[논문]고에너지 엑스선을 조사한 세포막모델에서 K+-Na+ 펌프 시스템의 능동적 전달 특성

고인호

doi:10.7742/jksr.2017.11.2.157

고에너지 엑스선을 조사한 세포막모델에서 K+-Na+ 펌프 시스템의 능동적 전달 특성
Active Transport Characteristics of K+-Na+ Pumping System in Cell Membrane Model which Irradiated by High Energy X-ray 원문보기

한국방사선학회 논문지 = Journal of the Korean Society of Radiology, v.11 no.2, 2017년, pp.157 - 165

초록
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본 논문에서는 고에너지 엑스선(6MeV)을 조사한 세포막 모델에서 $K^+-Na^+$ pump 시스템의 능동적 전달특성에 대하여 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 1.5-5, 온도 $36.5^{\circ}C$로 하여 첫 번째, 방사선이 조사되지 않은 막에서 $K^+$의 초기플럭스는 $2.09{\times}10^{-4}-1.32{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$이고 $Na^+$의 초기플럭스는 $7.09{\times}10^{-4}-1.09{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$으로 나타내었다. 두 번째, 방사선이 조사된 막에서 $K^+$의 초기플럭스는 $21.0{\times}10^{-4}-16.7{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$이고 $Na^+$의 초기플럭스는 $62.0{\times}10^{-4}-20.6{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$으로 나타내었다. 막의 $K^+/Na^+$선택도는 약 1.10이다. 조사된 막의 pH의 추진력은 조사되지 않은 막보다 약 9-20배 정도 유의성 있게 증가하였다. 세포막모델에서 $K^+-Na^+$의 pump 시스템의 능동적 전달특성이 비정상적이기 때문에 세포장해가 세포에서 발현된다고 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The active transport characteristics of $K^+$ and $Na^+$ pumping system of cell membrane model which irradiated by high energy x-ray(linac 6MeV) 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 1.5-5, temperature $36.5^{\circ}C$), the initial flux of $K^+$ which was not irradiated by radiation was found to be from $2.09{\times}10^{-4}$ to $1.32{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$ and that of $Na^+$ from $7.09{\times}10^{-4}$ to $1.09{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$. the initial flux of $K^+$ which was irradiated by radiation was found to be from $21.0{\times}10^{-4}$ to $16.7{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$ and that of $Na^+$ from $62.0{\times}10^{-4}$ to $20.6{\times}10^{-3}mole/cm^2{\cdot}h$. The ratio $K^+$/$Na^+$ of membrane was about 1.10. And the driving force of pH of irradiated membrane was significantly increased about 9-20 times than membrane which was not irradiated. As active transport of $K^+$ and $Na^+$ of cell membrane model were abnormal, cell damages were appeared at cell.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 실험에서는 전해질 용액에서 다양한 변수들의 변화가 Na⁺-K⁺ 펌프시스템의 능동적 전달에 어느 정도의 영향을 미치는가를 정량화하기 위하여 Fig.1과 같은 실험장치를 pyrex유리로 제작하여 실험하였다.
본 실험은 슬폰화 폴리스티렌-디비닐벤젠(polystyrene-divinylbenzene) 혼성 중합막으로 구성된 세포막 모델에서 양이온 K⁺, Na⁺ 이온과의 이온교환에 의한 능동전달 실험이므로 향류수송(counter-transport)을 알아보는 실험이다.
이에 따라서 방사선이 조사된 세포막이 물질의 능동수송(active transport)에 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 능동수송(active transport)을 통하여 실험을 하였다.

제안 방법

고분자막은 세포막에 대응되는 생물 막으로서 좌측cell에 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 고 선량조사를 한 후 이온투과성과 방사선조사 전의 이온투과성을 비교 연구하기 위하여 사용하였다. 좌측 셀에 0.
둘째, 5Gy의 선량을 조사한 고분자 막의 Na⁺-K⁺ 이온농도의 변화에 대하여 알아본 결과로 다음과 같았다.
셀의 바닥은 평평하게 제작하였으며 자력교반기로 500rpm으로 용액을 충분히 교반시켜 위치에 따른 측정오차를 제거하였다. 막 양측의 전도도는 전도도측정기로, 수소이온농도는 pH meter로 기록계를 사용하여 연속적으로 측정하였다.
막에 대한 5Gy의 선량조사 전 후의 pH에 대한 실험으로서 온도는 36.5℃로 고정한 후 pH를 1.5, 2.0, 3.0, 5.0까지 변화시켜 좌측셀의 용질로는 KCl, HCl을 사용하였으며 우측 셀은 KOH를 사용하였다.
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), linac X선 조사기 등을 사용했다.
본 실험에서는 슬폰화 폴리스티렌-디비닐벤젠 혼성중합막을 사용하여 막의 특성을 이온교환용량(AR), 함수율(w), 고정이온농도(Aw)를 통하여 측정하였다.
용액의 전도도가 이온농도에 비례하므로 전도도 추이에 따라 2ml 씩 2시간에 한번씩 양쪽셀에서 시료용액을 채취하여 원자흡광 분석기를 사용하여 금속이온의 농도를 측정하였다. 본 실험은 온도는 36.5℃로 고정한 후초기 pH 및 용질의 종류를 변수로 하였다.
5cm² 이다. 셀의 바닥은 평평하게 제작하였으며 자력교반기로 500rpm으로 용액을 충분히 교반시켜 위치에 따른 측정오차를 제거하였다. 막 양측의 전도도는 전도도측정기로, 수소이온농도는 pH meter로 기록계를 사용하여 연속적으로 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.
용액의 전도도가 이온농도에 비례하므로 전도도 추이에 따라 2ml 씩 2시간에 한번씩 양쪽셀에서 시료용액을 채취하여 원자흡광 분석기를 사용하여 금속이온의 농도를 측정하였다. 본 실험은 온도는 36.
이온교환막을 8wt % NaOH 수용액 중에서 24시간 방치하여 Na⁺형으로 팽윤시켜 모든 실험을 수행하였다.
1N NaOH solution사이의 Na⁺-K⁺이온투과성에 대하여 5Gy의 고 선량조사를 한 후 이온투과성과 방사선조사 전의 이온투과성을 비교 연구하기 위하여 사용하였다. 좌측 셀에 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.
첫째, 방사선을 조사하지 않은 고분자 막(세포막모델)의 Na⁺-K⁺이온농도의 변화에 대하여 알아본 결과로 다음과 같았다.
측정셀은 Fig 1.의 능동전달특성 실험 장치를 사용하였고 셀은 이중벽으로 펌프를 사용해 물을 셀내벽과 외벽 사이로 순환시켜 온도를 일정하게 유지토록 하였다.

대상 데이터

용질을 바꾸어서 좌측 셀의 용질로는 NaCl, HCl을 사용하였으며 우측 셀은 NaOH를 사용하였다.

성능/효과

1. Na⁺-K⁺이온의 능동전달 초기 플럭스는 pH가 증가 할수록 증가하였다.
2. 실험범위(pH 1.5-5.0)에서 Na+, K+의 초기 플럭스는 각각 62.0x10-4-20.6x10-3 mole/cm2 · h 및 21.0x10-4 – 16.7x10-3mole/cm2 · h이었다.
2. 실험범위(pH 1.5-5.0)에서 Na+, K+의 초기 플럭스는 각각 7.09x10-4 - 1.09x10-3 mole/cm2 · h 및 2.09x10-4 – 1.32x10-3mole/cm2 · h 이었다.
3. H+이온의 이동량과 Na+, K+ 이동량의 정량적인 관계는 H+/K+≥1 , H+/Na+≥1 이었다.
3. H⁺이온의 이동량과 Na⁺, K⁺ 이동량의 정량적인 관계는 H⁺/K⁺≥1 , H⁺/Na⁺≥1 이었다.
Na⁺-K⁺ 펌프시스템에 대한 능동전달 현상을 알아 보기위하여 셀 좌우 각각의 Na⁺, K⁺ 초기농도를 0.1N로 같게 한 후 이온농도의 변화는 시간이 지남에 따라 Na⁺, K⁺ 초가 좌측셀은 증가하였고 우측셀에서는 감소하였다.
에 나타내었다. 방사선 5Gy로 조사한 세포막model에서는 방사선 조사를 안 한 세포막모델보다 구동력이 되는 수소이온 농도를 9-20배 정도 증가시키고 농도변화 및 플럭스도 9-20배 정도 증가하였다.
본 실험에서 H⁺ 이온은 K⁺, Na⁺ 이온과의 이온교환에 의해서 이동함을 알았다. 그러나 K⁺, Na⁺가 H⁺의 이동량을 초과하지 못하였다.
상기의 실험 결과를 종합해 보면 방사선 5Gy의 조사로 세포막모델(고분자막)의 구성성분 중 H⁺가 전리가 되어 전해질의 H⁺이온 함량을 증가시킨다.
이는 수소이온농도가 K⁺, Na⁺의 이동량과 유사한 경향을 보인 것으로서 이동의 구동력이 되는 수소이온농도가 클수록 K⁺, Na⁺의 이동이 크다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	세포막의 능동수송은 언제 발생하는가?	여기서 세포막의 능동수송(active transport)은 물질수송이 저 농도에서 고농도로 이동할 때 발생하며 또한 에너지가 부가되어야하는데 이 때 사용되는 생화학적 에너지로는 ATP이며 그리고 조효소, 효소 등 막 단백질이 작용한다.
	세포막의 능동수송에서 어떻게 병류수송과 향류수송이 진행되는가?	또한 능동수송(active transport)은 병류수송(co-transport)과 향류수송(counter-transport )으로 나누고 음이온의 전달시 H+이온과 음이온이 동시에 이온쌍을 만들어 전달자와 복합체를 형성하여 병류수송이 이루어지고 양이온의 전달시는 H+이온이 에너지를 제공하여 H+이온과 양이온이 각각 전달자와 복합체를 형성하여 반대방향으로 전달되는 향류수송이 있다.[4-7]
	유․무기질의 물질전달은 어떤 것에 의해 이루어지는가?	이와 같이 세포막은 세포외․내부의 생리적 대사에 중요한 역할을 담당하고 있으며 세포의 구조와 생명현상을 유지하는데 없어서는 안 되는 세포의 구성성분이며 유․무기질의 물질전달은 능동수송(active transport), 수동수송 (passive transport)에 의해서 이루어진다.[3]

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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