Chap8. Lipid and Membrane

1. 정의 : 단백질, 당질과 함께 생체를 구성하는 주요 유기물질군.

o 물에는 불용이지만, 에테르, 벤젠, 클로로포름과 같은 지방용매에는 가용이다.

2. 생화학적 기능: 에너지원, 세포막 조성, 지용성 비타민 & 호르몬 전구체

3. 비극성 용매로 추출: ethers, benzene, acetone, chloroform

4. 종류 : 지방산(fatty acids), 트리아실글리세롤 (triacylglycerides, 지방), 인지질(phospholipids), 당지질(glycolipids), 스핑고지질(sphingolipid), 왁스(waxes), 스테로이드(steroids)

5. 기능 :

Fatty acid (-COOH) : 지방, 인지질 등의 구성 성분

Fats - energy storage

Phospholipids-membrane components

Sphingolipid : 스핑고신(sphingosin) 포함 화합물, 신경계 세포막 등

Waxes – hydrophobic, 보호 코팅(coating),

한 개 지방산 + 알코올 ester

Steroids – 4개 링 구조(3*6탄소고리+1*5탄소고리)

예, cholesterol, 성호르몬

지질 (Lipids)

more functions of lipids :

(heat) insulation

protection (of internal organs)

water proofing

buoyancy

electrical insulation by myelin sheath

(steroid) hormones

glycolipids acting as receptors

Types of Lipids

Prostanoic acid

192018

1716

1514

13

78

9

10

11 12

65

43

2

1COOH

-정의 : 12~ 20 탄소의 unbranched-chain carboxylic acid (-COOH). 동물지방, 식물기름 혹은 생체막의 phosphodiacylglycerols에서 유도

-주로 탄소수가 16, 18개로 존재 . palmitic (16:0), stearic (18:0), &

oleic (18:1) acids

-주로 cis isomer로 존재, trans 형은 별로 없음 (trans : 몸에 해, 고체형)

-불포화도 (이중결합) 증가, mp 감소 액체화 (고체액체)

지방산 (Fatty Acids)

Cis and Trans Unsaturated Fatty Acids

Natural unsaturated fatty acids have cis double bonds

When unsaturated vegetable oils are hydrogenated to form more saturated oils (as in margarine), some of the cis fatty acids are isomerized to trans fatty acids

Trans fatty acids are much more linear than cis fatty acids, so their melting points are higher and studies have shown that trans fats may act similarly to saturated fats and could contribute to heart disease and some cancers

Due to new requirements for including amounts of trans fats on food labels, many companies are developing hydrogenation methods that do not produce trans fats

18개 탄소 Fatty Acids

Stearic & oleic Acid : C18

Oleic (18:1 이중결합, 액체, 식물성 기름(올리브유..))

Stearic (18:0 단일결합, 고체, 대부분동물지방)

Dietary Fatty acid

포화(sat) & 불포화 (unsat)필수 지방산 : 오메가 지방산 (체내 생성 x)

W-3 : 18: 3 해바라기 기름, 옥수수 기름W-6 : 18: 2 콩기름

18:1올리브 기름

Dietary Fats의 비교

Triacylglycerols : 지방 (fat)

Triacylglycerol (triglyceride): 글리세롤 + 3 지방산의 에스테르 형태

주요 지방조직 구성 (특히 동물의 지방산 저장 방법)

대사 에너지의 저장 형태 (9kcal/g, vs 4 kcal/g(단백질, 탄수화물))

비누화 반응 (saponification (Latin, sapo, soap)) :

동물지방, 식물성 기름(지방산) + NaOH (가열) 비누

A triacylglyce rol(a triglyceride)

CH2 O- CR

O

O

O

CH2 O- CR''

NaOH, H2 O

CH2 OH

CH2 OH

1,2,3-Propanetriol(Glycerol, glycerin)

+

RCOO-Na+

SodiumSoaps

HOCH

R' CO-CH

R' COO- Na+

R' ' COO-Na+

+

+

A sodium soap(soluble in water as micelle s)

Calcium salt of a fatty acid(insoluble in water)

2 CH3 ( CH2 ) 1 4 COO-Na

+Ca

2 +

[ CH3 ( CH2 ) 1 4 COO-] 2 Ca

2 +2 Na

+

비누화 반응

경수에서의 비누의 침전(+ Ca(II), Mg(II) & Fe(III) ions)

Caution:

High levels

in the blood

are a risk

factor for

heart disease

Triacylglycerol (-ides)

Most common lipid in both foods

and the body

Make up about 95% of lipids

found in foods

Functions

Add texture

Makes meats tender

Preserves freshness

Stores as adipose tissue

for energy

Glycerol + fatty acids

Glycerol Fatty Acids Water Triglyceride

Triacylglycerols의형성

지방 세포 (Adipose Cell= fat cell)

지방세포는 무한 증식가능, 지방증가

세포 크기 증가

셀룰라이트: 지방 + 노폐물

Phospholipases

PLA1

PLA2

PLC

PLD

DAG

IP3

H2C

HC

H2C

O

O

O

C(CH2)14CH3

C(CH2)7CH=CH(CH2)7CH3

P

O

O

O

O-

O

H

H

OPO32-

OH

HH

OH

OPO32-H

HO H

지방의 생체 내 분해 : 리파아제 (lipases)

Phosphoacylglycerols : phospholipid

포스포아실글리세롤 (Phosphoacylglycerols, phosphoglycerides) : 지질 중 2번째로 많이 존재, phosphate group 포함. Head = polar,

tail= nonpolar

식물과 동물의 막에 존재

막 : 40% -50% phosphoacylglycerols

50% -60% proteins

phosphatidic acid 유도체가 가장 많이 존재

palmitic (16:0), stearic (18:0) & oleic (18:1)

Head group

polar

Name and Formula Name of Phospholipid

ethanolamine

+choline phosphatidylcholine

(lecithin)

phosphatidyle thanolamine(ce phalin)

se rine phosphatidylserine

NH3+

HOCH2 CHCOO-

HOCH2 CH2 N( CH3 ) 3

HOCH2 CH2 NH2

Phosphoacylglycerols : head group

CH2

CH

CH2 -O- P-O-

O

O

O

O glyce rol

palmitic acid

ste aric acid

O

O-

inositol phosphatidylinositol

HO

HOOH

OHOH

OH

HOCH2 CHCH2OH

glyce rol

phosphatidylglyce rol

OHphosphatidylglycerol

HOCH2 CHCH2OPOCH2 CHOCR3

OH

O-

O

CH2 OCR4

O

O

diphosphatidylglycerol(cardiolipin)

Phosphoacylglycerols : head group

CH2

CH

CH2 -O- P-O-

O

O

O

O glyce rol

palmitic acid

ste aric acid

O

O-

19

Glycerol

Glycerophospholipids

예) lecithin (pc)

Fatty acid + phosphoric acid + alcohol

Amino alcohol

Sphingophospholipid

예) sphingomyelin

alcohol

Phospholipid vs sphingolipid

CH

HC

H2C

N H

O

C(CH2)22CH3

H

OHO

CH=CH(CH2)12CH3

Cer

PC

H2C

HC

H2C

O

O

O

C(CH2)14CH3

C(CH2)7CH=CH(CH2)7CH3

P

O

O

O

O-

O CH2CH2N(CH3)2

Sphingolipids

Sphingosine (a long-chain aminoalcohol) 포함 지질.

신경계 세포막 등 형성

OH

( CH2 ) 12 CH3

HO

NH2

Sphingosine

OH

( CH2 ) 12 CH3

HO

NHCR

A ce ramide(an N-acylsphingosine)

OPOCH2 CH2 N( CH3 ) 3

( CH2 ) 12 CH3

HO

NHCR

A sphingomyelin

O

O-

+

O O

21

Glycolipids : 탄수화물포함

sphingosine

Fatty acid

Carbohydrate

monosaccharides

(예: glucose, galactose)

Glycolipid : 탄수화물포함 지질

막의 주요성분

1. 신경조직

cerebrosides (myelin sheath)

gangliosides ( nerve endings)

2. Plasma membrane 외벽

cell surface receptors

O

( CH2 ) 12 CH3

HO

NHCR

O

H

HO

H

HO

H

HOH

H

OH

a-glycosidic bond

a unit of -D-glucopyranose O

Waxes

fatty acid와 alcohol의 에스테르

from the Old English word weax = honeycomb

CH3 ( CH2 ) 14 CO( CH2 ) 29 CH3

O

A major component of be eswax(honeycombs)

CH3 ( CH2 ) 30 CO( CH2 ) 33 CH3

O

A major component of carnauba wax

(the Brazilian wax palm)

CH3 ( CH2 ) 14 CO( CH2 ) 15 CH3

O

A major component ofspermacetti wax

(head of the spe rm whale)

23

Sterols and Steroids

기본구조: 4개의 rings, amphipathic (polar head)

O예: cholesterol, testosterone, progesterone

Steroid ring

Cholesterol :

Most abundant sterol (animal fats)

Physiological importance

Membrane component

precursor of hormones

precursor of some vitamin (D)

Cholesterol

AndrosteroneTestosterone

O

H

OH

H

H3 C H

H

H3 C H3 C

H

HH3 C

H

O

HO

Hormon: Androgens

Androgens: 남성 성 호르몬

정소(testes)에서 합성

남자 2차성징유도

AndrosteroneTestosterone

O

H

OH

H

H3 C H

H

H3 C H3 C

H

HH3 C

H

O

HO

H3 C

HO

H3 C

H H

H

Cholesterol

Hormon: Estrogens

Estrogens: 여성 성 호르몬 (female sex hormones)

난소(ovaries)에서 합성

여성의 2차성징 발현과 월경주기 조절

Proge sterone Estradiol

H3 C

H

HH3 C

H

C= O

H

O

CH3

OH

HO

H

H

H

H3 C

H3 C

HO

H3 C

H H

H

Cholesterol

AndrosteroneTestosterone

O

H

OH

H

H3 C H

H

H3 C H3 C

H

HH3 C

H

O

HO

음식 중의 Cholesterol

건강을 위한 Low-Fat Food

필수지방산부족 시 증상

Flaky, itchy skin

Diarrhea

Infections

Growth retardation

Poor wound healing

Anemia

생물학적인막 (Biological membranes)

phosphoglycerides (인지질)는수용액에서자발적으로 lipid bilayer를형성함.

polar head groups: 수용액과접촉 (외측)

nonpolar tails : bilayer 안쪽으로위치

Driving force : hydrophobic interaction

막의경직성 :

saturated fatty acids 다수 : rigid

unsaturated fatty acids 다수 : fluid

생물학적인막 (Biological membranes)

콜레스트롤 (cholesterol)의존재 경직도및 가소성

(rigidity & plasticity) 증가, 동물막에만존재, 지질이중층을안정시켜지나치게유동적인막이되지않도록고정

온도증가 무질서도증가 (경직된막, Tm 증가)

식물막 : 동물막보다불포화지방산함량큼.

동물막보다 more fluid (유동적)

원핵동물막 : 스테로이드의함량이없어서가장유동적임.

Fluid Mosaic Model (유동모자이크모델):인지질의유동적성질과 '지질바다'에떠 있거나부분적으로또는

완전히잠겨있는단백질의역동적행동을나타냄.

Phospholipid bilayer

very hydrophobic & fluid

세포막을 구성하는 Phospholipid bilayer의 유동성

Phospholipids are amphipathic

Polar “head group”Non-polar “tails”

Phosphatidyl-X

Amphipathic molecules in H2O

(micelles 형성 : 대부분 detergent : 꼬리가 하나인 경우)

hydrophobic

hydrophilic

Phospholipids in H2O:“liposomes” 형성: 꼬리가 두개인 경우

H2O형광물질약

H2O

막 단백질 (Membrane Proteins)

기능 : 막 내/외 물질 운반,receptor로 작용, 효소작용 장소

Peripheral proteins (외재성 단백질) : 하나의 친수성과 소수성부분을 가지고 있어 지질 이중층에 일부가 잠겨있음

정전기적 인력으로 결합

ionic strength를 증가시키면 분리 가능

Integral proteins (내재성 단백질): 중간 부분이 소수성, 양끝이친수성, 수송기능 담당 - 나트륨과 칼륨같은 선별된 이온을 통과시킴. 세포내 저장 에너지를 이용해 나트륨과 칼륨을 막을 가로질러 이동. 세포내 저장 에너지를 사용하지 않고 분자나 이온을 이동, 단백질과결합한 물체와 함께 막 통과

막내부에 단단히 결합

계면활성제 처리나 ultrasonication으로 분리 가능

막에서 단백질 분리 단백질 변성

막 수송 (Membrane Transport)

능동수송 (Active transport)

농도기울기(concentration gradient)의 반대 방향으로 이동

primary active transport: ATP등의 에너지에 의해 수송

예) Na+/K+ ion pump

secondary active transport: H+ 수송 (ATP 사용)

미토콘드리아 내막

수동 수송 (Passive transport)

농도기울기(concentration gradient) 방향으로 진행

simple diffusion: channel protein의 개폐에 의해 수송

facilitated diffusion: 운반 단백질에 의해 수송

막 수송 (Membrane Transport)

Figure 7.24 The sodium-potassium pump

능동수송의 예

막 수용체 (Membrane Receptors)

Membrane receptors

일반적으로 다량체 단백질 (oligomeric proteins)

생화학적 활성 물질의 결합은 세포 내 반응을 개시

Figure 7.27 The LDL receptor

Endocytosis (내포작용) : 내포작용(엔도시토시스)의경로에는1)대음세포작용(macropinocytosis), 2)세포 표면에 존재하는클라트린(clathrin)단백질이 관여하는 내포작용, 3)카베올래(caveolae) 내포작용의 3가지 유형이 있다.

대음세포작용(macropinocytosis)은주머니 모양으로 세포막이안쪽으로 들어가서 그 상태 그대로 하나의 액체 방울, 즉 소포(小胞: vesicle)가 되어 세포 안쪽으로 이동하는 방식이다. 이 경우는 수용체(receptor)가 관여하지 않기 때문에소포의 내용물은 무엇이든 될 수 있다. 리소좀(lysosome)이나엔도좀(endosome) 같은 다른 소포와 융합한다.

클라트린(clathrin)이관여하는 내포작용은 주로 막에 분포하는이온채널(ion-channel)이나수용체(receptor)가안으로 들여올특정 물질을 붙잡으면서 시작된다. 이러한 방식이 가장 일반적인내포작용 방식으로 알려져 있다.

카베올래(caveolae)는카베올린-1(caveolin-1) 단백질이작용하여, 콜레스테롤과 글리코스핑고지질(glycosphingolipid)이풍부한이중층을 가지는 소포이다. 신경 세포에서는 잘 발견되지않는다.

Endocytosis

Lipid-Soluble Vitamins

Vitamin Function

Se rves as the s ite of the primaryphotochemical reaction in vision

A

D Regulates calcium (and phosphorus) me tabolism

E Se rves as an antioxidant; ne cessaryfor reproduction in rats, and maybe necesssary for re production in humans

K Has a regulatory function in blood clotting

Vitamin D

•Precursor:cholesterol

•Formed at skin by UV

•regulates Ca deposition

•deficiency: rickets(구루병)

Vitamin A (retinol)

•stored in liver

•precursor:carotene

•deficiency: night

blindness

Vitamin E (a-tocopherol)

-근위측증(muscular dystrophy) 방지-항산화제(antioxidanat), 자유레디칼제거

Vitamin K

-isoprene기 (-CH2CH=CCH3+CH2-)

-혈액응고촉진(항응고제:dicumarol)

Vitamin A

site of cleavage

-Carotene

enzyme-catalyzed cle avage and reduction in the liver

CH3

CH3

CH3

CH3 CH3

CH3 CH3CH3

CH3

H3 C

H3 C

CH3

CH3

CH3CH3

CH2 OH

Vitamin A

2

Chole calcife rol(Vitamin D 3)Chole sterol

HO

7-Dehydrochole sterol

HO

UV

oxidation HO

Vitamin D

프로스타글란딘 (Prostaglandins)

Prostaglandins: 20개 탄소와 4개 이중결합의 지방산인 아라키돈산의 대사물

오각형 탄소고리

인체의 모든 조직에서 발견되는 프로스타글란딘은 조직 1그램 중 10억 분의 1그램밖에안 되지만 인체가 발현하는 신진대사엔 약방의 감초처럼 빠지지 않고 중요한 역할을담당한다. 통증이나 염증 유발,평활근 수축, 근육과 혈관의 수축, 위산 분비의 저하, 혈압및 혈액, 체온의 조절 등 지금까지 밝혀진 작용만 수백 가지에 이른다

아스피린 프로스타글란딘의 염증효과 방지 (다른 예: 연고제 cortisone-PG의 억제제)

Prostanoic acid

192018

1716

1514

13

78

9

10

11 12

65

43

2

1COOH

Arachidonic acid

1514

89

11 12

6 5COOH

Misoprostol

COOCH3HO

O

HO

CH3

HO HHO

OCOOH

PGE1

15

16

16

15

Prostaglandin의 예

루코트리엔(Leukotrienes)

프로스타글란딘 처럼 아라키돈산에서 유도

백혈구에서 발견

평활근( smooth muscles) 중 특히 폐근육의 수축에 관여천식

루코트리엔의 합성저해 천식치료제 개발방향

L-cysteine

Leukotrie ne C(its synthes is and re lease is

trigge re d by allergic re actions)

NH3+

H S

HO H

COOH

CH2 CH2 COO-

기말고사 안내

일시 : 2018년 6월 14일 목요일 오전 9:30범위 : 5 (생명기술), 6~8장 (효소 + 지질)

* 계산기, 자, 모눈종이 준비* 노트 : 6/14일 제출 –

return : 과사무실