Micelle
Micelle은 Amphiphilic molecule이 수용액에서 형성할 수 있는 구조 중 하나이다. Lipid bilayer와 달리 micelle은 단일층 구조로, 분자의 모양이 cone-shaped일 때 형성된다.
형성 메커니즘
분자 모양에 따른 구조 결정
Amphiphilic molecule이 수용액에 노출되면 자발적으로 packing하여:
- Hydrophobic tail의 물 노출을 최소화
- Hydrophilic head의 물 노출을 최대화
형성되는 구조:
- Cone-shaped amphiphilic molecule → Micelle 형성
- Cylinder-shaped amphiphilic molecule (phospholipid) → Lipid bilayer 형성
Micelle의 구조
위 그림의 (B)는 micelle과 lipid bilayer의 단면을 보여준다.
Micelle의 특징:
- 구형 구조
- Hydrophobic tail이 안쪽을 향함
- Hydrophilic head group이 바깥쪽 물을 향함
- 단일층 배열
실제 구조: Micelle은 그림에서 보이는 것보다 훨씬 더 불규칙한 구조를 가진다고 생각된다.
Detergent Micelle
Detergent는 물에 용해되면 micelle을 형성한다:
Critical Micelle Concentration (CMC)
Detergent의 농도와 micelle 형성:
- 낮은 농도: Detergent molecule이 단량체로 용액에 존재
- 농도 증가: CMC를 넘어서면 일부 molecule이 micelle 형성
- CMC 이상: 단량체 농도는 일정하게 유지되고, micelle 수만 증가
Micelle의 동적 특성
CMC 이상에서:
- Detergent molecule이 micelle로 빠르게 확산해 들어가고 나옴
- 용액의 단량체 농도는 일정하게 유지
- Micelle 수와 관계없이 단량체 농도 불변
이 동적 행동으로 인해:
- Micelle의 구조가 끊임없이 변화
- 어느 순간에도 대부분의 hydrophilic end가 외부를 향함
- 대부분의 hydrophobic end가 micelle 내부에 있음
- 그러나 모든 molecule이 이상적 위치에 있지는 않음
Micelle의 특성
위 그림의 (C)는 detergent molecule이 cone-shaped이기 때문에 bilayer가 아닌 micelle을 형성함을 보여준다.
(D)는 β-octylglucoside molecule 20개로 구성된 micelle의 snapshot을 molecular dynamics calculation으로 예측한 space-filling model이다:
- Head group이 빨간색
- Hydrophobic tail이 회색
- Hydrophobic region이 일시적으로 노출됨
Packing constraint 결과:
- Hydrophobic tail이 부분적으로 물에 노출됨
- 완벽한 구형이 아닌 불규칙한 형태
CMC와 Micelle 특성
각 detergent의 특징적 특성:
- CMC 값
- Micelle 내 평균 detergent molecule 수
이들은 다음 요인에 의존:
- 온도
- pH
- 염 농도
결과적으로 detergent 용액은 복잡한 시스템이며 연구하기 어렵다.
Membrane Protein 가용화에서의 역할
Detergent는 membrane을 용해하여 Membrane protein을 가용화하는데 사용된다:
가용화 메커니즘
- Detergent의 hydrophobic end가 membrane protein의 hydrophobic region에 결합
- Lipid molecule을 치환
- Detergent molecule의 collar로 protein을 둘러쌈
- Detergent의 다른 end가 polar이기 때문에 protein이 용액으로 들어감
- Detergent-protein complex 형성
보통 일부 lipid molecule도 protein에 부착된 채로 남아있다.
Liposome과의 차이
Micelle과 Lipid bilayer를 형성하는 liposome의 차이:
| 특성 | Micelle | Liposome |
|---|---|---|
| 층 구조 | 단일층 | 이중층 |
| 형성 분자 | Cone-shaped | Cylinder-shaped |
| 내부 구조 | Hydrophobic core | Aqueous core |
| 안정성 | 동적, 가변적 | 상대적으로 안정 |