하고 방출할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 이러한 조립체는 현재 구조적으로 단순하며, 구형 캡슐이나 지질 클러스터로 구성되어 있습니다. 형태와 기능이 밀접하게 연결되어 있기 때문에, 이러한 구조적 복잡성의 부족은 더 복잡한 특성의 개발을 제한합니다. 이를 해결하기 위해 우리는 마이크로플루이디クス와 공액 화학 기술을 결합한 공학 전략을 개발하여 두 개의 분리된 구획을 가진 나노 크기의 리포좀을 합성했습니다. 이 구조를 우리는 '콘센트리스옴'이라고 명명했습니다. 우리는 각 이중막의 구성 성분을 제어하고 입자 크기 및 내외막 간의 차원을 조정할 수 있습니다. 각 구획에 포함된 화물의 종류를 지정하고 내외막의 생물물리적 특성을 조절함으로써, 각 이중막에 서로 다른 자극 반응 특성을 부여할 수 있습니다. 이 입자들은 정의된 시간점에 두 개의 화물을 다단계로 방출하는 데 사용되며, 트리거된 현장 생화학적 합성을 위한 아틀리트 반응기로도 활용됩니다.

Thermodynamics

This text assumes that you have preexisting knowledge of thermodynamics from first-year chemistry. If you need a quick refresher, there are videos in the introduction

Thermodynamics Drive the Formation of the Lipid Bilayer: The Hydrophobic Effect

Phospholipids form stable bilayers in an aqueous environment due to thermodynamics. The spontaneous formation of a lipid bilayer from lipids in an aqueous solution, simulated in Video 02-01, shows the power of thermodynamics in action. The laws of thermodynamics explain why it is more energetically favorable for phospholipids to clump together and form a bilayer in water than it is for them to remain dispersed.

열역학

이 텍스트는 화학 1학년 과정에서 열역학에 대한 기본 지식을 보유하고 있음을 가정합니다. 복습이 필요하신 경우 소개 섹션에 동영상 자료가 있습니다.

열역학이 지질 이중층 형성을 주도합니다: 친수성 효과

인산지질은 열역학에 의해

수성 환경에서 안정적인 이중층을 형성합니다.

비디오 02-01에서 시뮬레이션된 것처럼,

수성 용액에서 지질이 자발적으로 지질 이중층을 형성하는 현상은

열역학의 힘을 보여줍니다.

https://www.youtube.com/watch?v=lm-dAvbl330

열역학 법칙은

인산지질이 물에서 분산된 상태로 남아 있는 것보다

뭉쳐서 이중층을 형성하는 것이 에너지적으로 더 유리함을 설명합니다.

The phenomenon where nonpolar molecules in an aqueous environment clump together is called the hydrophobic effect. Clumping together is not favorable because the nonpolar groups attract each other per se, but because, when clumped together, nonpolar molecules do not have to interact as much with water, which is polar. When the nonpolar material clumps together, water and other polar molecules are freer to move and, more importantly, hydrogen bond with each other. This freedom of motion for the water allows for the overall reaction to be spontaneous.

수성 환경에서 비극성 분자들이 뭉치는 현상을 수소기피 효과라고 합니다. 분자들이 뭉치는 것은 비극성 그룹이 서로를 끌어당기기 때문이 아니라, 뭉친 상태에서 비극성 분자들이 극성인 물과 상호작용할 필요가 줄어들기 때문입니다. 비극성 물질이 뭉치면 물과 다른 극성 분자들이 더 자유롭게 움직일 수 있으며, 더 중요한 것은 서로 수소 결합을 형성할 수 있다는 점입니다. 물의 이러한 자유로운 이동은 전체 반응이 자발적으로 진행될 수 있게 합니다.

While we don’t want to get too far into the equations of thermodynamics, here is a brief description of how thermodynamics favors the hydrophobic effect. You may want to return to your general chemistry notes for this (or refer back to the information in the introduction).

Recall from general chemistry that the free energy equation is

ΔG=ΔH−TΔS,

where ΔG is the Gibb’s free energy change, ΔH is the change in enthalpy (often described as internal energy or bond energy of the molecule), ΔS is the change in entropy (which is often thought of as motional freedom), and T is temperature.

As a reminder, reactions are energetically favorable when ΔG is negative, which means that energy will be released. This can be accomplished by decreasing the enthalpy or by increasing entropy. In the case of the formation of the lipid bilayer (and any other clustering of nonpolar molecules in water), it is the entropy of the water molecules surrounding the nonpolar groups that is changed when lipids assemble into bilayers. Two points are critical here:

• Nonpolar particles force the surrounding water molecules into an energetically unfavorable configuration that distorts the normal hydrogen-bonded structure of water (Figure 02-04). This cage-like structure restricts the movement of the water surrounding the nonpolar particle. Clumping the nonpolar molecules together reduces the surface area that is required for the nonpolar molecules to interact with the surrounding water.
• In the case of phospholipids, when the nonpolar lipid tails are sequestered away from the surrounding aqueous environment, they don’t come into contact with water at all. Thus, the water molecules are not constrained and are able to freely hydrogen-bond with the polar head groups and/or other polar molecules. This net reduction of the number of “constrained” water molecules provides a large increase in entropy. Based on our equation above, all other things being equal, that increase in entropy can be enough to result in a negative change in free energy. Thus, it requires less overall energy to hold phospholipids in a bilayer formation, making it “energetically favorable.”

열역학 방정식에 너무 깊이 들어가지 않겠지만, 열역학이 소수성을 어떻게 유리하게 하는지 간략하게 설명해 보겠습니다. 이 부분을 이해하려면 일반 화학 노트(또는 소개 부분의 정보)를 다시 한 번 살펴보시기 바랍니다.

일반 화학에서 배운 자유 에너지 방정식은 다음과 같습니다.

ΔG=ΔH−TΔS,

여기서 ΔG는 기브스 자유 에너지 변화, ΔH는 엔탈피 변화(분자의 내부 에너지나 결합 에너지로 설명되기도 함), ΔS는 엔트로피 변화(운동 자유도로 생각되기도 함), T는 온도입니다.

다시 한 번 상기하자면, 반응은 ΔG가 음수일 때 에너지적으로 유리하며, 이는 에너지가 방출됨을 의미합니다. 이는 엔탈피를 감소시키거나 엔트로피를 증가시킴으로써 달성될 수 있습니다. 지질 이중층의 형성(및 물 속의 비극성 분자의 집합)의 경우, 지질이 이중층으로 집합할 때 비극성 그룹을 둘러싼 물 분자의 엔트로피가 변화합니다. 여기서 두 가지 점이 중요합니다:

• 비극성 입자는 주변 물 분자를 에너지적으로 불리한 구조로 강제하여 물의 정상적인 수소 결합 구조를 왜곡합니다(그림 02-04). 이 케이지 같은 구조는 비극성 입자 주변의 물 분자의 운동을 제한합니다. 비극성 분자를 뭉치게 하면 주변 물과 상호작용하기 위해 필요한 표면적이 감소합니다.
• 인산지질의 경우, 비극성 지질 꼬리가 주변 수성 환경에서 격리되면 물과 전혀 접촉하지 않습니다. 따라서 물 분자는 제약받지 않고 극성 머리 그룹과/또는 다른 극성 분자와 자유롭게 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 이 “제약된” 물 분자의 수의 순감소는 엔트로피의 큰 증가를 초래합니다. 위 방정식에 따르면, 다른 모든 조건이 동일할 때, 이 엔트로피의 증가는 자유 에너지의 음의 변화를 초래할 수 있습니다. 따라서 인산지질을 이중층 구조로 유지하는 데 필요한 전체 에너지가 줄어들며, 이는 “에너지적으로 유리하다”는 것을 의미합니다.

1b. The Protein Component of Membranes

The second major component of membranes is proteins, which should come as no surprise. Virtually everything in the cell is either made of proteins or made by proteins, so the importance of understanding how the structure of proteins impacts their function cannot be overstated.

We expect that you have learned about proteins in your general biology classes, so we approach this topic from that perspective. (If you need a refresher, we suggest looking at the material in the introduction.) However, even if you have learned about proteins before, there is much more to learn. Proteins are important enough that you should expect to cover them in several courses, with increasing levels of detail and complexity. In this textbook we will be exploring protein structure and function, and how it specifically relates to membrane structure and function, in Topic 2.3.

1b. 막의 단백질 성분

막의 두 번째 주요 구성 요소는 단백질로, 이는 놀랍지 않을 것입니다.

세포 내 거의 모든 것은

단백질로 구성되거나 단백질에 의해 생성되기 때문에,

단백질의 구조가 기능에 미치는 영향을 이해하는 것은 매우 중요합니다.

일반 생물학 수업에서 단백질에 대해 배웠을 것으로 기대하며, 이 주제를 그 관점에서 다룹니다. (복습이 필요하면 도입부의 자료를 참고하세요.) 그러나 단백질에 대해 이미 배웠더라도 배울 것이 훨씬 더 많습니다. 단백질은 매우 중요하기 때문에 여러 과목에서 점점 더 세부적이고 복잡한 수준으로 다루어질 것입니다. 이 교과서에서는 주제 2.3에서 단백질의 구조와 기능, 그리고 이것이 막의 구조와 기능과 어떻게 구체적으로 관련되는지 탐구할 것입니다.

General Features of Biological Membranes
The Membrane Is Selectively Permeable

We say that membranes are selectively permeable because experiments show that they allow some molecules to pass through while excluding others. However, it has also been shown that the properties of different membranes vary…a lot! Some are very permeable to ions and water, while others allow almost nothing through.

The chemical composition of the membrane, specifically the lipids that make up the bilayer, is a large factor in the membrane’s capacity to be selectively permeable. Due to the primarily nonpolar environment inside the core of the bilayer, it is extremely unfavorable for water or other polar molecules to spend any time in there; thus, the interior of the membrane is almost entirely a water-free zone. This does not necessarily mean that small polar molecules (like water) never enter the core of the bilayer, but if they do, they exit again quickly. This is the basis for the reduced permeability of membranes for polar molecules.

To further explore selective permeability, we will look at the simplest example—a synthetic bilayer made entirely of phospholipids. In biological membranes, there are a variety of transport proteins, which allow molecules to pass through the membrane. Looking first at a pure phospholipid bilayer can help us understand why some molecules need transporters, whereas others do not.

• Depending on the properties of the molecule in question (size, polarity), different molecules will have more or less difficulty crossing through that nonpolar portion of the membrane. Small nonpolar molecules (like oxygen, carbon dioxide, and nitric oxide) can cross a lipid bilayer easily, without any help.
• Polar molecules that are very small (like water) are also able to cross bilayers, but not very well. As such, the process is slower, and many membranes have transport proteins to facilitate passage when necessary.
• Larger molecules (amino acids, nucleotides, and glucose) will struggle to cross the bilayer as a result of their size. These molecules can also be polar, which can add to the challenge.
• Charged molecules, regardless of size, will be completely unable to pass through the bilayer without help. This is the basis for many of the electrochemical gradients that the cell uses to drive work in the cell.

Most biologically important molecules are either too big (like glucose) or too charged (like ions) to pass through a membrane spontaneously. Transport proteins help these molecules to go across a membrane even if their chemical properties prevent them from diffusing spontaneously. The selective transport of molecules may or may not require the input of energy, like ATP, or rely on concentration gradients. The Amoeba Sisters have an excellent review video (Video 02-02) that explores the selective permeability of the membrane and how transporters regulate molecules going in and out of the cell.

생물학적 막의 일반적인 특징

막은 선택적으로 투과성입니다

막이 선택적 투과성을 갖는다고 말하는 이유는 실험을 통해 일부 분자는 통과시키지만 다른 분자는 차단한다는 것이 확인되었기 때문입니다. 그러나 다양한 막의 특성이 매우 다르다는 것도 밝혀졌습니다. 일부 막은 이온과 물에 매우 투과성이 높지만, 다른 막은 거의 아무것도 통과시키지 않습니다.

막의 화학 구성,

특히 이중층을 구성하는 지질은 막의 선택적 투과성에 큰 영향을 미칩니다.

이중층의 중심부인 주로 비극성 환경 때문에

물이나 다른 극성 분자가 그곳에 머무는 것은 매우 불리합니다.

따라서

막의 내부는 거의 완전히 물이 없는 구역입니다.

이는 작은 극성 분자(예: 물)가 이중층의 중심부에 절대 들어가지 않는다는 의미는 아닙니다.

다만 들어간다 해도 빠르게 다시 빠져나가기 때문입니다.

이것이 막이 극성 분자에 대해 투과성이 낮은 이유입니다.

선택적 투과성을 더욱 탐구하기 위해 가장 간단한 예인

인산지질로만 구성된 합성 이중층을 살펴보겠습니다.

생물학적 막에는 다양한 운반 단백질이 존재하며,

이는 분자가 막을 통과하도록 허용합니다.

순수한 인산지질 이중층을 먼저 살펴보는 것은 일부 분자가 운반 단백질이 필요한 반면 다른 분자는 필요하지 않은 이유를 이해하는 데 도움이 됩니다.

• 분자의 특성(크기, 극성)에 따라 분자들은 막의 비극성 부분を通과하는 데 더 많은 또는 적은 어려움을 겪습니다. 작은 비극성 분자(산소, 이산화탄소, 질산산화물 등)는 지질 이중층을 쉽게 통과할 수 있으며, 별도의 도움 없이도 가능합니다.
• 극성 분자 중 매우 작은 분자(물 등)도 이중층을 통과할 수 있지만, 효율은 낮습니다. 따라서 이 과정은 느리며, 많은 막은 필요 시 통과를 돕기 위해 운반 단백질을 갖추고 있습니다.
• 더 큰 분자(아미노산, 뉴클레오티드, 포도당 등)는 크기 때문에 이중층을 통과하는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 분자는 극성일 수도 있어 추가적인 어려움을 초래할 수 있습니다.
• 전하를 띤 분자는 크기와 관계없이 도움 없이 이중층을 통과할 수 없습니다. 이는 세포가 세포 내 작업을 수행하기 위해 활용하는 많은 전기화학적 농도 차이의 기반이 됩니다.

생물학적으로 중요한 대부분의 분자는 크기가 너무 크거나(예: 포도당) 전하가 너무 강해(예: 이온) 막을 자발적으로 통과할 수 없습니다. 운반 단백질은 분자의 화학적 특성으로 인해 자발적으로 확산되지 않는 분자들이 막을 통과하도록 돕습니다. 분자의 선택적 운반은 에너지(예: ATP)의 투입이 필요할 수도 있고, 농도 차이에 의존할 수도 있습니다. The Amoeba Sisters는 막의 선택적 투과성과 운반체가 세포 내외로 분자를 조절하는 방식을 설명하는 우수한 리뷰 영상(Video 02-02)을 제공합니다.

https://www.youtube.com/watch?v=Ptmlvtei8hw

Having control over which molecules are able to cross a given membrane is a key factor in how cells and organelles function. For example, the mitochondria’s capacity to generate ATP is almost entirely dependent on the formation of a concentration gradient (discussed in Video 02-02, above). Concentration gradients are used extensively by the cell to do work. They are analogous to a hydroelectric dam. A dam holds water in an upstream reservoir and controls the flow of water through turbines to create energy. In this analogy, the membrane is the dam, and specific ions are held at different concentrations on either side. As the ions naturally “flow” from the side of the membrane that has a high concentration to the side that has a low concentration, energy is released. The release of the molecules down the gradient is often used to “power” other cellular processes and thus is a key part in understanding advanced physiology. In this textbook, due to the metabolic pathways that we focus on, we mostly discuss the formation of proton gradients (i.e., H+ ions), but other electrochemical gradients are equally important to proper cellular function.

특정 분자가 특정 막을 통과할 수 있는지 여부를 제어하는 것은 세포와 세포 소기관의 기능에 있어 핵심적인 요소입니다. 예를 들어, 미토콘드리아가 ATP를 생성하는 능력은 거의 전적으로 농도 차이의 형성에 의존합니다(위 Video 02-02에서 논의됨). 농도 차이는 세포가 일을 수행하기 위해 널리 활용됩니다. 이는 수력 발전 댐과 유사합니다. 댐은 상류 저수지에 물을 저장하고 터빈을 통해 물의 흐름을 조절하여 에너지를 생성합니다. 이 비유에서 막은 댐이며, 특정 이온은 양쪽에 서로 다른 농도로 존재합니다. 이온이 자연스럽게 고농도 쪽에서 저농도 쪽으로 ‘흐르면서’ 에너지가 방출됩니다. 분자가 농도 차를 따라 방출되는 현상은 종종 다른 세포 과정을 '동력'으로 사용되며, 따라서 고급 생리학을 이해하는 데 핵심적인 부분입니다. 이 교과서에서는 우리가 중점적으로 다루는 대사 경로 때문에 주로 프로톤 농도 차(즉, H+ 이온)의 형성에 대해 논의하지만, 다른 전기화학적 농도 차도 세포 기능에 동일하게 중요합니다.

생물학적 막의 일반적인 특징

막은 조직화되어 있지만 유동적입니다

지질은 막의 조직화와 유동성에 핵심적인 역할을 합니다(핵심 개념). 막 내의 단백질은 조직화되어 있지만, 내부 또는 외부 구조물에 고정되어 있는지 여부에 따라 유동적일 수도 있고 아닐 수도 있습니다. 먼저 이 맥락에서 유동성을 어떻게 정의하는지 살펴보겠습니다.

막의 유동성은 두 가지 유형으로 구분됩니다:

• 이중층의 단일 층 내 지질의 측면 운동과
• 막의 전체적인 '경직도'입니다.

각각을 차례로 간단히 살펴보겠습니다.

단일 층 내 지질의 측면 운동은 이중층의 층 사이 운동보다 훨씬 유리합니다

친수성 효과는 막 지질의 비극성 부분을 막의 중심에 유지하며, 이는 막이 자발적으로 형성되는 이유입니다. 인산지질의 비극성 부분이 막의 내부에 머무는 한, 그들의 운동은 제한되지 않습니다(그림 02-05). 막이나 이중층 내에서는 개별 인산지질 분자가 축을 중심으로 빠르게 회전하거나 이중층의 평면 내에서 측면으로 확산될 수 있습니다. 반면, 그들은 이중층을 가로지르며 뒤집히는 현상은 매우 드뭅니다. 이는 극성 머리 그룹이 막의 비극성 중심부로 이동해야 하기 때문입니다.

General Features of Biological Membranes
The Membrane Is Organized but Fluid

Lipids have a key role to play in the organization and fluidity of a membrane (a key concept). Proteins in the membrane, while also organized, may or may not be fluid, depending on whether they are anchored to internal or external structures. First, we will explore how we define fluidity in this context.

There are two kinds of fluidity in membranes that must be considered:

• lateral motion of lipids within a single leaflet of the bilayer and
• overall “stiffness” of the membrane.

Let’s look at each of these briefly in turn.

Lateral Motion of Lipids within a Single Leaflet Is Far More Favorable Than Movement between Leaflets of the Bilayer

The hydrophobic effect keeps the nonpolar portions of membrane lipids in the center of the membrane and is the reason membranes form spontaneously. As long as the nonpolar portions of the phospholipids stay in the interior of the membrane, their movement is not restricted (Figure 02-05). Within a membrane or bilayer, individual phospholipid molecules can spin rapidly on their axis and/or diffuse laterally within the plane of the bilayer. On the other hand, they very rarely flip-flop across the bilayer, as it would require the polar head group to pass into the nonpolar center of the membrane.

Figure 02-05: Membranes are two-dimensional fluids. Each leaflet of the bilayer is separate from the other. The lipids within the leaflet can move in a variety of ways (shown). The one thing that they can’t do well is flip from one side of the membrane to the other. Flipping is not energetically favorable. This image was created by Heather Ng-Cornish and is shared under a CC BY-SA 4.0 license.

To further illustrate this point, here are some data to convince you:

• the frequency of lateral shifts of a phospholipid within the same layer is roughly 106/sec, but
• the frequency of flips from one leaflet to the other is closer to 10–5/sec.

Thus, flips between bilayer leaflets are about 1011 times less frequent than lateral movements within a phospholipid layer. Based on these numbers, an individual phospholipid would “flip” to the other leaflet about once every 28 hours on average. Thus, when we discuss membrane fluidity, we are generally referring to the lateral mobility of membrane components within a single leaflet of the membrane. It is also why we often refer to membranes as two-dimensional fluids.

Functional biological membranes require some movement of their lipids. The movement of lipids allows for rapid resealing of membranes in response to small holes or tears. However, too much fluidity can be damaging. A membrane that allows too much motion might have trouble keeping everything in its correct location. Think about a boiling pot of water, where it’s boiling so hard that water is spilling out everywhere. Membranes with too much fluidity may become holey or lose vital parts, which will make it challenging for the membrane to maintain its functionality.

Membrane Composition Also Determines How “Stiff” a Membrane Is

Membrane stiffness refers to how pliable or bendable the membrane is. It is a separate but equally important component of membrane fluidity, which is determined by the composition of the membranes. If membrane lipids pack too close together, the membrane will freeze in place, and the result will be a membrane that is too rigid to adapt as the cell moves and changes. On the other hand, a membrane that is too pliable will struggle to maintain the shapes required. Thus, the cell needs to manage the fluidity of its membranes in more ways than one. The cell manages this by controlling the precise lipid composition of the membrane. Remember that within each grouping of membrane lipids (phospholipids, glycolipids, sphingolipids) is a large family of similar molecules. By changing which phospholipids (or sphingolipids, etc.) and how much cholesterol is in the membrane, the cell can maintain its membranes within the correct range. That way they will be fluid enough to allow movement and bending but not so fluid that the cell struggles to control function. In Topic 2.2, we will look more deeply at how this fine balance is maintained by the cell in all kinds of environmental conditions.

General Features of Biological Membranes
The Membrane Is Asymmetric

Since membranes are exposed to different compartments and different environments on either side, it stands to reason that one would not expect the membrane, or its composition, to be identical on either side as well. This phenomenon is referred to as membrane asymmetry. There is always an inside that faces the cytoplasm (cytoplasmic side) and an outside facing the interior of an organelle or, in the case of the plasma membrane, the external environment (extracellular side). Both the lipids and the proteins play an important role in membrane asymmetry.