생체막의 유동성 – Fluidity of Biomembranes

지질분자로 이루어진 2차원 평면에서는 지질 분자들의 열운동에 의해 지질 분자들이 자유롭게 분자의 긴 쪽을 축으로 해서 회전하거나 막을 따라 옆으로 이동할 수 있습니다. 지질 분자들이 회전운동이나 옆으로 이동하는 운동만 하기 때문에 지질 분자의 소수성 사슬은 계속 이중막의 안쪽을 향하는 것입니다.

인공적으로 만들어진 인지질 이중막도 자연에서 생겨난 인지질 이중막처럼 옆에 있는 분자들과 1초에 107번 정도 자리를 바꾸고, 37oC 의 온도에서 몇 마이크로미터만큼 퍼져나갑니다.  이는 올리브유의 점성과 비슷한 정도입니다. 인공적으로 만들어진 순수한 인지질 막을 37oC 이하로 냉각시키면, 지질 분자들은 유체 상태(fluid state; liquidlike state)에서 반 고체 상태(semisolid state; gel-like state)로 상전이(phase transition) 합니다.
상전이 온도 아래에서 지질 분자들의 확산 속도가 급격하게 떨어집니다. 보통 생물 체내에서는, 막의 안쪽이 점성이 낮고, 반 고체 상태를 띠는, 즉 낮은 온도에서 관찰할 수 있는 특성을 띠고 있습니다.

단백질이 없는 순수한 이중막에서 인지질(phospholipids)과 스핑고지질(sphingolipids)은 회전하거나 옆으로 이동하는 운동을 하긴 하지만, 반대쪽으로 뒤집히거나 하진 않습니다. 그런 현상이 일어나려면 극성인 머리 쪽이 소수성을 띠는 이중막의 가운데를 통과해야 하는데, 이에 필요한 에너지가 너무 크기 때문입니다. 한 층에서 다른 층으로 극성 분자나 지질 분자를 이동시키기 위해서는 특별한 막단백질(membrane protein)이 필요합니다. 그 막단백질에 대해서는 나중에 다뤄보도록 하겠습니다.

세포막을 이루는 단백질과 지질 분자들이 옆으로 이동하는 움직임은 FRAP(fluorescence recovery after photobleaching)이란 기술을 통해 정량화할 수 있습니다. 분자의 일부분이 형광물질로 치환된 인지질이 분자의 움직임을 관찰할 때 쓰입니다. 막단백질들에는, 막 바깥으로 나와있는 부분의 구조에 결합할 수 있는 단일클론 항체(monoclonal antibody)에 형광 염색을 한 후 결합시켜줍니다. 물론 이 단일 클론 항체는 항원과 결합할 수 있는 부위를 1곳만 가지고 있어야 합니다.

FRAP 실험은 먼저 세포막의 지질이나 단백질에 형광 시약을 써서 형광물질을 붙입니다. 다음에 세포막 표면의 좁은 부위에 레이져를 비춰 결합한 형광 시약을 표백하는데, 이는 그 부분의 형광 밝기를 떨어뜨립니다. 이윽고,  표백되지 않은 곳에서 형광 물질이 붙어있는 분자들이 이동하면서 표백된 곳의 형광빛이 증가하기 시작합니다.  이 실험의 결과로 표백했던 곳에서 형광빛이 얼마나 회복되었는가를 알면, 그 막에서 움직일 수 있는 형광 분자들의 비율을 알 수 있습니다.

FRAP

FRAP(Fluorescence Recovery After Photobleaching)

이 방법을 통해 막에서 분자들의 이동 속도, 즉 확산 계수(diffusion coefficient)를 알 수 있고, 또한 움직일 수 있는 분자들의 위치도 알 수 있습니다.

섬유아세포(fibroblast)의 세포막에서의 FRAP의 결과로 모든 인지질 분자들이 0.5μm 정도의 거리는 자유롭게 이동할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 하지만 그 이상의 거리는 대부분 확산할 수 없었습니다. 이 결과는 지름이 약 1μm 정도 되는 ‘단백질이 풍부한 부분’이 인지질을 많이 포함한 ‘지질이 풍부한 부분’을 나누고 있다고 해석할 수 있습니다. 인지질은 지질이 풍부한 지역 내에서 자유롭게 움직일 수 있지만 한 지역에서 다른 지역으로는 이동하지 못한다는 것입니다.
그리고, 세포막에서의 인지질 분자의 이동 속도는 약 10-8cm2/s 로, 순수 인지질 이중층에서의 확산 속도인 약 10-7cm2/s 보다 느리다는 것도 밝혀졌습니다. 이 차이는 지질 분자들이 특정 막관통 단백질(integral protein)에 단단하지만, 비가역적이지 않은 상태로 결합하고 있다는 것을 암시합니다. 실제로 막관통 단백질을 둘러싼 인지질(annular phospholipids)이 그렇다고 합니다. ==★

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