리소좀

3. 발견

크리스티앙 드 뒤브는 벨기에 루뱅 가톨릭 대학교의 생리화학 연구실에서 간세포 내 인슐린의 작용 기전을 연구하고 있었다. 1949년까지 그와 그의 팀은 당 대사의 첫 번째 주요 효소이자 인슐린의 표적인 글루코스 6-포스파타아제라는 효소에 집중했다. 그들은 이미 이 효소가 혈당 수치 조절에 중요한 역할을 한다고 의심했다. 그러나 일련의 실험 후에도 세포 추출물에서 효소를 정제하고 분리하는 데 실패했다. 따라서 그들은 원심 분리를 사용하여 세포 구성 요소를 크기에 따라 분리하는 더 어려운 절차인 세포 분획을 시도했다.^[18]

그들은 마이크로솜 분획에서 효소 활성을 감지하는 데 성공했는데, 이것이 리소좀의 우연한 발견에 결정적인 단계였다. 이 효소 활성을 추정하기 위해 그들은 표준화된 효소인 산성 인산분해효소의 활성을 사용했고, 활성이 예상 값의 10%에 불과하다는 것을 발견했다. 어느 날, 5일 동안 냉장 보관한 정제된 세포 분획의 효소 활성이 측정되었는데, 놀랍게도 효소 활성은 신선한 샘플의 정상 수준으로 증가했다. 그 결과는 추정을 반복할 때마다 동일했으며, 막과 같은 장벽이 효소의 기질 접근성을 제한하고 며칠 후에 효소가 확산되어 (기질과 반응할 수 있다)는 결론으로 이어졌다. 그들은 이 막과 같은 장벽을 "막으로 둘러싸여 있고 산성 인산분해효소를 포함하는 주머니 모양 구조"로 묘사했다.^[18]

이 세포 분획의 효소가 세포 소기관인 막성 분획에서 나온다는 것이 분명해졌고, 1955년 드 뒤브는 소화 특성을 반영하여 이를 "리소좀"이라고 명명했다.^[19] 같은 해, 버몬트 대학교의 알렉스 B. 노비코프가 드 뒤브의 연구실을 방문하여 새로운 소기관의 첫 번째 전자 현미경 사진을 성공적으로 얻었다. 산성 인산분해효소에 대한 염색 방법을 사용하여 드 뒤브와 노비코프는 광학 현미경 및 전자 현미경 연구를 통해 리소좀의 가수분해효소의 위치를 확인했다.^[20][21] 드 뒤브는 이 발견으로 1974년 노벨 생리학·의학상을 수상했다.

원래 드 뒤브는 세포 자멸사에서의 가설적인 역할을 위해 이 소기관을 세포의 "자살 주머니" 또는 "자살 낭"이라고 불렀다.^[22] 그러나 이후 이것이 세포사멸에서 단지 부차적인 역할만 한다는 결론이 내려졌다.^[23]

4. 기능 및 구조

리소좀은 펩타이드, 핵산, 탄수화물, 지질 등 다양한 생체 분자를 분해하는 여러 효소를 가지고 있다. 또한 다른 세포 소기관과 융합하여 큰 구조물이나 세포 파편을 소화하는 자가 소화 작용을 통해 손상된 구조를 제거하며, 대식세포의 파고 작용으로 바이러스 입자나 박테리아를 분해한다.

리소좀의 크기는 0.1 μm에서 1.2 μm까지 다양하며, 내부는 pH 4.5~5.0 범위로 세포질(pH 7.2)보다 산성이다. 리소좀 막은 분해 효소로부터 세포질을 보호하며, 리소좀 산성 가수분해 효소가 세포질로 누출되어도 세포질의 알칼리성 환경에서는 제대로 작동하지 않아 세포를 보호한다.

양성자 (H⁺ 이온)은 세포막을 통해 양성자 펌프와 염화물 채널을 거쳐 세포질에서 펌핑되어 pH 차이를 유지한다. V-ATPase는 양성자 수송을, ClC-7 Cl⁻/H⁺ 역수송체는 염화물 이온 수송을 담당한다.

리소좀은 다양한 기질에 특이성을 가진 효소를 수입하여 분해 능력이 뛰어나다. 최근 연구에서는 리소좀이 세포 내 칼슘 공급원 역할도 할 수 있다고 밝혀졌다.

리소좀 속 가수분해 효소는 산성 조건에서 효율적으로 작용하며, 리소좀 내부 수소 이온 지수는 프로톤 펌프 작용으로 pH 5 정도로 유지된다. 중성 상태인 다른 세포 내 구획에서는 리소좀 가수분해 효소가 비활성화되어 불필요한 반응을 막는다.

이 효소들은 글리코시다아제, 리파아제, 포스파타아제, 뉴클레아제 등 다양한 가수분해 효소로 구성된다. 조면소포체에서 합성된 후 만노스가 부가되고, 골지체 시스 네트워크로 수송된 후 만노스에 인산기가 붙는다. 생성된 만노스-6-인산은 리소좀 운반 신호로, 막 수용체인 만노스-6-인산 수용체가 인식한다.

만노스-6-인산 수용체는 막 단백질로, 만노스-6-인산을 가진 분자를 결합해 수송 소포로 섭취하여 리소좀으로 단백질을 수송한다. 피복 소포는 1차 리소좀과 융합, 산성 환경에서 수용체 결합 단백질을 분리한다. 이후 수용체는 추가 분자 수송을 위해 트랜스 골지 네트워크로 돌아간다.

4. 1. 주요 효소

4. 2. 리소좀친화성 (Lysosomotropism)

5. 형성 과정

리소좀의 효소들은 조면소포체에서 합성되고 골지체에서 리소좀으로 가라는 만노오스-6-인산 꼬리표를 단다. 이러한 표적화가 잘못되면 효소가 리소좀에 도달하지 못해 세포기관에 불필요한 물질이 축적된다.^[28][29]

5. 1. 일차 리소좀과 이차 리소좀

6. 병원균 침입 방어

리소좀은 엔도사이토시스의 종착점으로서, 병원체가 분해되기 전에 세포질에 도달하지 못하도록 방어하는 역할도 한다. 병원체는 피노사이토시스와 같은 엔도사이토시스 경로를 이용하여 세포 내로 침투한다. 리소좀은 복제에 필요한 병원체의 생체 분자를 가수분해하여 세포 내로의 쉬운 진입을 막는다. 리소좀 활성이 감소하면 HIV를 포함한 바이러스 감염성이 증가한다.^[31] 또한, 콜레라와 같은 AB5 독소는 리소좀 분해를 회피하면서 엔도솜 경로를 이용한다.^[31]

7. 임상적 의의

리소좀은 리소좀 축적병(LSD)이라고 하는, 유전적으로 상속된 결핍 또는 돌연변이 그룹에 관여하며, 효소 중 하나의 기능 부전으로 인해 발생하는 선천성 대사 이상이다. 발병률은 출생 5,000명당 1명으로 추정되지만, 진단되지 않거나 오진될 가능성이 높아 실제 수치는 더 높을 것으로 예상된다. 주요 원인은 산성 가수분해 효소의 결핍이며, 이 외에도 리소좀 막 단백질의 결함, 비효소성 가용성 리소좀 단백질의 문제 등이 원인이 될 수 있다.^[15] 이러한 질환은 엔도솜-자가포식-리소좀 시스템 내 특정 거대 분자 또는 단량체 화합물의 축적을 초래하며, 이는 비정상적인 신호 전달 경로, 칼슘 항상성, 지질 합성 및 분해, 세포 내 이동의 결과를 낳아 병원성 질환으로 이어진다. 가장 영향을 받는 기관은 중추 신경계, 내장, 뼈 및 연골이다.^[32][33]

현재 LSD를 치료할 직접적인 의학적 치료법은 없다.^[34] 가장 흔한 LSD는 효소 글루코세레브로시다아제의 결핍으로 인한 고셔병이다. 이 질환은 지방산 글루코실세라마이드가 백혈구에 축적되어 비장, 간, 신장, 폐, 뇌 및 골수에 영향을 미치며, 멍, 피로, 빈혈, 낮은 혈소판 수, 골다공증, 간 및 비장 비대 등의 증상을 보인다.^[35][36] 2017년 현재, 알려진 50~60개의 LSD 중 8개를 치료하기 위해 효소 대체 요법이 제공된다.^[37]

가장 심각하고 드물게 발견되는 리소좀 축적 질환은 포함체 세포 질환이다.^[38] 색소성 백질 이영양증 또한 스핑고지질 대사에 영향을 미치는 리소좀 축적 질환 중 하나이다.

리소좀의 기능 부전은 노화 및 알츠하이머병, 파킨슨병, 심혈관 질환과 같은 연령 관련 질환에도 관여한다.^[17][39] 어류 이외의 척추동물의 정자가 가진 첨체는 특이한 리소좀으로 여겨지며, 정자가 난자에 도달했을 때 첨체 내의 효소가 방출되어 투명대를 분해하여 정자가 난자의 세포막에 도달하는 통로를 만든다.

리소좀 기능 이상으로 인해 발생하는 30가지 이상의 유전병(리소좀 축적병)이 존재하며, 분해되어야 할 물질이 축적되어 질환으로 이어진다.

7. 1. 전신 홍반 루푸스 (SLE)

8. 기타

어류 이외의 척추동물의 정자가 가진 첨체는 특이한 리소좀으로 여겨진다. 정자가 난자에 도달했을 때 첨체 내의 효소가 방출되어 투명대를 분해한다. 이 작용으로 정자가 난자의 세포막에 도달하는 통로가 형성된다.

과학적 관례에 따라, 리소좀이라는 용어는 동물 세포에만 적용되며, 액포라는 용어는 식물, 균류, 조류에 적용된다(일부 동물 세포도 액포를 가지고 있다). 1970년대 이후 식물 세포에서 발견된 사실들은 이러한 정의에 도전하기 시작했다. 식물 액포는 이전보다 훨씬 더 다양한 구조와 기능을 가지고 있는 것으로 밝혀졌다.^[60][61] 일부 액포는 자체적인 가수분해 효소를 포함하고 있으며, 자가 소화 작용이라는 고전적인 리소좀 활동을 수행한다.^[62][63][64] 따라서, 이러한 액포는 동물의 리소좀 역할을 수행하는 것으로 간주된다. "세포 내 소화에 직간접적으로 관여하는 시스템의 일부로 간주될 때만 리소좀이라는 용어가 생리적 단위를 설명한다"라는 드 뒤브(de Duve)의 설명에 기초하여, 일부 식물학자들은 이러한 액포가 리소좀이라고 강력하게 주장했다.^[65] 그러나, 이러한 주장은 보편적으로 받아들여지지 않는데, 액포가 특정 효소 및 포식 작용의 부재와 같은 리소좀과 엄밀히 유사하지 않기 때문이다.^[66] 액포는 리소좀처럼 이화 작용을 하지 않으며 세포 외 배출을 거치지 않는다.^[67]

8. 1. 정자의 첨체

8. 2. 식물 세포에서의 논란

참조

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