Lipid Bilayer
Lipid bilayer는 모든 세포막의 기본 구조를 제공한다. 이는 전자현미경으로 쉽게 관찰되며, bilayer 구조는 전적으로 lipid molecule의 특별한 특성에 기인한다. Lipid molecule은 단순한 인공 조건에서도 자발적으로 bilayer로 조립된다.
구조적 특성
Lipid bilayer는 약 5 nm 두께의 연속적인 이중층으로 lipid molecule이 배열된 구조이다. 이 bilayer는 membrane의 기본적인 fluid structure를 제공하며 대부분의 water-soluble molecule의 통과에 대해 본질적으로 불투과성 장벽으로 작용한다.
분자 배열
Lipid bilayer는 두 개의 monolayer (또는 leaflet)로 구성되며:
- 각 monolayer에서 lipid molecule의 hydrophobic tail은 안쪽을 향함
- Hydrophilic head group은 바깥쪽 수용액을 향함
- 두 monolayer의 hydrophobic tail이 서로 마주보며 bilayer의 core를 형성
형성 메커니즘
Lipid bilayer의 형성은 Amphiphilic molecule의 특성에서 비롯된다:
1. 자발적 조립 (Spontaneous Assembly)
Phospholipid molecule이 수용액에 노출되면:
- Hydrophobic tail의 물 노출을 최소화하려는 경향
- Hydrophilic head의 물 노출을 최대화하려는 경향
- 이 두 경향이 특정 packing arrangement로 이어짐
2. 구조 결정 요인
Molecule의 모양이 최종 구조를 결정한다:
- Cone-shaped molecule: Micelle 형성 (tail이 안쪽)
- Cylinder-shaped molecule (phospholipid 같은): Bilayer 형성
- Hydrophobic tail이 두 hydrophilic head group 사이에 sandwiched
- Double-layered sheet 구조
3. Self-sealing 특성
Bilayer를 bilayer로 만드는 동일한 힘이 self-sealing property도 제공한다:
- Bilayer에 small tear 발생
- 물에 노출된 free edge 생성 - energetically unfavorable
- Lipid가 자발적으로 재배열하여 free edge 제거
- 중요한 결과: Free edge를 피하는 유일한 방법은 자신을 닫아 sealed compartment 형성
이 remarkable behavior는 살아있는 세포의 창조에 근본적이며, phospholipid molecule의 모양과 Amphiphilic molecule 특성에서 직접 나온다.
Fluid 특성
Lipid bilayer는 2차원 fluid이다:
Lipid 분자의 운동
Lateral diffusion (측면 확산):
- 개별 lipid molecule이 bilayer plane 내에서 자유롭게 확산
- 이웃 molecule과 빠르게 위치 교환 (~10⁷ times/sec)
- Diffusion coefficient (D): ~10⁻⁸ cm²/sec
- 평균 lipid molecule이 큰 bacterial cell (~2 μm)의 길이를 약 1초에 확산
Rotational diffusion:
- Lipid molecule이 자신의 긴 축을 중심으로 빠르게 회전
- Flexible hydrocarbon chain 보유
Flip-flop (매우 드묾):
- 한 monolayer에서 다른 monolayer로의 이동
- 시간 척도: 수 시간
- 느린 이유: Hydrophilic head group이 일시적으로 bilayer의 hydrophobic core를 통과해야 함 - energetically disfavored
- 예외: Cholesterol은 빠르게 flip-flop (단일 hydroxyl group만 accommodating)
Phospholipid Translocator
생물학적 membrane에서 문제가 발생한다:
- Phospholipid molecule은 주로 ER membrane의 cytosolic monolayer에서만 제조됨
- 신규 분자가 noncytosolic monolayer로 빠르게 이동하지 못하면 membrane이 비대칭적으로 팽창
해결책: Flippase와 scramblase
- Phospholipid translocator로 불리는 특별한 membrane protein class
- 한 monolayer에서 다른 monolayer로 phospholipid의 빠른 flip-flop 촉매
Membrane으로서의 기능
Lipid bilayer는 membrane의 여러 필수 특성을 제공한다:
- 투과성 장벽: 대부분의 water-soluble molecule에 대해 불투과성
- 유동성: Fluidity of a lipid bilayer는 많은 membrane 기능에 중요
- 자가 봉합: 손상 시 자발적으로 복구
- Compartmentalization: Sealed compartment 형성으로 세포 경계 확립
Liposome
Synthetic lipid bilayer는 liposome으로 만들어질 수 있다:
- 구형 vesicle 형태
- Model membrane으로 실험 연구에 사용
- 특히 incorporated membrane protein 연구에 유용
Liposome은 물 속에서 서로 자발적으로 융합하지 않는다:
- Polar lipid head group이 물 molecule과 ion을 결합
- 두 liposome의 bilayer가 충분히 가까이 오려면 이들이 제거되어야 함
- 이는 생물학적 membrane의 hydration shell을 더욱 크게 만듦
- 결과: 진핵세포의 많은 내부 membrane이 절연되어 통제되지 않은 융합 방지
모든 세포 membrane 융합 사건은:
- Tightly regulated tether에 의해 촉매됨
- Fusion protein이 bilayer를 분리하는 물층을 강제로 제거