The Cell Surface and Cytoskeleton 생물학개론 6주차 강의 세포막, 세포골격 The Cell Surface and Cytoskeleton 생물학개론 6주차 강의 It is difficult to come up with a single definition of life.

세포막, 세포골격과 상호작용 세포막 (Cell Membrane) 세포골격(Cytoskeleton) 세포간의 상호작용과 신호전달 세포막의 구조 – 인지질의 이중층 구조 막을 통한 물질의 이동-확산, 삼투, 막단백질, 엑소시토시스, 엔도시토시스 세포골격(Cytoskeleton) 단백질의 그물망 구조 미세소관, 미세필라멘트, 중간필라멘트 세포간의 상호작용과 신호전달 동물세포의 연접 세포벽의 구조 세포의 부착과 이동 신호 전달 Hooke was observing cork (bark from a type of oak tree). He named the little boxes “cells” because they looked like the cubicles (cellae) where monks studied & prayed. Leeuwenhoek was able to view & draw extremely small cells (bacteria & protozoa) that people hadn’t known existed. Cell theory Schleiden noted that cells were the basic units of plants. Schwann noted that cells were the basic units of animals.

세포 표면 (Cell Surface) 표면인자: 탄수화물, 지질, 단백질로 구성된 이름표 각 조직이나 장기의 특성에 맞게 달라짐 세포막 (Cell Membrane) 인지질의 이중층 구조 세포골격(Cytoskeleton) 존재 단백질의 그물망 구조

Cell Membrane 세포막 유동성 단백질이 함입되어 있는 인지질 이중층 구조 유동 모자이크 모델 Fluid Mosaic model : 세포막에 박혀 있는 단백질들은 매우 빠르게 움직인다 인지질의 이중 구조+단백질 일반지질: 글리세롤+3분자의 지방산 인지질(Phospholipid): 글리세롤+인산기+2분자의 지방산 인산기: 친수성(hydrophilic) 지방산: 소수성(hydrophobic) 인지질의 이중으로 되어 있어 인산기가 바깥을 향하고 소수 성의 꼬리를 안쪽으로 Hydrophilic - “water loving” Hydrophobic - “water fearing”

Membrane proteins 막단백질 Transport proteins 수송단백질 - 막에서의 물질 이동 Cell surface proteins 표면단백질 - 표면에서 자신을 알리는 역할 Cellular adhesion molecules (CAMs) 세포부착 단백질 - 다른 세포와 연결하여 세포간 고정 Receptor proteins 수용체 단백질 - 세포 안으로 신호를 받아 전달

막을 통한 물질의 이동 세포막은 선택적으로 투과 단순확산 왜? 세포 안팎의 농도 유지 확산(Diffusion): 높은 농도에서 낮은 농도 방향으로 물질이 이동하는 것. 삼투현상(Osmosis): 생체막을 통한 물의 확산이동 수송: 막단백질을 이용(Transporter) 단순확산 에너지 사용 없이 물질 이동 고농도에서 저농도로 이동 Ex. O2, CO2 Selectively permeable - allow some substances to pass through membrane, while preventing others.

세포에서의 확산 세포막은 선택적 투과성을 가짐 일부는 인지질 이중층을 쉽게 통과 (주로 크기가 작고 무극성인 물질) 일부는 인지질 이중층을 쉽게 통과 (주로 크기가 작고 무극성인 물질) 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 물(H2O) 등은 자유 로이 생체막 통과 일부는 세포막의 단백질을 이용해 통과 농도차, 전하량, pH, 압력차 에너지가 필요치 않음 – Entropy’s law

Osmosis 삼투 단순확산에 의한 물의 이동  삼투 용질은 막을 통과하지 못함  물의 이동 생체막을 통한 물의 확산 용질이 반투성막을 통과하지 못할 경우 물이 이동하여 내외부의 농도를 맞춰주는 경우. 물은 확산을 따르므로 용질의 농도가 낮은 곳 (상대적으로 물의 농도가 높은 곳)에서 용질의 농도가 진한 곳(상대적으로 물의 농도가 낮은 곳)으로 움직임

Osmosis 삼투 반투과성 막을 경계로 용질의 농도 차이에 따라 장 력 발생 Isotonic 등장 - 용질농도가 같다 등장액 : 세포환경과 동일한 용질 농도, 인간의 경우 0.9% NaCl Hypotonic 저장 - 낮은 농도의 용액 저장액: 바깥 농도가 더 낮기 때문에 물은 용질 농도가 진한 세 포 내부를 희석시키기 위해 세포 안으로 움직임. 동물 세포의 경우 장시간 방치시 세포 터짐 Hypertonic 고장 - 높은 농도의 용액 고장액: 세포내부보다 외부 환경의 용질 농도가 높은 경우 물은 외부 환경을 희석시키기 위해 바깥으로 빠져나감 (소금절 임) Solutions are composed of solutes & solvents. solute - substance dissolved in a solution. solvent - the dissolving agent. Most versatile dissolving agent is water.

막단백질을 통한 물질의 이동 이온과 극성 분자의 경우 인지질의 꼬리부분을 뚫고 지나갈 수가 없음  수송단백질을 이용 이온과 극성 분자의 경우 인지질의 꼬리부분을 뚫고 지나갈 수가 없음  수송단백질을 이용 수동수송(Passive transport): 세포 내외에서 농도구배차에 따라 일어나는 물질의 수송 - 촉 진확산. 에너지 사용 없이 수송단백질을 통한 이동 농도차에 따라 고농도에서 저농도로 이동 능동수송(Active transport): 세포 내외의 농도 구배에 역행하여 물질을 도입하거나 배출하는 메커니즘.

Active Transport 능동수송 3. 능동수송 에너지를 사용하여 저농도에서 고농도로 막단백질을 통하여 물질이 이동 에너지를 사용하여 저농도에서 고농도로 막단백질을 통하여 물질이 이동 농도구배에 역행하여 물질이 이동 Ex. ions (Na+, K+, Cl-) Helicobacter pylori의 경우… 위에서 사는 특별한 환경 외부 환경 pH 2 수소 펌프(proton pump)

Cotransport 공동수송 4. 공동수송 Antiporter: one in, one out 나트륨-칼륨펌프 한 물질의 능동수송과 다른 물질의 수동수송이 동시 진행 Ex. sucrose (plant cells) Antiporter: one in, one out 나트륨-칼륨펌프 Example of cotransport: sucrose loading Energy is used to actively transport protons to the outside of the cell, creating a concentration gradient. Protons passively flow back through the cell membrane through a symporter, which couples the movement of sucrose with the movement of protons.

Exocytosis, Endocytosis & Transcytosis 소낭을 통한 큰 물질의 이동 Exocytosis 엑소시토시스 - 세포의 바깥으로 물질이 방출 Ex. 효소나 신경물질 방출 엔도시토시스: 소낭을 통해 물질의 유입. Exocytosis - vesicle fuses with cell membrane, expelling contents to the outside of the cell. Acrosomal enzymes are found in the head of a sperm. They are released by exocytosis when the sperm encounters an egg. Nerve cells release neurotransmitters by exocytosis. Pinocytosis (음세포작용) Phagocytosis (식세포작용) Receptor-mediated endocytosis (수용체매개성 엔도시토시스)

Transcytosis 트랜스시토시스 트랜스시토시스 - 엔도시토시스와 엑소시토시스가 병행되어 물질 수송 트랜스시토시스 - 엔도시토시스와 엑소시토시스가 병행되어 물질 수송 세포 한쪽으로 엔도시토시스로 물질이 들어오고 소낭이 그대로 엑소시토시스 되어 세포를 통과하여 물질수송이 일어남 – 영양물질의 혈액 이동 소낭이 빠르게 물질 수송 영양물질이 소화계나 혈액으로 수송

세포골격에 의한 세포의 지지 세포골격: 세포소기관의 위치와 세포의 3차원적인 형태를 결정짓는 요인 세포분열시 염색체 이동 세포골격: 세포소기관의 위치와 세포의 3차원적인 형태를 결정짓는 요인 세포분열시 염색체 이동 분비낭의 이동 (케이블카처럼…) 세포내 물질 이동 신경세포에서 신경분비물질의 방출과 흡수 세포 자체의 이동 세포간 연결 (데스모좀 등..)

Cytoskeleton 세포골격 세포의 구조적인 지지대 1. 미세소관 - 튜불린 단백질로 이루어진 원통형 구조 기능: 1. 미세소관 - 튜불린 단백질로 이루어진 원통형 구조 기능: 세포분열동안 염색체 이동 편모와 섬모 형성 세포질내의 세포소기관 및 소낭의 이동 Cilia & flagella have a 9 + 2 arrangement of microtubules. Cilia are short, numerous structures that function to move cells (paramecium) or move materials past cells (ciliated cells line the upper respiratory tract). Flagella are long, whip-like structures that function to propel cells. Human sperm have only a single flagellum.

미세소관(Microtubule) 방추사의 정체 편모와 섬모를 이루는 근간 9+2의 구조를 갖는다. 중합되면 방추사가 길어지고 해리되면 방추사가 짧아짐 이 성질을 이용하여 세포분열시 방추사가 염색체들을 세포의 양끝으로 이동시킴 편모와 섬모를 이루는 근간 편모 flagella : 한 개 혹은 몇 개의 길다란 운동기관 섬모 cillia : 머리카락처럼 수없이 많은 돌출구조 9+2의 구조를 갖는다. 디네인 (dynein) : 모터 단백질로 세포의 에너지원인 ATP를 분해하고 이 에너지를 이용하여 미세소관이 움직일 수 있게 해준다.

미세필라멘트 Microfilaments 액틴 단백질로 이루어진 길고 얇은 구조 기능: 세포간의 연결 세포이동 액틴(Actin) 단백질로만 구성 속이 비어있지 않음 ATP를 이용하며 액틴 필라멘트를 움직여 이를 따라 근육세포에 존재하는 미오신(myosin)이 활주하며 근육 수축 및 이완을 한다 (세포의 운동) 세포질 분열시 복주머니를 잡아당기듯 세포질을 분리하는 역할도 한다

Intermediate filaments 중간필라멘트 중간크기의 구조 케라틴 등의 여러 단백질로 구성 기능: 세포의 모양 유지 피부세포 등의 세포 상호간의 연결 크기상으로 미세소관과 미세필라멘트의 “중간”이라서 (10 nm) 피부와 신경세포에서 흔히 관찰 부착이나 지지대, 기계적 자극에 견디는 등 세포의 모양을 유지하는 기능 (세포 모양을 받쳐줌) Abundant in skin & nerve cells.

세포간의 상호작용 동물세포의 연접 밀착연접 (tight junction) 데스모좀 (desmosome) 간극연접 (gap juction) 식물세포의 결합 원형질연락사 (plasmodesmata) 세포의 부착과 이동 세포 부착성 물질(Cellular adhesion molecules, CAMs)

세포간의 부착 1. 동물세포의 연접 조직을 형성하기 위한 세포간의 연결 구조 Tight Junctions 밀착연접 - 서로 이웃한 세포막이 융합된 부위 Ex. 소장내 상피세포, 뇌의 모세혈관 세포 서로 이웃한 세포막이 융합한 부위 주로 소화관내 상피세포에서 일어남 장에서 세포로 영양성분이 직접 흘러들어오지 못하고 반드시 상피세포로만 들어가게 세포막 단백질이 움직여서 위 아래가 바뀌는 것을 막기 위해

동물세포의 연접 Desmosomes 데스모좀 - 두 세포가 중간필라멘트로 한 점에서 서로 부착 Ex. 피부세포 세포들을 서로 한곳에 묶어주는 역할 안쪽에서는 중간필라멘트를 통해 한쪽에서 반대쪽 세포막으로 연결이 되어 있음 기계적인 지지

동물세포의 연접 Gap Junctions 간극연접 - 이웃한 세포의 세포질이 간극에 의해 연결 Ex. 심장근육세포 소화관내, 심장 근육세포에서 세포와 세포 사이에 연결 통로를 만드는 형식으로 세포와 세포간의 대화 통로로 작용. 간극을 통해 작은 이온이나 영양물질들이 움직일 수 있음.

식물세포의 결합 Plasmodesmata 원형질연락사 - 식물세포에서 세포질을 통해 터널모양으로 두 세포가 연결되는 부위, 세포질과 세포소기관 이동 Ex. cells conducting water & nutrients 식물세포에서 세포질을 통해 터널 모양으로 두 세포가 연결된 부위. 물과 영분 전달, 오일 또는 과즙 전달 통로

세포의 부착과 이동 Cell Adhesion 세포의 부착 세포 부착성 물질인 막 단백질을 이용한 세포의 이동 과정 기능: 세포 부착성 물질인 막 단백질을 이용한 세포의 이동 과정 기능: 백혈구의 이동 배아세포의 태반을 형성하도록 학습과 기억을 담당하는 신경세포 연결 세포부착성물질 (Cellular adhesion molecules, CAMs) : 세포들의 접촉을 담당하는 단백질 이 단백질들의 상호 작용을 통해서 서로 부착 세포의 부착이 제대로 안된다면? 암의 전이, 염증 반응 일어나지 않음

Signal Transduction 신호전달 세포가 외부자극으로부터 정보를 받아서 그 신호를 증폭하여 반응을 일으키는 과정 세포가 외부로부터 정보를 받아서 그 신호를 증폭하여 반응을 일으키는 과정 신호의 종류? 빛, 화학물질, 온도변호, 독소, 호르몬, 성장요소 등의 각종 자극. 심지어 바람도 자극이 될 수 있다… 바람이 많이 부는 곳에서 식물이 높이 자라면 꺾이게 마련. 따라서 바람 많은 곳에서 자라는 식물은 나지막하고 땅딸막하게 자람. “바람”이란 신호에 대한 반응임 Outside stimulus (first messenger) is received by a receptor protein in the cell’s membrane. This triggers a series of chemical reactions on the cell’s surface. Eventually, a second messenger is activated which triggers the cell’s response.

신호전달과정 자극 : 일차 전달자 수용기 단백질 (receptor protein)에 특이적으로 부착 : 효소-기질의 반응처럼 특이적으로 일어난다. 리간드: 신호 그 자체 조절자: 수용기 단백질에 신호 물질이 붙었다는 신호를 이어 받는 물질 신호의 증폭: 효소 이차전달자 : 세포내에서 신호를 전달하는 물질 실제로 조절자와 효소는 수용기 단백질의 세포질쪽 부 분과 결합하여 있는 경우가 더 많다