[논문]감마선이 조사된 세포막모델을 통한 알칼리금속 이온의 선택적 전달 특성

고인호; 여진동

doi:10.7742/jksr.2013.7.1.085

[국내논문] 감마선이 조사된 세포막모델을 통한 알칼리금속 이온의 선택적 전달 특성
Selective transport characteristics of alkali metal ions through a cell membrane model which irradiated by γ-ray 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.7 no.1, 2013년, pp.85 - 91

초록
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감마선이 조사된 세포막 모델에서 $K^+$ 와 $Na^+$의 선택적 전달특성을 연구하였다. 이 실험에 사용된 세포막 모델은 $Na^+$ 슬폰화 폴리스티렌-디비닐벤젠(polystyrene-divinylbenzene) 혼성 중합막을 사용하였다. 이온의 초기플럭스는 $H^+$ 이온 농도의 증가와 함께 증가하였다. 이 실험의 조건을 pH 0.5-3, 온도 $15-65^{\circ}C$로 하여 첫 번째 조사되지 않은 막의 $K^+$와 $K^+/Na^+$의 선택도는 약 1.06 - 1.13이고 두 번째 조사된 막의 $K^+$와 $K^+/Na^+$의 선택도는 약 0에 가깝다. 조사된 막의 pH의 추진력은 조사되지 않은 막보다 약 4-5배 정도 유의성 있게 증가하였다. 세포막모델에서 $K^+$와 $Na^+$의 선택적 전달특성이 비정상적이기 때문에 세포장해가 세포에서 발현된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The selective transport characteristics of $K^+$ and $Na^+$ of cell membrane model which irradiated by 60Co ${\gamma}$-ray was investigated. The cell membrane model used in this experiment was a Na+ type sulfonated copolymerized membrane of styrene and divinylbenezene. The initial flux of the ion was increased with increase of both $H^+$ ion concentration. In this experiment range(pH 0.5-3, temperature $15-65^{\circ}C$), first, the selectivity of $K^+$ and the ratio K+/Na+ of membrane which was not irradiated was about 1.06 - 1.13 and second, that of K+ and the ratio $K^+/Na^+$ of membrane which was irradiated was near about 0. And the driving force of pH of irradiated membrane was significantly increased about 4-5 times than membrane which was not irradiated. As selective transport of K+ and Na+ of cell membrane model were abnormal, cell damages were appeared at cell.

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문제 정의

이에 따라서 방사선이 조사된 세포막이 물질의 선택적 전달(selective transport) 특성에 의해서 발생하는 이온투과성변화에 어느 정도의 영향을 미치는가를 구명하기 위하여 생물 막과 유사한 이온투과성막을 고분자로 제조한 후 이 생물 막의 이온투과성 변화가 방사선조사 전 · 후에 어떻게 변화하는가를 알아보기 위하여 물질의 선택적 전달(selective transport)에 대하여 실험하였다.
본 실험에서는 전해질 용액에서 다양한 변수들의 변화가 Na+-K+의 선택적 전달에 어느 정도의 영향을 미치는가를 정량화하기 위하여 Fig.1과 같은 실험장치를 pyrex 유리로 제작하여 실험하였다.

제안 방법

반응기, Magnetic Stirrer, 분광광도계(Shiadzu UV-2401PC, Japan), 전도도측정기(suntex, model Sc-17A), pH meter (Union prix, model GP-55), 원자흡광분석기(Nippon Jarell Ash, A.A-845), 저울(Mettler AT201, USA), 항온수조(Eyela SB-9, Japan), 60Co γ선 조사기 등을 사용했다.
고분자막은 세포막에 대응되는 생물 막으로서 좌측 cell에 0.1N KCl, 0.1N HCl or 0.1N Nacl, 0.1N HCl solution과 우측cell에 0.1N KOH, or 0.1N NaOH solution사이의 Na+-K+ 이온투과성에 대하여 5Gy의 고선량조사를 한 후 이온투과성과 방사선조사 전의 이온투과성을 비교 연구하기 위하여 사용하였다.
1N NaOH solution사이의 Na⁺-K⁺이온투과성에 대하여 5Gy의 고선량조사를 한 후 이온투과성과 방사선조사 전의 이온투과성을 비교 연구하기 위하여 사용하였다. 좌측셀에 0.1N KCl, 0.1N HCl or 0.1N Nacl, 0.1N HCl 용액과 우측 셀에 0.1N KOH, or 0.1N NaOH solution는 water jacket으로 온도를 변화하였고 Na⁺농도와 K⁺농도는 방사선 5Gy로 조사한 생물 막과 조사하지 않은 생물 막으로 각각 상호교환을 하여 마이크로피펫으로 각각 샘플링을 하고 그 농도를 원자흡광분석기로 검량선을 통하여 측정하였다.
본 실험에서는 슬폰화 폴리스티렌-디비닐벤젠 혼성 중합막을 사용하여 막의 특성을 이온교환용량(AR), 함수율(w), 고정이온농도(Aw)를 통하여 측정하였다.
시료막인 슬폰화 폴리스티렌-디비닐벤젠 혼성중합막을 증류수로 세정 한 후 1M HCl 용액 중에 담그고 3일 간 방치한 후 완전히 H⁺형으로 된 시료막을 증류수로 세척하여 HCl이 더 이상 침출되지 않을 때까지 세정하였다.
이온교환막을 8wt % NaOH 수용액 중에서 24시간 방치하여 Na⁺ 형으로 팽윤시켜 모든 실험을 수행하였다.
측정셀은 Fig 1.의 장치를 사용하였고 셀은 이중벽으로 펌프를 사용해 물을 셀내벽과 외벽 사이로 순환시켜 온도를 일정하게 유지토록 하였다.
5cm2이다. 셀의 바닥은 평평하게 제작하였으며 자력교반기로 500rpm으로 용액을 충분히 교반시켜 위치에 따른 측정오차를 제거하였다. 막 양측의 전도도는 전도도측정기로, 수소이온농도는 pH meter로 기록계를 사용하여 연속적으로 측정하였다.
셀의 바닥은 평평하게 제작하였으며 자력교반기로 500rpm으로 용액을 충분히 교반시켜 위치에 따른 측정오차를 제거하였다. 막 양측의 전도도는 전도도측정기로, 수소이온농도는 pH meter로 기록계를 사용하여 연속적으로 측정하였다.
용액의 전도도가 이온농도에 비례하므로 전도도 추이에 따라 2ml 씩 2시간에 한 번씩 양쪽셀에서 시료용액을 채취하여 원자흡광 분석기를 사용하여 금속이온의 농도를 측정하였다. 본 실험은 온도와 초기 pH 및 용질의 종류를 변수로 하였다.
용액의 전도도가 이온농도에 비례하므로 전도도 추이에 따라 2ml 씩 2시간에 한 번씩 양쪽셀에서 시료용액을 채취하여 원자흡광 분석기를 사용하여 금속이온의 농도를 측정하였다. 본 실험은 온도와 초기 pH 및 용질의 종류를 변수로 하였다.
막에 대한 5Gy의 선량조사 전 후의 선택도에 대한 실험으로서 온도는 15℃, 30℃, 50℃, 60℃, 65℃로 pH는 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 3.0까지 변화시켜 좌측셀의 용질로는 HCl을 0.1N용액에 500mL 넣고 우측 셀은 KOH와 NaOH를 각각 0.1N용액에 250mL 씩 넣고 시간에 따른 Na⁺와 K⁺의 이동비를 고찰하였다.

대상 데이터

polysulfone계 고분자 복합막인 슬폰화 폴리스티렌디비닐벤젠(polystyrene-divinyl benzene) 혼성 중합막을 사용하였다.

성능/효과

알칼리금속 이온에 대한 선택적 전달 현상을 알아보기위하여 셀 좌우 각각의 Na⁺, K⁺ 초기농도를 0.1N로 같게 한 후 이온농도의 변화는 시간이 지남에 따라 Na⁺, K⁺ 초기 좌측 셀은 증가하였고 우측 셀에서는 감소하였다. 이는 Na⁺, K⁺가 농도차에 대하여 이동하는 선택적 전달 현상으로 H⁺이온이 능동전달의 에너지를 제공하였기 때문이다.
6에 나타내었다. 방사선 5Gy로 조사한 세포막model에서는 방사선 조사를 안 한 세포막모델보다 구동력이 되는 수소이온 농도를 4-5배 정도 증가시키고 농도변화 및 플럭스도 4-5배 정도 증가하였고 선택적 전달능력이 감소하게 되었다.
이는 수소이온농도가 K⁺, Na⁺의 이동량과 유사한 경향을 보인 것으로서 이동의 구동력이 되는 수소이온 농도가 클수록 K⁺, Na⁺의 이동이 크다는 것을 알 수 있었다. 그러나, K⁺, Na⁺가 H⁺의 이동량을 초과하지 못하므로 그 정량적인 관계는 H⁺/K⁺≻1 또는 H⁺/Na⁺≻1로 Helfferich^[13]의 수지에 대한 결과와 일치하였다.
본 실험에서 H⁺ 이온은 K⁺, Na⁺ 이온과의 이온교환에 의해서 이동함을 알았다. 그러나 K⁺, Na⁺가 H⁺의 이동량을 초과하지 못하였다.
첫째, 감마선을 조사하지 않은 고분자 막(세포막모델)의 선택적 전달비는 H⁺이온농도(0.5-3)와 온도(15-65℃)가 변화 할 때 Na⁺와 K⁺이 1.06-1.13 사이의 값으로 직선형이며 K⁺이온에 대한 선택성을 나타내었다.
둘째, 5Gy의 선량을 조사한 고분자 막의 선택적 전달비는 H⁺이온농도(0.5-3)와 온도(15-65℃)가 변화 할 때 Na⁺와 K⁺이 0.7-0.08 사이의 값으로 선택도가 지수 형태로 감소하여 0에 가까워지고 있다.
상기의 실험 결과를 종합해 보면 방사선 5Gy의 조사로 세포막모델(고분자막)의 구성 성분 중 H⁺가 전리가 되어 전해질의 H⁺이온 함량을 증가시킨다.
전해질의 H⁺이온 함량의 증가는 선택적 전달의 구동력을 증가시켜서 조사되지 않은 고분자 막보다 급속도로 Na⁺, K⁺의 초기 농도의 증가를 가져왔다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생체막 연구에 있어서 세포막을 통한 이온의 전달 능력이 중요한 이유는?	세포막을 통한 이온의 능동적, 선택적 전달 능력은 세포외부와 세포내부사이의 물질교환에 큰 영향을 미치므로 생체막 연구에 있어서 중요하다고 할 수가 있다. 실제 생체막의 경우 원형질막을 통한 K+와 Na+의 선택적 전달과 산화적 인산화에서 양성자 수송과 더불어 같은 세포벽을 통한 이온의 능동전달 등을 그 예로 들 수 있다[1,2,3].
	병류수송(cotransport)과 향류수송(counter-transport)에 대한 설명은?	또한 능동전달(active transport)은 병류수송(cotransport)과 향류수송(counter-transport)으로 나누고 음이온의 전달시 H+이온과 음이온이 동시에 이온쌍을 만들어 전달자와 복합체를 형성하여 병류수송이 이루어지고 양이온의 전달 시는 H+이온이 에너지를 제공하여 H+이온과 양이온이 각각 전달자와 복합체를 형성하여 반대방향으로 전달되는 향류수송이 있다[5,6.7].
	방사선이 조사된 세포막이 이온투과성변화에 어느 정도의 영향을 미치는가에 대한 본 실험에서 사용한 실험기기는 무엇인가?	반응기, Magnetic Stirrer, 분광광도계(Shiadzu UV-2401PC, Japan), 전도도측정기(suntex, model Sc-17A), pH meter (Union prix, model GP-55), 원자흡광분석기(Nippon Jarell Ash, A.A-845), 저울(Mettler AT201, USA), 항온수조(Eyela SB-9, Japan), 60Co γ선 조사기 등을 사용했다.

참고문헌 (16)

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Glynn, Y. M. and Hokin, L. E. Ann. Rev Biochem. Vol. 43, No. 1, pp. 27-356., 1974.
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상세보기
Helfferich, F, Ion exchange, Mc Graw-Hill, New York., 1962.
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상세보기
Uragami, T., S. Watanabe, R. Nakamura, F. Yoshida, and M. Sugihara, " study on syntheses and Fermeabilities of polymer Membrane." J, Appl. polym, Sci., Vol.28, No. 2, pp.1613. 1981.
Yoshikawa, M., Shudo, S., Sanui, K., and Ogata, N, JI. Membrane SCI, pp.26. 1986.

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