Lipids: Chemical Structure and Biological Function

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1 Lipids: Chemical Structure and Biological Function
Lipid는 hydrophobic 특성에 의해 비극성 용매에 잘 녹는 특징을 지님. Nonpolar lipids (비극성 지질): 일반적으로 지방(fat)으로 불리며, 거의 모든 생명체에서 에너지를 장기간 저장하기 위한 중요한 분자로서, fatty acid가 구성 성분임. Polar lipids (극성 지질) : 생체막을 구성하는 중요성분으로서 질소와 인을 포함함. Steroid (cholesterol) : 막에 존재하며, 많은 호르몬의 전구체로 작용함. Miscellaneous lipids : 세포에서 매우 작은 양을 존재. Light-absorbing pigments, enzyme cofactors, hormones, signal molecules, 및 electron carriers로 작용. 8.1. Fatty Acids Fatty Acid Structure Carboxyl functional group (-COOH)을 포함한 지방족 사슬 (aliphatic chain)로 연결되어 있음. Amphiphilic 성질 : 한쪽 말단에는 poloar와 ionic 특성 (carboxyl group)과 다른 말단에는 nonpolar 특성(hydrocarbon chain)을 가짐.

2 - Saturated fatty acid : 탄소-탄소 단일 결합으로만 구성되어 있는 fatty acid.
12~24개의 탄소 원자를 가짐. Fatty acid의 종류 - Saturated fatty acid : 탄소-탄소 단일 결합으로만 구성되어 있는 fatty acid. - Unsaturated fatty acid : 하나이상의 탄소-탄소 이중 결합이 포함되어 있는 fatty acid. 이중결합의 수에 따라 mono-(1개), di-(2개), polyunsaturated fatty acid (2개 이상) 로 불림. Saturated fatty acid Unsaturated fatty acid

3 명명법: 전체 탄소원자의 개수, 탄소-탄소 이중 결합의 수와 위치를 기준
- Lauric acid (dodecanoic acid): 12개의 탄소원자로 구성되어 있으며, 이중결합이 존재하 지 않으므로 약자인 12:0으로 나타냄. - Linoleic acid : 18개의 탄소원자와 2 개의 이중결합이 존재하므로 약자인 18:2Δ9,12로 나 타냄.

4 CH3(CH2)10COOH + NaOH → CH3(CH2)10COO-Na+ + H2O
2) Physical and Chemical Properties of Fatty acids Fatty acid는 유기용매에 잘 용해되는 반면 물에서는 용해되지 않음. 10개 이상의 탄소로 이루어진 saturated fatty acid는 상온에서 왁스 상태의 고체 존재하는 반면에 10개 미만의 saturated와 unsaturated fatty acid는 기름 상태의 액체로 존재함. 긴 사슬의 fatty acid는 희석된 NAOH 혹은 KOH 용액에서 acid-base reaction이 일어나 Na+와 K + 염이 형성되어 녹음 → Fatty acid의 Na+와 K + 염을 비누화라 함. CH3(CH2)10COOH + NaOH → CH3(CH2)10COO-Na+ + H2O Lauric acid Sodium laurate (a soap) Amphiphilic molecule들은 분자 배열로 뭉쳐져서 micelle이라 함. Unsaturated fatty acid의 이중결합에 수소 혹은 할로겐 원자가 참가 될 수 있음. → Hydrogenation process : 고체 상태의 지방이 형성. 산소에 의해 unsaturated fatty acid의 이중결합이 공격받아 auto-oxidation이 일어남.

5 8.2. Nonpolar Lipids-Triacylglycerols
Triacylglycerol Structure Fatty acid는 미래에 에너지원으로 사용하기 위하여 nonpolar lipid인 triacylglycerol로 저장됨. 기본 분자는 trihydroxyl compound인 glycerol로서 각 hydroxyl group에 3 개의 fatty acid가 esterification에 의해 연결되어 있음. 자연에 존재하는 triacylglycerol은 동일한 종류의 fatty acid들로 구성된 것 보다 대부분 2 혹은 3 종류의 fatty acid들로 구성되어 있음.

6 Glycerol의 polar hydroxyl group과 fatty acid의 polar carboxyl group의 ester 결합으로 인하여 triacylglycerol은 hydrophobic 함. Animal tissue에서 분리한 triacylglycerol은 saturated fatty acid가 훨씬 많이 존재하여 상온에서 고체 상태인 지방 (fat)으로 존재하며, 식물의 종자에서는 triacylglycerol은 unsaturated fatty acid가 많이 존재하여 액체 상태인 오일 (oil)로 존재함. semi-solid

7 2) Triacylglycerol Reactivity
① Ester Hydrolysis - Triacylglycerol의 화학적 작용은 ester 결합의 반응성에 의해 결정. - 각 ester는 NaOH의 촉매에 의해 가수 분해되 어 glycerol과 비누를 생성 - 생리적 조건하에서 triacylglycerol의 가수 분 해는 lipase에 의해서 촉매되며, 장과 지방세포 (adipocyte)에 존재함.

8 ② Reactions of Carbon-Carbon Bonds
- Triacylglycerol 내 unsaturated fatty acid의 이중결합은 산소의 공격을 받거나 수소 또 는 할로겐과 반응함. ③ Auto-oxidation - Triacylglycerol 내 unsaturated fatty acid의 auto-oxidation에 의해 품질저하를 일으킴. - Auto-oxidation을 방지하기 위한 방법  Partial hydrogenation을 하여 unsaturated fatty acid의 수를 감소 시킴.  Butylated hydroxytoluene (BHT)와 같은 화학방부제를 첨가. ④ Partial Hydrogenation - 액상의 식물성 기름을 partial hydrogenation하여 고체의 oleomagarine을 만듬.  Fatty acid의 이중결합의 수를 감소시켜 녹는점을 증가 → 고체화.  Auto-oxidation의 속도를 감소시켜 산폐를 억제함.

9 3) Biological Properties of Triacylglycerols
- Partial hydrogenation은 trans fatty acid (or trans fat)의 함량이 증가되어 혈장의 cholesterol 양을 증 가 시켜 관상동맥 심장병에 심각한 영향을 줌. 3) Biological Properties of Triacylglycerols 생물학적 역할 : 에너지 대사와 온도 단열 식물과 동물세포에서 triacylglycerol은 세포질에 기름방울로 존재하며, 동물의 경우지방을 저장하기 위한 특수화된 세포인 adipocyte (지방세포)가 존재 → lipidase에 의해 fatty acid의 방출이 촉매 그 외 fatty acid의 유도체 - Wax : nonpolar lipid로 식물의 잎을 보호, 피부의 윤활 및 방수 등의 역할 - Beeswax : palmitic acid와 triacontanol로 구성된 ester.

10 8.3. Polar Lipids Polar lipids : polar와 nonpolar 의 특징을 모두 가지고 있는 amphiphilic 성질을 지님. 이러한 특성으로 인해 단백질과 함께 biological membrane을 구성함. Adipocyte에 저장되지 않음. Glycerophospholipid 와 sphingolipid가 있음.

11 Glycerophospholipids
기본적인 분자는 1,2-diacylglycerol-3-phosphate이며, 일반적으로 phosphatidic acid 라 불림. Triacylglycerol에서와 같이 fatty acid는 glycerol에 ester 결합을 하고 있으며, 대부분 saturated fatty acid는 1번 위치에 unsaturated fatty acid는 2번 위치에 존재함. Phosphoric acid가 triprotic이므로 3개 이상의 alcohol moieties와 반응할 수 있음. 두 번째 alcohol (ethanolamine, choline, serine, inositol 등)이 phosphate group과 ester화 함. Acohol의 아미노기와 작용기에 의해 생리학적 pH에서 ion화 되며, 전기적인 전하를 띄기도 함. → Polar head와 nonpolar tail을 가지게 됨.

12 2) Sphingolipids 두 번째로 막에서 많이 발견되는 polar lipid임.
기본 분자는 sphingosine으로 18개의 탄소로 구성 amino alcohol. 두 개의 작용기가 존재: amino와 hydroxyl group 분류 ① Ceramides : sphingosine의 2번 탄소의 amino group과 fatty acid가 amide 결합되어 있음 (1개의 polar head와 2개의 nonpolar tail을 가짐). ② Sphingomyelins : phosphocholine이 1번 탄소의 hydroxyl group에 ester 결합되어 있음. ③ Glycoshingolipids : monosaccharide가 1번 탄소의 hydroxyl group에 glycosidic 결합되어 있음.

13 3) Polar Lipids and Membranes
Fatty acid의 염은 1개의 polar head와 1개의 nonpolar tail을 가져 일시적으로 micelle 구조를 형성할 수 있음. Polar lipid(glycerophospholipid와 sphingolipid)는 1개의 polar head와 2개의 nonpolar tail을 가져 micelle 구조 뿐만 아니라 bilayer를 형성할 수 있어, 막 형성을 위한 구조적인 framework를 제공.

14 8.4. Steroids and Other Lipids
① Animal Steroids-Cholesterol - 3개의 cyclohexane rings (A, B와 C ring)와 1개의 cyclopentane ring (D ring)으로 구성. - Ring system의 형태에 따라 다양한 종류의 steroid가 만들어짐. - Cholesterol : 가장 잘 알려진 steroid로서 ring A에 hydroxyl group을 가짐. Hydroxyl group에 fatty acid가 ester 결합하여 유도체를 만듦. - 거의 모든 동물 조직에서 발견되며, 5개의 탄소로 이뤄진 isoprene으로부터 유래됨. Cholesterol Cholesteryl ester

15 ② Phytosterols - Sterol : 식물에서 분리된 cholesterol과 유사한 구조를 가지며, cholesterol과 같이 isoprene으로 부터 합성됨. - 식물의 막을 구성하는 필수 성분임. - 3가지 주요 phytosterol : stigmasterol, β-sitosterol, campesterol. - Phytosterol은 “건강식” 혹은 “기능성 식품”으로 알려져 있음.

16 2) Terpenes Isoprene으로 부터 유래되며, 식물에서는 냄새와 색을 나타내는 화합물과 관련되어 있으며, 식물과 동물의 steroid 생합성 과정에서 중간물질임. 종류: limonene, β-carotene, gibberellic acid, squalene, lycopene Lycopene: an important intermediate in the biosynthesis of many carotenoids, including β-carotene.

17 3) Eicosanoids 호르몬과 유사한 활성을 가지며 짧은 수명을 가지며, 매우 낮은 세포 농도를 가짐.
종류 : prostagalndin, thromboxane과 leukotriene.

18 생합성 과정 : prostagalndin와 thromboxane은 arachidonic acid 대사의 cyclic pathway에 의해서 합성되며, leukotriene은 linear pathway에 의해서 합성됨. ① The COX (cyclooxygenase) Enzymes - COX의 여러 isoenzymetic form들이 동물과 사람에게서 발견됨. - COX-1은 거의 모든 조직에서 항상 발현되며, 세포의 항상성에 필요한 것으로 생각됨.

19 - COX-2는 염증반응에서 합성이 유도되는 효소로 prostagalndin의 수준을 증가시켜 통증과
구토를 유발하는데 관여함. - Aspirin과 같은 nonsteroidal anti-inflamentory drug (NSAID)는 COX-1과 COX-2을 억제 하여 prostagalndin의 합성을 감소시킴. COX-2만을 억제함, COX-1과 COX-2을 모두 억제함,

20 ② Thromboxanes and Leukotrienes
- Aspirin의 작용에서 심장 발작이나 마비 예방은 COX을 억제하여 thromboxane의 수준이 낮아지기 때문으로 생각됨. - Leukotriene은 lipoxygease에 의해 합성되며, smooth muscle (특히, 폐)의 수축과 관련됨. - Asthmatic attacks과 allergic reaction들과 관련되어 있음.

21 4) Liquid-Soluble Vitamins
지용성 비타민은 terpene으로 분류됨. 5) Pheromones Sexual attraction과 natural repellent와 같은 종의 동물끼리의 의사소통에 사용되는 화학적 신호 물질. 곤충의 pheromone이 잘 연구되어져 있음. 식물의 pheromone은 종내 (intraspecific)와 종간 (interspecific)의 상호작용 및 자가신호 (autosignaling)에 사용됨.

22 6) Electron Carriers - Muscalure: 파리의 성 유인물질
- 9-Ketodecenoic acid: 여왕벌의 성 유인물질 - Ethylene: 식물체의 성장을 조절하는 물질 - Methyl salicylate 인접한 식물들에게 면역성을 제공. - Methyl jasmonate : 곤충 퇴치제로 작용하는 효소 및 단백질의 합성을 촉진. 6) Electron Carriers 에너지 대사에서 산화환원반응의 전자운반체로 작용하는 물질. 종류: ubiquinone, plastoquinone, menaquinone 등이 있음.

23 Biological Membranes : Structure and Function
모든 생물체의 세포들은 기본적으로 단백질과 polar lipid 및 탄수화물을 포함하는 plasma membrane (원형질막)으로 둘러 싸여 있음. 세포의 모양과 형태를 결정하며, 외부환경으로 부터 세포를 보호함. 막의 일부 단백질들은 생체물질의 수송을 조절하는 통로 (channel)의 역할을 함. 9.1. Biological Membranes Biological Roles of Membranes 세포와 세포 소기관들을 외부 환경으로부터 격리하는 보호막의 역할 세포의 모양과 형태를 결정하고, 세포의 성분들을 한 곳으로 격리시키며, 세포의 구조적 통합성을 유지하는 역할. 영양분 흡수와 노폐물 방출과 같은 선택적 여과 기능, 외부의 화학적 신호를 세포 내부로 전달해 주는 기능. Energy transduction system으로 작용하는 단백질 집합체를 가짐.

24 2) Membrane Components and Structure
생체막은 지질, 단백질 및 탄수화물로 이루어지며, 조성비율은 막의 종류에 따라 다름. 각 종류의 세포와 세포 소기관들은 막의 특성에 따른 특별한 기능을 가지며, 이 기능은 다양한 막조성에 의해 이루어짐. ○ The Lipid Bilayer 막의 기본적인 구조 골격 수용성 환경 하에 비공유성 결합의 소수성 상호작용에 의해 유지되는 안정한 이중층으로 배열됨.

25 이중층은 물속에서 closed spherical vesicle (닫힌 구형 소포)가 형성되어 물에 대한 노출을 감소 시킴.
Lipid bilayer vesicle 작은 비극성 분자들은 이중층을 통해 확산되지만, 극성 생체분자들의 수송을 위한 선택적 투과성 경계로 작용. 이중층 소포는 유동성을 지니므로 빠른 측면 운동을 할 수 있으나 다른 단일층과의 교차는 일어나지 않음. 두 개의 monolayer에서 지질 분포가 비대칭성을 보이며, 두 면의 다른 생물학적 기능을 나타냄. 적혈구 세포의 두 개의 monolayer에서의 지질 분포 차이

26 동물의 생체막에서 cholesterol은 막의 유동성을 감소시키며, 막의 종류에 따라 함량이 다양하게 나타남.
식물에서는 다른 steroid를 포함하고 있음. 3) Membrane Proteins 다른 조직과 기관들의 세포가 다양하고 특이적인 기능을 수행할 수 있도록 원형질막의 동적인 활성을 부여하는 요인 Membrane protein의 종류: 추출방법에 따른 분류 - Peripheral protein (표재성 단백질): 막의 표면에 있으면서 물에 잘 녹는 막단백질. • Peripheral protein은 integral protein에서 막의 표면에 위치한 아미노산과의 수소결합 혹은 이온 결합에 의해 막에 결합되어 있음. • 막은 안쪽과 바깥쪽에 서로 다른 peripheral protein들이 위치하므로 비대칭성을 지니며, 이로 인하여 세포의 외부와 내부의 특이적인 생물학적 활성을 지님. (a~c) Peripheral protein, (d, e) Integral protein, (f) 지질 연결 단백질

27 β-barrel - Integral protein (내재성 단백질): 막의 내부에 있으면서 소수성 상호작용의 방해에 의해
추출되는 막단백질. • 소수성 아미노산 잔기들을 포함하며, 대부분 막을 통과하기 때문에 수송단백질의 역할을 하며, 신호전달과정에서도 작용함. • 막의 이중층을 관통하는 부위는 α-helix 혹은 β-barrel 등의 2차 구조를 형성하고 있음. 막의 표면에 위치한 지질과 결합된 수용성 단백질들은 비극성 지질 구성원을 통하여 막에 고정됨. Potassium channel β-barrel

28 4) The Fluid-Mosaic Model for Membranes
① The Lipid Bilayer Lipid bilayer에 단백질이 박혀 있는 구조. - 단백질: peripheral protein과 integral protein Membrane은 유동적이므로 단백질과 지질의 측면운동으로 인하여 끊임 없이 변화됨.

29 Membrane Transport : passive transport 와 active transport
- 에너지의 의존성. Passive Transport : Simple and Facilitated Diffusion Simple diffusion(단순확산) : 용질분자의 농도가 고농도에서 저농도로 이동. - 작은 크기의 비극성분자 : 지방산, CO2, N2, O2, 및 CH4 Facilitated diffusion (촉진확산) : 에너지를 필요로 하지 않지만 막단백질에 의한 이동. - 고분자 혹은 극성분자 - Uniport 와 cotransport Simple diffusion Facilitated diffusion

30 2) Active Transport : Ion Pumping
에너지가 소모되는 수송으로 용질의 분자가 저농도에서 고농도로 이동. Na+/K+-ATPase