[생화학] 10.1 : 세포막(cell membrane) - 5

 

 

 

이번 포스트에서는 세포막의 동적 특성에 대해 알아보자.

 

우선 맨 처음으로 알아볼 것은 lateral diffusion임.

 

 

 

 

lateral diffusion은 위 그림에서와 같이 membrane lipid가 하나의 monolayer 내에서 diffuse되는 현상을 의미함. 이 현상은 실제로 uncatalyzed되어도, 즉 효소의 도움 없이도 잘 일어나며, 이러한 diffusion은 매우 빨리 일어나서 거의 1µm/s의 속도로 일어남. 이 속도는 사실 어마어마한데, E. coli의 cell size가 1µm인 것을 감안하면 1s만에 cell을 거의 한바퀴 다 돌 수 있는 수준의 속도임.

 

이런 lateral diffusion을 측정하기 위해 사용 가능한 실험 방법은 많음. 그 중 대표적인 것이 바로 FRAP(fluorescence recovery after photobleaching)임. 이 방법을 이용할 시 lateral diffusion을 통해 lipid가 diffusion되는 속도를 측정할 수 있음. (앞서 살펴봤던 1µm/s의 속도도 이 방법을 이용해 측정한 것임) 지금부터 FRAP을 이용해 diffusion 속도를 측정하는 과정에 대해 간략히 알아보자.

 

 

 

 

일단 처음에는 cell의 outside, 그 중에서도 막지질을 fluorescent probe를 이용해 표지함. 그러면 결과적으로 위 그림 아래에서 나타난 것과 같이 fluorescent dye로 cell 외부를 coating할 수 있음.

 

 

 

이후 아주 좁은 region에 엄청나게 강력한 laser beam을 쏴서 그 부분의 형광 dye가 bleaching되게 만들어버림. 그럴 시 강한 laser beam을 맞은 dye는 다시는 형광을 띄지 못하게 될 것임.

 

 

이후 이 region의 형광이 회복되는 속도를 측정하게 되면 lateral diffusion을 통한 diffusion 속도를 계산할 수 있음.

 

 

 

 

실제로 위 그림에는 특정 시간이 지난 이후 fluorescent가 어느 정도 회복된 상태를 나타내주고 있음. 이런 식으로 시간에 따라서 photobleaching된 부위에서의 fluorescent recovery rate을 측정하면 결과적으로 membrane lipid의 diffusion coefficient를 측정할 수 있음.

 

 

한편 FRAP 이외에, 위와 같이 하나의 single lipid를 fluorescent labeling한 후 이를 시간에 따라 tracking하여서 위와 같은 결과를 얻어낼수도 있음. 물론 위와 같은 결과를 얻기 위해서는 위 그림 왼쪽 아래에 나타난 것과 같이 상당히 high-quality 조건으로 image를 얻어내야 함.

 

그런데 이런 방식으로 얻어낸 결과를 살펴보면 매우 흥미로움. 보면 lipid가 일정 시간동안은 한 region에서 random하게 왔다갔다하다가, 특정 시간이 지나면 또 다른 region으로 hopping한 뒤 random하게 왔다갔다하는 일을 반복하게 됨. 이런 현상은 아마 막에 있는 protein등에 의해서 fluidity가 restriction되어서 특정 region boundary가 형성되었기 때문에 벌어지는 것이라 볼 수 있음.

 

 

이제 다른 종류의 membrane dynamics인 transverse diffusion에 대해 알아보자.

 

 

이 diffusion은 위 그림에서도 알 수 있는 것처럼 서로 다른 monolayer 사이가 전환되는 diffusion임. 이 diffusion의 경우 lateral diffusion과는 달리 효소 없이는 며칠에 한번꼴로 아주 rare하게 일어나는 event임. 다시 말해 이 diffusion, 혹은 flip-flop으로 불리는 현상은 효소 없이는 생체 내에서 의미있게 일어나기 어려움.

 

 

 

그렇기에 위와 같이 flip-flop을 도와주는 3가지 종류의 enzyme이 있음. 이들 enzyme이 있기 때문에 앞서 살펴봤던 것과 같이 ER membrane→golgi membrane→plasma membrane을 거치며 이동해오는 과정에서 막이 asymmetric하게 변할 수 있는 것임.

 

 

맨 왼쪽에 나와있는 것은 flippase로, 세포 밖에서 세포 안 방향으로 flip을 시켜주는 효소임. 이 효소는 P-type ATPase의 일종임. 한편 두 번째로 나타나 있는 것이 floppase인데, 이 녀석은 세포 안에서 세포 밖 방향으로 flop을 시켜주는 효소임. 이 효소는 ABC transporter에 해당함. 이 두 type의 enzyme은 모두 ATP dependent하게 작동함. 한편 마지막 효소는 scramblase로, 이 경우 세포 안에서 밖 방향으로, 그리고 밖에서 안 방향으로 동시에 lipid를 flip-flop해주는 효소임. 이 효소의 경우 특이하게도 Eq를 만들어주는 역할이다 보니 ATP를 필요로 하지 않음. 참고로 최근에 밝혀진 바에 의하면 Rhodopsin이 scramblase로 기능할 수 있다고 함. 이 때 흥미로운 것은 이들 3가지 종류의 enzyme들은 원래 기능은 따로 있는데 이러한 역할도 수행한다는 것임.

 

참고로 이런 효소들에 의해 위 그림 오른쪽에 표현된 것과 같이 세포 외 방향의 outer leaflet에서는 sphingolipid, phosphatidylcholine(+glycoprotein) 등이 많이 분포하게 되고 세포 안 방향의 inner leaflet에서는 phoshpatidylethanolamine, phosphatidylserine 등이 많이 분포하게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서 이어서 알아보자.