[세포학] Intracellular Compartment (세포 내 구간), Organelle (세포소기관), The Endomembrane System (내막계)

이번 포스팅에서는 Intracellular Compartment (세포 내 구간) 에 대해 정리하려고 합니다. 

아래 목차 참고하셔서 필요한 부분 찾아보시면 됩니다.

[1] Organelle (세포기관)  

[2] The Endomembrane System (내막계) 

[3] 단백질 분비 이동경로 - Constitutive Pathway & Regulated Pathway  

[4] Protein Sorting Mechanisms (단백질 선별) - Gated, Transmembrane, Vesicular  

[5] Signal Sequences  

[6] The Golgi Apparatus (골지체)  

[7] Lysosomes(리소좀) & Endosomes (엔도솜)  

  

 

 

[1] Organelle (세포기관)  

Organelle에 대한 정의가 책마다 다르게 되어있다. <The Cell> A subcellular compartment or large macromolecular complex, often membrane-enclosed, that has a distinct structure, composition, and function. 인데, 간단하게 membrane-enclosed 된 것들로 구분하긴 하지만 NOT membrane-bound인것들도 포함할때도 있다.  

 

Membrane-enclosed organelles로는..

nucleus(핵), Endoplasmic Reticulum(소포체), Golgi Apparatus(골지장치)가 있다. 세포 안의 모습을 그림으로 보면 아래와 같다.  

 

 

Table 12-1 Molecular Biology of the Cell (ⓒ Garland Science 2008)

 

 

 

Nucleus (핵): 유전정보 저장된 곳으로 두개의 막으로 둘러쌓여있으며 각각의 막은 지질에 의해 이중으로 되어있다. 핵 중심부는 nucleolus (인)라 하여, 여기에 rRNA가 있다. 이때 rRNA는 세포질에서 온 단백질과 함께 리보좀을 만든다. 또한 합성된 리보좀은 핵공 (핵막 사이에 있는 구멍)을 통해 세포질로 나가서 단백질 합성의 일을 한다.   

 

RER (Rough ER, 조면소포체): 소포체(Endoplasmic Reticulum)을 보면, 위 그림에서 검은색 점들(리보솜이 붙어있어서 거칠어보임)이 있는 부분을 말한다. 이 리보솜들이 단백질을 합성하고 합성된 단잭빌은 RER 로 다시와서 더 합성된다. 합성된 단백질 중 분비단백질은 RER에 나와서 골지체로 이동하게 된다. 

 

SER (Smooth ER, 활면소포체): 소포체 밖 표면에 리보솜이 없는 부분을 말하며, 지질, 스테로이드 합성, 칼슘이온 저장등의 역할을 한다. 간에서 독소를 해독하며 근육에 있는 세포는 칼슘이온을 저장하기도 한다. 즉, 몸의 어떤 기관에 있는지에 따라 역할이 달라진다고 볼 수 있다.    

 

 

세포마다 RER, SER 양이 달라진다. 아래 그림에서 분홍색 부분을 보면 Liver는 간세포, Pancreatic은 췌장세포를 말하는데 SER수치는 간세포는 16, 췌장세포는 <1 정도다. 왜냐하면, SER은 해독을 담당하기에 간세포에 더 많이 들어있기 때문이다. 하지만 간세포나 췌장세포나 RER이나 SER을 더하면 대략 50% 정도 차지한다고 한다.  

Table 12-2 Molecular Biology of the Cell (ⓒ Garland Science 2008)

 

 

실제 사진

 

 

[2] The Endomembrane System (내막계)  

내막계는 Lysosome, Golgi Apparatus, Endoplasmic Reticulum, Endosome 을 말하며 Peroxisome은 어떤 책은 포함하기도 하고 안하기도 한다.  

 

 

아래 그림은 Exocytosis, Endocytosis 을 보여주는데 이는 세포막 운동으로 세포 물질이 밖으로 방출하는 현상, 외포작용을 Exocytosis, 물질이 안으로 들어오는것을 Endocytosis라고 한다. 

    

중요한것은 파란색 안에 있는 물질은 계속 파란색 안에 있고, 초록색 세포막에 있는 물질은 계속 세포막에 붙어있게 된다. 즉, Stay at the same spot!!! 이다.  위에 오른쪽 그림을 보면, 소포가 물질을 세포 밖으로 내보낼때, 소포의 세포막은 세포막 일부로 바뀌게 되면서 안에 있는 물질이 빠져나간다. 또한 Endocytosis로 세포 밖 물질이 세포 안으로 들어오게되면, 세포막 일부가 수포의 세포막으로 바뀌게 된다.  

 

  

[3] 단백질 분지 이동경로 - Constitutive Pathway & Regulated Pathway   

위 그림 중 왼쪽을 살펴보면, 파란색 소포는 Regulated pathway를,  초록색 소포는 Constitutive pathway를 보여준다.  

  

* Constitutive Pathway :"Continual" production of secreted proteins. ex) collagen 즉, Regulated Pathway와는 다르게 자극에 상관"없이" 일어나는 분비경로다.

 

* Regulated Pathway : Proteins are stored in secretory granules(분비과립) ready for export in reponse to a stimulus. ex) Neurotransmitter 

 

 

이처럼 소포(vesicle)에 의해 이동하기 위해서는 소포의 budding과 Fusion 기능이 갖춰져야 한다. 아래 그림에서 소포(vesicle)가 운반하는것을 보면  아래 그림과 같다. 파란색 라인은 Cytosolic leaflet이고, 초록색은 Luminal leaflet이다. 자주색 점들은 항상 Lumen에만 있는다.  Donor compartment (vesicle 만들어내는 곳)에서 소포(vesicle)가 만들어지는걸 budding이라하고 다시 Target compartment (만들어진 vesicle이 이동해서 도착하는 곳)에서 수포가 합쳐지는걸 Fusion이라 한다.  

 

 

 

[4] Protein Sorting Mechanisms (단백질 선별) - Gated, Transmembrane, Vesicular   

단백질은 세포질에서 합성되고 (Translated in Cytosol), 이 합성된 단백질은 세포질에서 사용되거나, 다른 곳으로 이동해 사용되기도 하는데, 세포 내의 기관에 맞게 잘 찾아 들어가는 과정을 Proetin Sorting 단백질 선별, 즉 자기자리 찾으러 가는것을 말한다. 잘 찾기 위해 단백질마다 Signal Sequence가 있다. 아래 그림은, Cytosol에서 합성이 이뤄진 단백질이 세포 내에서 어떤 이동의 흐름이 있는지 보여준다.  

Figure 12-6 Molecular Biology of the Cell (ⓒ Garland Science 2008)

 

[4-1] Gated (빨간색화살표시)  : Cytosol에서 합성한 단백질이 핵막의 핵공 (NPC = Nuclear Pore Complex)을 통해 이동하는 것을 말한다. 이때 화살표 방향이 위아래로 되어있는데 어느 방향이든 단백질이 이동할 수 있다는걸 말한다.

 

[4-2] Transmembrane(파란색화살표시) : 막을 통한 수송인데, gated와는 다르게 한 방향으로만 이뤄진다. 세포막에는 Protein Translocator가 있다. 특히 Mithchondria로 가는 경우, 세포질에 있는 단백질은 hsp70 chaperones 과 연계되어 unfolded한 상태에 있게 된다. (이때 sorting은 post-translation이라 한다)  

 

[4-3] Vesicular(초록색화살표시) : 막으로 둘러쌓여있는 소포(vesicle)를 통해 세포내의 한 곳에서 다른 곳으로 이동을 도와주는걸 말한다. 위에 언급했듯이 소포를 통한 이동은 Budding과 Fusion 기능을 통해 이뤄진다. 위 그림에서 화살표 방향에 주의할것.

 

[5] Signal Sequences

Cytosol에서 합성되고 있는 단백질은, 세포 내에서 어디로 이동할지 표시가 되어있는 signal sequences (amino acid로 구성, 아래그림에서 빨간색)를 통해 이동하게 된다. 이 신호는 보통 N term에 나타나지만, 중간에도 나타날수도 있다. 각 신호마다 핵으로 갈지, 미토콘드리아로 갈지, ER로 갈지 Peroxisomes로 갈지 표시되어있다. Sorting receptor가 이 신호를 인지해서 그들의 최종목적지에 데려가준다.    

 

 

Figure 12-46 Molecular Biology of the Cell (ⓒ Garland Science 2008)

 

▲ 오른쪽 그림은 Cytosol 에서 ER로 단백질 이동하는걸 보여주며, 초록색으로 된 단백질 중, 선이 점점 표시된 부분에 리보솜과 mRNA도 있지만 그림상으로 생략되어있다. ER에 막에 있는 Translocator Protein에서 Start-transfer sequence와 연결되어 부착되자마자 단백질 합성과정이 마저 진행되며 Stop-transfer sequence를 통해 합성과정은 끝난다. 이때 노란색으로 표시된 signal peptidase가 start-tranfer sequence를 잘라내고 나머지 단백질은 ER 안쪽과 바깥쪽으로 붙어있게 된다. 참고로 COOH부분은 hydrophilic (친수성) 이고, Stop-tranfer는 막에 껴있기 때문에 hydrophobic임을 알 수 있다.

 

☆그렇다면, 신호가 단백질 중간에 나타나는 경우는 어떻게 될까!!

Figure 12-47 Molecular Biology of the Cell (ⓒ Garland Science 2008)  

▲ 이번 그림 역시 초록색(단백질) 선 중에 점점 표시된 부분에 리보솜과 mRNA는 생략되어 있다. 만약 신호가 중간에 있게되면 N term이 밖에 있을수도 (A), ER 안쪽에 있을수도 (B)도 있는데 이를 결정하는건 바로 positive charge이다. 빨간신호 옆쪽에 + charge를 띄면 Cytosol에 있게 된다. 즉, 그림 A(위)는 + charge가 N term에 있으며, 그림 B(아래) + charge가 C term에 있는 상황이다. 즉 더 + charge 쪽이 Cytosolic을 향한다!! 또한 주의할것은 이 빨간색 신호는 그 전에 살펴봤듯이 signal peptidase로 잘려지는것이 아니라, transmembrane domain으로 바뀌게 된다.  

  

[6] The Golgi Apparatus (골지체)   

RER 단백질을 받은 뒤, 다시 vesicle (소포) 안에 단백질을 넣어서 세포막으로 보내준다. 이때 단백질을 수정하기도 한다. 이동방향은 cis Face에서 trans Face로 이동한다. 물론 모두 세포막으로 보내는것은 아니고 이동은 위에 Protein Sorting 중의 초록색 화살표를 참조할 것!

 

 

[7] Lysosomes(리소좀) & Endosomes (엔도솜)  

Lysosomes (리소좀)은 한마디로 쓰레기통이라 하면 된다. 수명이 다한 세포를 소화시키는 효소가 있어서 일단 Lysosomes에 있으면 다시재활용할 수 없다. (Proetin sorting 초록색 화살표 확인하거나 아래 그림 참조, Late Endosome에서 Lysosome으로 이동, 역으로 나가지는 않음)

어떻게 소화역할을 하는 것일까?  → 세포질에는 약 7.2정도의 pH를 가지고 있으며 리소좀에는 약 low pH, 즉 5.0 정도의 pH를 띈다. 또한 리소좀 안에는 40종류의 hydrolytic enzymes이 들어있다. 이 효소들은 Acid hydrolasesgkau, acidic 환경이 필요하다. 그렇다면 이 환경이 어떻게 만들어지느냐!! →이는 리소좀 안에 H+가 많이 있다는걸 뜻하는데 ATP가 ADP+Pi로 바뀌는 과정에서 H+를 리보솜 안으로 넣게 된다. (즉, V type ATPase, H+ pump)  따라서, low pH를 통해 리소좀 안에 있는 효소들을 보호할 수 있다. 

Endosome (엔도솜 or 엔도좀)은 endocytosis를 통해 만들어진 소포인데, 세포 밖에서 새롭게 안으로 들어온 소포을 early endosome이라 한다. (아래 그림 참조) 이때 Lysosome으로 이동하려면 Early Endosome -> Late Endosome -> Lisosome 이다.