지질 이중층(lipid bilayer)

여기서는 모든 세포막의 기본 구조를 형성하는 지질이중층에 대해 자세히 살펴보고자 합니다. 지질 이중층이 어떻게 형성되고 유지되며 또한 모든 세포막의 일반적인 특성을 구성하는지에 관련된 포스팅입니다.

 

 

지질-이중층

 

 

막지질은 물에서 이중층을 형성한다

 

 

세포막에서 발견되는 지질은 한 분자 내에 2개의 상반된 특징을 동시에 보유하고 있다. 즉, 친수성(물을 좋아하는) 머리와 소수성(물을 싫어하는) 꼬리를 가지고 있다. 세포막에서 가장 풍부한 지질은 인지질인데, 인산기를 포함한 친수성 머리 부분에 한 쌍의 소수성 꼬리가 붙어 있다. 

 

친수성과 소수성 부위를 둘 다 가진 분자를 양친매성이라 부르는데, 인지질이 그러한 특성을 가지는 유일한 막지질은 아니다. 동물세포의 막에서 발견되는 콜레스테롤이나 친수성 머리로서 당을 포함하는 당지질도 또한 양친매성이다. 

 

이러한 성질은 친수성과 소수성 부분을 모두 가지기 때문에 물이 있는 환경에서 지질분자로 하여금 이중층을 형성할 수 있도록 도와주는 결정적인 역할을 한다. 친수성 분자는 전하를 띤 부위나 비극성 부위를 포함하여 각각 물분자와 정전기적 결합 또는 수소결합을 형성함으로써 물에 잘 용해된다. 반면에 소수성 분자는 그들이 가지고 있는 거의 모든 원자가 전하를 가지지 않는 비극성 상태여서 물분자와 결합할 수 없으므로 물에 녹지 않는 성질을 지닌다. 그 대신 인접한 물분자를 재조직하여 물분자가 소수성 분자를 둘러싸는 격자구조를 이루게 한다. 이러한 격자구조는 주위의 물보다 더 고도의 질서를 가지는 구조이므로 이를 형성하는데는 에너지가 필요하다. 

 

물속에 놓여진 막지질과 같은 양친매성 분자는 두 가지 상반된 힘을 받게 된다. 즉, 친수성 머리는 물에 끌리는 반면, 소수성 꼬리는 물을 피해 다른 소수성 분자와 결합하려고 한다. 이러한 모순은 모든 구성성분의 조건을 만족시키면서 에너지 측면에서도 가장 이상적인 지질 이중층이라는 구조를 형성함으로써 해결할 수 있다. 이중층의 양쪽 표면에서는 친수성 머리가 물과 직접 맞닿아 있는 반면, 소수성 꼬리는 샌드위치의 속을 채운것과 같이 지질이중층의 내부에서 물로부터 완전히 격리되어 있게 된다. 

 

 

 

지질이중층의 유동성은 구성성분에 의해 결정된다

 

 

세포막의 유동성은 막의 기능에 있어 매우 중요한데, 일정 범위내에서 유지되어야 한다. 일정한 온도 조건에서 지질 이중층의 유동성 정도는 인지질의 구성성분과 관련이 있으며, 그 중에서도 특히 탄화수소 꼬리의 특성과 밀접한 관련이 있다. 꼬리 부분들이 조밀하고 규칙적일수록 이중층은 점성이 더 강하고 덜 유동적이다.

 

탄화수소 꼬리의 두 가지 주요 특성인 길이와 이중결합의 수에 따라 이중층의 유동성에 영향을 미친다. 꼬리의 길이가 짧다는 것은 다른 지질 분자와 결합하는 힘이 약하다는 것이며, 이중층의 유동성이 증가함을 의미한다. 인지질 분자의 탄화수소 꼬리는 탄소원자의 수가 14-24개 까지 다양하지만, 보통은 18-20개의 탄소원자를 가지는 것이 일반적이다. 대부분의 인지질 분자의 경우, 탄화수소 꼬리는 하나 이상의 이중결합으로 이루어져 있다. 따라서 이중결합을 가지는 사슬은 이론상 탄소골격에 수소원자가 최대치로 결합하지 않았으므로 수소를 기준으로 할 때 불포화되었다고 말할 수 있다. 또 이중결합이 없는 지방산 꼬리는 탄소에 붙을 수 있는 수소원자가 모두 있으므로 포화되었다고 말한다. 

 

모든 세포에서 막의 유동성은 여러가지 이유로 중요하다. 막의 유동성은 막 단백질이 이중층의 판 내에서 빠르게 확산되고 서로 간에 상호작용을 할 수 있게 해주는데, 이는 세포 내 신호전달 과정에서도 매우 중요한 역할을 한다. 막의 유동성은 막지질과 막단백질이 합성된 후 이중층에 삽입된 곳으로부터 세포의 다른 부위로 확산되는 것을 가능하게 한다. 

 

또한 세포가 분열할 때 막의 구성 분자들이 딸세포 사이에 균등하게 분포될 수 있게 해준다. 그리고 적절한 조건하에서는 막이 서로 융합되어 내부의 분자들끼리 서로 섞이게 해준다. 만약, 생물학적 막들이 유동적이지 않다면, 세포가 어떻게 살고, 자라며, 증식하게 될 지 상상하기 어렵다.