Fluidity of a Lipid Bilayer
Lipid bilayer의 fluidity는 세포막을 이상적인 구조로 만드는 가장 중요한 특성 중 하나이다. Fluidity는 많은 membrane 기능에 중요하며, 개별 lipid molecule이 bilayer plane 내에서 자유롭게 확산할 수 있게 한다.
Lipid Bilayer의 Fluid 특성
발견
1970년경, 연구자들은 개별 lipid molecule이 lipid bilayer plane 내에서 자유롭게 확산할 수 있다는 것을 처음 인식했다.
초기 증명:
- Synthetic lipid bilayer 연구에서 나옴
- 구형 vesicle (liposome) 또는 planar lipid film 형태로 만들어짐
Lipid Molecule의 운동
Biophysical 연구는 phospholipid molecule이 synthetic bilayer에서 다양한 운동을 보임을 보여주었다:
1. Lateral Diffusion (측면 확산)
특성:
- Lipid molecule이 monolayer (leaflet) 내에서 이웃과 빠르게 위치 교환
- 교환 속도: ~10⁷ times/second
- Diffusion coefficient (D): 약 10⁻⁸ cm²/sec
- 평균 lipid molecule이 큰 bacterial cell (~2 μm) 길이를 약 1초에 확산
2. Rotational Diffusion
- Lipid molecule이 자신의 긴 축을 중심으로 빠르게 회전
- Hydrocarbon chain이 flexible함
3. Flip-flop (매우 드묾)
특성:
- 한 monolayer에서 반대편 monolayer로 이동
- 시간 척도: 수 시간
- 개별 molecule에 대해 매우 느린 과정
느린 이유: Flip-flop 동안 hydrophilic head group이:
- Bilayer의 hydrophobic core에 일시적으로 들어가야 함
- Hydrophobic core를 통과해야 함
- 이는 energetically disfavored
예외: Cholesterol
- 빠르게 flip-flop 가능
- 단일 hydroxyl group만 hydrophobic core에 일시적으로 수용되면 됨
Computer Simulation
위 그림 (A)는 100개의 phosphatidylcholine molecule을 regular bilayer로 배열한 후, computer가 300 picosecond의 simulated time 후 모든 atom의 위치를 계산한 결과이다.
결과:
- Lipid molecule이 매우 disordered함
- 불규칙하고 ragged한 표면을 물 phase에 제공
- Variously spaced and oriented head group
- 한 monolayer의 tail이 충분히 길면 반대편 monolayer의 tail과 상호작용 가능
이 이론적 계산으로부터 나온 lipid bilayer model은 synthetic lipid bilayer의 거의 모든 측정 가능한 특성을 설명한다:
- Thickness
- Membrane area당 lipid molecule 수
- 물 침투 깊이
- 두 표면의 unevenness
Biological Membrane에서의 Fluidity
유사한 Mobility
Biological membrane과 살아있는 세포의 labeled lipid molecule에 대한 유사한 mobility 연구:
- Synthetic bilayer와 유사한 결과
- Biological membrane의 lipid component가 2차원 liquid임을 증명
- Constituent molecule이 laterally 자유롭게 이동
Monolayer Confinement
Synthetic bilayer처럼:
- 개별 phospholipid molecule은 보통 자신의 monolayer에 국한됨
- Flip-flop는 매우 드묾
Membrane 성장의 문제
Biological membrane 성장에 문제가 생긴다:
- Phospholipid molecule은 membrane의 한 monolayer에서만 제조됨
- 주로 ER membrane의 cytosolic monolayer
- 새로 만들어진 molecule이 noncytosolic monolayer로 빠르게 이동하지 못하면
- Membrane이 비대칭적으로 팽창함
해결책: Phospholipid Translocator
- Flippase와 scramblase
- 한 monolayer에서 다른 monolayer로 phospholipid의 빠른 flip-flop 촉매
Fluidity의 조절
Fluidity는 정밀하게 조절되어야 한다:
- Membrane protein의 빠르고 일시적인 상호작용 허용
- 특정 membrane transport process와 enzyme activity에 필수
- Bilayer viscosity가 실험적으로 threshold level 이상 증가하면 이러한 활동이 멈춤
조성에 따른 Fluidity
Lipid bilayer의 fluidity는 조성과 온도에 의존한다 (synthetic lipid bilayer 연구로 쉽게 증명됨).
Phase Transition
단일 type의 phospholipid로 만든 synthetic bilayer:
- Liquid state에서 2차원 rigid crystalline (또는 gel) state로 변화
- 특징적인 온도에서 발생 = phase transition
- Phase transition 온도는 다음 조건에서 낮아짐:
- Hydrocarbon chain이 짧을 때
- Chain에 double bond가 있을 때
Hydrocarbon Chain 길이의 영향
짧은 chain:
- 같은 monolayer와 반대 monolayer에서 서로 상호작용하는 경향 감소
- 낮은 온도에서 membrane이 fluid로 유지
- Freeze시키기 더 어려움
cis-Double Bond의 영향
cis-Double bond의 효과:
- Chain에 kink 생성
- Chain들을 함께 pack하기 더 어렵게 만듦
- Lipid bilayer를 freeze시키기 더 어렵게 함
- Unsaturated lipid의 hydrocarbon chain이 더 spread apart됨
- 결과: Unsaturated lipid를 포함하는 bilayer가 더 얇음
복잡한 Lipid 혼합의 효과
Membrane이 많은 서로 다른 lipid species의 복잡한 혼합으로 구성되면:
- 대부분의 membrane이 phase-transition point 바로 위에서 liquid로 유지되도록 조절됨
온도 적응
온도가 환경과 함께 변동하는 유기체 (bacteria, yeast 등):
- Membrane lipid의 fatty acid 조성을 조절
- 상대적으로 일정한 fluidity 유지
예시: 온도가 떨어질 때:
- 세포가 더 많은 cis-double bond를 가진 fatty acid 합성
- 온도 하락으로 인한 bilayer fluidity 감소를 회피
Cholesterol의 역할
Cholesterol은 lipid bilayer의 특성을 조절한다:
효과:
- Permeability-barrier 강화: Phospholipid와 섞였을 때
- Packing 강화: Bilayer의 lipid packing을 tighten
- Mobility 감소: Phospholipid hydrocarbon chain의 첫 몇 개 CH₂ group의 mobility 감소
- Deformability 감소: 이 영역에서 bilayer를 덜 deformable하게 만듦
- Permeability 감소: 작은 water-soluble molecule에 대한 bilayer permeability 감소
중요한 점:
- Cholesterol이 bilayer의 lipid packing을 tighten하지만
- Membrane을 덜 fluid하게 만들지는 않음
- Hydrocarbon chain이 함께 와서 결정화되는 것을 방지
Liquidity의 기능적 중요성
Membrane의 liquidity는 여러 중요한 기능을 허용한다:
- Lipid가 일시적 hole을 빠르게 patch할 수 있음
- Mechanical 또는 기타 stress로 bilayer에 나타날 수 있는 hole 복구
- Membrane protein의 빠른 상호작용
- Membrane transport와 enzyme activity 지원