세포의 물질대사와 내막계

세포가 하루 종일 하는 일을 한 줄로 요약하면 물질을 만들고, 보내고, 쓰고, 다시 회수하는 것이다. 이 끝없는 순환의 중심에 서 있는 조직이 바로 내막계다. 내막계는 핵막, 소포체(거친/활면), 골지체, 엔도좀, 리소좀, 각종 운반 소낭, 원형질막(세포막), 그리고 식물세포의 경우 액포까지 포함하는 거대한 네트워크다. 한마디로 세포 물질대사의 물류 허브라고 부를 만하다.

내막계가 중요한 이유

물질대사는 단백질, 지질, 당질 같은 분자를 합성하고 가공해 제때, 제자리에 전달하는 과정이다. 이때 내막계는

• 합성과 가공(제조라인),
• 선별과 포장(검수·패킹),
• 운송과 분배(물류),
• 회수와 재활용(리사이클링)
  을 담당한다. 공장과 물류센터가 한 시스템으로 엮인 셈이다.

구성 요소 한눈에 보기

• 핵막: 핵을 둘러싼 이중막으로, 바깥막은 소포체와 이어져 물질 흐름의 출발선이 된다.
• 거친 소포체(RER): 리보솜이 붙어 있어 분비 단백질·막 단백질의 합성과 접힘, 초기 당화가 진행된다.
• 활면 소포체(SER): 인지질·스테로이드 합성, 약물 해독, 칼슘 저장 등 지질 대사의 핵심 기지.
• 골지체: 단백질·지질의 최종 가공(복합당화, 설페이션 등)과 주소 라벨링, 목적지별 분류·출고를 담당한다.
• 엔도좀·리소좀: 세포 밖에서 들여온 화물과 오래된 세포 부품을 분해·재활용하는 분해 라인.
• 운반 소낭: 코팅단백질(COPII, COPI, 클라트린 등)로 둘러싸인 일종의 배송 상자.
• 원형질막: 물질의 최종 출고(분비)와 입고(엔도사이토시스)가 이루어지는 관문.
• 액포(식물): 저장, 이온 균형, 분해 기능까지 겸하는 초대형 창고.

참고로 미토콘드리아와 엽록체, 퍼옥시좀은 내막계와 긴밀히 협업하지만 일반적으로 내막계의 구성원으로 보지 않는다(기원과 분열 방식이 다르고, 독자적 단백질 수입 경로를 가진다).

한 방향 물류와 되돌림 물류

내막계의 기본 흐름은 ER → 골지체 → 세포막/분비/엔도좀/리소좀으로 이어지는 전방 물류다. 이때

• COPII 코팅 소낭은 ER에서 골지체로(출고),
• COPI 코팅 소낭은 골지체에서 ER로(반송),
• 클라트린 코팅 소낭은 골지체→엔도좀, 세포막→엔도좀(엔도사이토시스) 등 특정 루트를 맡는다.

주소 라벨링도 정교하다. 예를 들어 ER로 되돌아갈 단백질은 KDEL 서열, 리소좀으로 갈 가수분해효소는 만노오스-6-인산(M6P) 표지를 달고 이동한다. 이러한 신호·수용체 시스템 덕분에 화물은 길을 잃지 않는다.

물질대사와의 연결 포인트

1. 단백질 대사

• 합성: 거친 소포체에서 분비용·막 단백질이 번역과 동시에 막을 통과하며 삽입된다.
• 품질관리: 샤페론이 접힘을 돕고, 문제가 있으면 ER 관련 분해(ERAD)로 제거한다.
• 가공·분류: 골지체에서 당사슬이 다듬어지고, 소낭에 담겨 목적지로 출고된다.

2. 지질 대사

• 합성: 활면 소포체가 인지질·콜레스테롤·스테로이드 합성을 주도한다.
• 분배: 새로 만든 지질은 소낭 이동뿐 아니라 막-막 접촉 부위(예: ER-미토콘드리아 접촉, 이른바 MAM)를 통해 신속히 전달되어 세포막과 소기관 막 조성에 반영된다.

3. 당 대사

• 골지체의 글리칸 가공은 단백질 기능·안정성·세포 간 신호에 직접 영향을 준다. 점액질이나 세포벽 전구체 같은 탄수화물 풍부 물질의 분비에도 핵심적이다.

4. 분해·재활용(오토파지·리소좀)

• 영양 결핍이나 손상 상황에서 오토파고솜이 형성되어 리소좀과 융합, 아미노산·지방산 등 기본 단위로 분해·재활용한다. 이 과정은 세포 에너지 균형(예: 아미노산 보충, 지방산 산화 전구체 제공)에 즉각적인 도움을 준다.

사례로 보는 흐름

• 인슐린 분비: 췌장의 베타세포에서 전구체가 ER에서 합성·접힘→골지체에서 가공→분비 과립에 포장→자극 시 세포막과 융합·분비.
• LDL 수용체 매개 엔도사이토시스: 세포막의 LDL 수용체가 LDL과 결합→클라트린 소낭으로 내재화→엔도좀·리소좀에서 콜레스테롤을 방출하고 수용체는 재활용 경로로 복귀.

식물세포의 특이점인 액포의 다기능성

식물세포의 중앙액포는 저장고이자 분해소다. 유기산, 이온, 색소, 방어 물질을 저장하고, 노화된 세포 구성요소를 분해한다. 또한 세포벽 구성 성분의 전구체 운반과 분비에도 내막계가 깊이 관여한다.

내막계 고장과 질환

신호 라벨링 오류나 품질관리 실패는 심각한 대사 장애로 이어진다. 예컨대 만노오스-6-인산 표지에 문제가 생기면 리소좀 효소가 잘못 배달되어 축적성 질환이 발생할 수 있다. ER 스트레스가 해소되지 않으면 단백질 품질관리 붕괴로 세포 손상이 커진다.

핵심 정리

• 내막계는 세포 물질대사의 제조·가공·분류·운송·재활용을 통합 관리하는 네트워크다.
• ER은 단백질·지질 합성의 전진기지, 골지체는 가공·선별의 허브, 엔도좀·리소좀은 회수·분해 라인이다.
• 코팅 소낭(COPII/COPI/클라트린)과 신호 서열(KDEL, M6P 등)이 정확한 물류를 보장한다.
• 오토파지와 리소좀 활동은 영양·에너지 균형 유지에 필수다.
• 식물세포에서는 액포가 대형 창고이자 분해소의 역할을 겸한다.

 

출처

• Khan Academy, The endomembrane system and proteins
  https://www.khanacademy.org/science/biology/structure-of-a-cell/endomembrane-system/a/the-endomembrane-system
• OpenStax Biology 2e, The Endomembrane System and Proteins
  https://openstax.org/books/biology-2e/pages/4-4-the-endomembrane-system-and-proteins
• Wikipedia, Endomembrane system
  https://en.wikipedia.org/wiki/Endomembrane_system
• Wikipedia, COPI
  https://en.wikipedia.org/wiki/COPI
• Wikipedia, COPII
  https://en.wikipedia.org/wiki/COPII
• Wikipedia, Clathrin
  https://en.wikipedia.org/wiki/Clathrin