http://dx.doi.org/1.7742/jksr.213.7.1.85 Selective transport characteristics of alkali metal ions through a cell membrane model which irradiated by γ-ray. Inho Ko *, Jindong Yeo ** Dept. of Radiological Technology, Cheju Halla University, Dept. of Radiological Technology, Sorabol University 감마선이조사된세포막모델을통한알칼리금속이온의선택적전달특성 고인호 *, 여진동 ** 제주한라대학교방사선과 *, 서라벌대학교방사선과 ** Abstract The selective transport characteristics of K + and Na + of cell membrane model which irradiated by 6Co γ -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 -3, temperature 15-65 ), first, the selectivity of K + and the ratio K+/Na+ of membrane which was not irradiated was about 1.6 - and second, that of K+ and the ratio K + /Na + of membrane which was irradiated was near about. 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. key words : γ-ray, Na + polystyrene-divinylbenzene sulfonated copolymerized membrane, Selective transport characteristics 요약 감마선이조사된세포막모델에서 K + 와 Na + 의선택적전달특성을연구하였다. 이실험에사용된세포막모델은 Na + 슬폰화폴리스티렌 - 디비닐벤젠 (polystyrene-divinylbenzene) 혼성중합막을사용하였다. 이온의초기플럭스는 H + 이온농도의증가와함께증가하였다. 이실험의조건을 ph -3, 온도 15-65 로하여첫번째조사되지않은막의 K + 와 K + /Na + 의선택도는약 1.6 - 이고두번째조사된막의 K + 와 K + /Na + 의선택도는약 에가깝다. 조사된막의 ph 의추진력은조사되지않은막보다약 4-5 배정도유의성있게증가하였다. 세포막모델에서 K + 와 Na + 의선택적전달특성이비정상적이기때문에세포장해가세포에서발현된다. 중심단어 : 감마선, Na + 슬폰화폴리스티렌 - 디비닐벤젠혼성중합막, 택적전달특성 Corresponding Author:Inho Ko E-mail : fldrh3982@hanmail.net, Tel : +82-1-2699-3982 Addr. Cheju Halla Univ., Halladaehak-ro, jeju-si, jeju-do, korea Received : january, 16, 213 Revised :February, 1, 213 Accepted : February, 22, 213 85
"Selective transport characteristics of alkali metal ions through a cell membrane model which irradiated by γ-ray" Ⅰ. 서론 세포막을통한이온의능동적, 선택적전달능력은세포외부와세포내부사이의물질교환에큰영향을미치므로생체막연구에있어서중요하다고할수가있다. 실제생체막의경우원형질막을통한 K + 와 Na + 의선택적전달과산화적인산화에서양성자수송과더불어같은세포벽을통한이온의능동전달등을그예로들수있다 [1,2,3].. 이와같이세포막은세포외 내부의생리적대사에중요한역할을담당하고있으며세포의구조와생명현상을유지하는데없어서는안되는세포의구성성분이며유 무기질의물질전달은능동전달 (active transport), 수동전달 (passive transport) 에의해서이루어진다 [4]. 또한능동전달 (active transport) 은병류수송 (cotransport) 과향류수송 (counter-transport) 으로나누고음이온의전달시 H + 이온과음이온이동시에이온쌍을만들어전달자와복합체를형성하여병류수송이이루어지고양이온의전달시는 H + 이온이에너지를제공하여 H + 이온과양이온이각각전달자와복합체를형성하여반대방향으로전달되는향류수송이있다 [5,6.7]. 한편선택도를알아보기위해서투과분율 (permeation fraction, P.F) 과 K + 이온에대한 Na + 이온의선택도 (selectivity, S) 는다음과같다 [8,9,1]. P.F(%)= [ M + ] max [M + ] R.O 1 S = P.F k +/P.F Na + 막에대한방사선의작용연구는주로적혈구막에서이루어지고있은실정이며세포막의작용중물질수송은선택적투과성에의해서결정되는데세포내부는칼륨 (K + ) 농도가높고세포외부는나트륨 (Na + ) 농도가높은데방사선조사로인하여적혈구막의이온투과성이상실되어세포내부는나트륨 (Na + ) 농도가높아지고세포외부는칼륨 (K + ) 농도가높아져서막의구조변화로적혈구가치사된다. 961년 Bacq와 Aloxander [1] 등의 효소방출설 에의하면고선량의방사선이생물막에조사되면막을구성하고있은효소가방출되어세포내의구성성분인핵산, 단백질등을분해하여결국에는세포가치사된다는이론이며이이론은선량이고선량이일때만가능하고저선량에는발생하지않는이론이어서어느정도의한계를지닌이론이다. 본연구는최근에생물막과유사한이온투과성막 ( 양이온교환막, 음이온교환막 ) 을이용한선택적물질의전달에대한연구보고가많이있으나고선량의방사선조사로인한선택적이온투과성변화에대한연구는미비한실정이다 [11,12]. 이에따라서방사선이조사된세포막이물질의선택적전달 (selective transport) 특성에의해서발생하는이온투과성변화에어느정도의영향을미치는가를구명하기위하여생물막과유사한이온투과성막을고분자로제조한후이생물막의이온투과성변화가방사선조사전 후에어떻게변화하는가를알아보기위하여물질의선택적전달 (selective transport) 에대하여실험하였다. Ⅱ. 실험재료및방법 [M + ]max : 금속이온좌측에서의최대농도 [M + ]R.O : 우측에서의초기농도 K +, Na + : 각각의이온에대한값막의선택적투과특성은막의내부구조에기인하며그내부세공에양이온이나음이온이막물질의일부로서고정된구조를가지며이고정이온은세공내로상대이온을끌어들여전기적중성을띠게되는데담체작용기에따라양이온교환막과음이온교환막으로분류된다. 1. 실험재료 1) 고분자막 (polysulfone) 의구성고분자막은 Na + -K + 이온투과성을선택적으로측정할수있은이온투과성막으로서최근연구에많이이용되고있은 polysulfone계고분자복합막인슬폰화폴리스티렌- 디비닐벤젠 (polystyrene-divinyl benzene) 혼성중합막을 86
사용하였다. 2) 실험기기반응기, Magnetic Stirrer, 분광광도계 (Shiadzu UV-241PC, Japan), 전도도측정기 (suntex, model Sc-17A), ph meter (Union prix, model GP-55), 원자흡광분석기 (Nippon Jarell Ash, A.A-845), 저울 (Mettler AT21, USA), 항온수조 (Eyela SB-9, Japan), 6 Co γ선조사기등을사용했다. 2. 실험장치본실험에서는전해질용액에서다양한변수들의변화가 Na + -K + 의선택적전달에어느정도의영향을미치는가를정량화하기위하여 Fig.1과같은실험장치를 pyrex 유리로제작하여실험하였다. 3. 실험방법 1) 막의특성실험본실험에서는슬폰화폴리스티렌-디비닐벤젠혼성중합막을사용하여막의특성을이온교환용량 (AR), 함수율 (w), 고정이온농도 (Aw) 를통하여측정하였다. 시료막인슬폰화폴리스티렌-디비닐벤젠혼성중합막을증류수로세정한후 1M HCl 용액중에담그고 3일간방치한후완전히 H + 형으로된시료막을증류수로세척하여 HCl이더이상침출되지않을때까지세정하였다. Fig. 1. Experimental apparatus for selective transport measurement Left cell :.1 N KCl,.1 N HCl, or.1 N NaCl,.1 N HCl Right cell :.1 N KOH, or.1 N NaOH 3) 전해질용액의 Na+ 농도와 K+ 농도변화 고분자막은세포막에대응되는생물막으로서좌측 cell에.1n KCl,.1N HCl or.1n Nacl,.1N HCl solution과우측cell에.1n KOH, or.1n NaOH solution사이의 Na + -K + 이온투과성에대하여 5Gy의고선량조사를한후이온투과성과방사선조사전의이온투과성을비교연구하기위하여사용하였다. 좌측셀에.1N KCl,.1N HCl or.1n Nacl,.1N HCl 용액과우측셀에.1N KOH, or.1n NaOH solution는 water jacket으로온도를변화하였고 Na + 농도와 K + 농도는방사선 5Gy로조사한생물막과조사하지않은생물막으로각각상호교환을하여마이크로피펫으로각각샘플링을하고그농도를원자흡광분석기로검량선을통하여측정하였다. 이시료막을 2M NaCl 3mL에담구었다가 H + 를 Na + 로교환시키고액중에유리된 H + 를 NaOH 용액으로적정하였다. Na + 형이된시료막을더이상 Cl - 침출되지않을때까지증류수로세척하고여과지로닦은후빨리밀폐용기에넣고칭량하였다. 여기서이온교환용량 (AR) 은건조된수지 1g 중에고정이온의밀리당량 (meq) 으로구하였다. AR = meq/ g dry resin 함수율 (w) 은여과지로닦아내어칭량한막과 115 에서건조시킨막과의질량차이로구하였으며수지중의물에대한고정이온농도 (Aw) 는이온교환용량 (AR) 과함수율 (w) 로부터구하였다. Aw = AR/w 2) 선택적전달특성실험이온교환막을 8wt % NaOH 수용액중에서 24시간방치하여 Na + 형으로팽윤시켜모든실험을수행하였다. 87
"Selective transport characteristics of alkali metal ions through a cell membrane model which irradiated by γ-ray" 측정셀은 Fig 1. 의장치를사용하였고셀은이중벽으로펌프를사용해물을셀내벽과외벽사이로순환시켜온도를일정하게유지토록하였다. 셀의한쪽부피는 38cm3, 막의유효면적은 12.5cm2 이다. 셀의바닥은평평하게제작하였으며자력교반기로 5rpm으로용액을충분히교반시켜위치에따른측정오차를제거하였다. 막양측의전도도는전도도측정기로, 수소이온농도는 ph meter로기록계를사용하여연속적으로측정하였다. 용액의전도도가이온농도에비례하므로전도도추이에따라 2ml 씩 2시간에한번씩양쪽셀에서시료용액을채취하여원자흡광분석기를사용하여금속이온의농도를측정하였다. 본실험은온도와초기 ph 및용질의종류를변수로하였다. 막에대한 5Gy의선량조사전후의선택도에대한실험으로서온도는 15, 3, 5, 6, 65 로 ph 는, 1.,, 2., 3.까지변화시켜좌측셀의용질로는 HCl을.1N용액에 5mL 넣고우측셀은 KOH와 NaOH 를각각.1N 용액에 25mL 씩넣고시간에따른 Na + 와 K + 의이동비를고찰하였다. 1. 막의특성 Ⅲ. 실험결과 실험에사용한양이온교환막의특성을측정한결과를 Table 1. 에나타내었다. Table1. physical properties of the membrane 물리적특성막조성의부피 화학적조성 혼성중합막 (styrene-dvb) 2. 선택도알칼리금속이온에대한선택적전달현상을알아보기위하여셀좌우각각의 Na +, K + 초기농도를.1N 로같게한후이온농도의변화는시간이지남에따라 Na +, K + 초기좌측셀은증가하였고우측셀에서는감소하였다. 이는 Na +, K + 가농도차에대하여이동하는선택적전달현상으로 H + 이온이능동전달의에너지를제공하였기때문이다. 1) 감마선을조사하지않은세포막model 의초기 ph 와온도변화에대한선택적전달특성 P. F Na + 는 8%, P. F K + 는 S는 1.1이었으며 Fig2. 는막에대한온도변화시플럭스를관찰하여이결과를 Arrehnius 식으로나타낸것이었다. 이때기울기에서구한활성화에너지는 Na + 경우가 K + 보다약간큰것으로나타났으며이는수화이온반경이 Na + (2.17Ȧ) > K + (1.75Ȧ) 인결과와도일치하는것이었다. 한편우측셀의초기농도변화및온도변화시 K +, Na + 의이동량변화를 Fig3., Fig 4. 에나타내었다. 이때모든경우에있어서 K + /Na + 의비율은 1.1 부근에서변화하여술폰화폴리스티렌- 디비닐벤젠혼성중합막이 Na + 보다 K + 에대해더선택성이있음을나타내고있다. 또한 K + 와 Na + 의혼합성분실험에서도 K + 와 Na + 이동량의비율이마찬가지로 1.1 부근의값으로나타나동일한결과를보였다. Table 2. 에 K + /Na + 의초기수소이온농도변화에대한선택이동량의비를표시하였다. Table 2. The effect on selectivity of (K + /Na + ) byh + ion concentration and temperature 고정라디칼 황라디칼 ph K + /Na + Temp( ) K + /Na + 이온교환용량 (meq/g 건조수지 ) 수분함량 (%) 두께 (mm) 고정이온농도 (meq/g H2O) 2.8 38.21 7.3684 1. 2. 2.5 1.6 1.7 15 3 5 6 65 1.8 88
7.8 2) 감마선 5Gy 로조사한세포막model의초기 ph와온도변화에대한선택적전달특성 ln k Active selectivity (K+ / Na+) 7.6 7.4 7.2 7 2 1 NaCl KCl 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 ( 1/T ) X.1 Fig. 2. Arrehnius for calculation of active energy 1 2 3 ph 방사선 5Gy로조사한세포막model에서알칼리이온 (Na +, K + ) 에대한 H + 이온농도와온도의변화를때의결과는 Fig.5., Fig.6에나타내었다. 방사선 5Gy로조사한세포막model에서는방사선조사를안한세포막모델보다구동력이되는수소이온농도를 4-5배정도증가시키고농도변화및플럭스도 4-5배정도증가하였고선택적전달능력이감소하게되었다. Fig.5., Fig.6에서 ph 일때선택도의최고값을나타냈으며이는초기농도 99% 의이동량을보였다. Fig.5., Fig.6에서우측셀의초기 ph 변화시최종이동결과를선택도로나타낸것이다. 이때 ph 3에서는거의이동이일어나지않으며선택도가 에가까워진다. ph 부근에서는 K + 나 Na + 양쪽모두대부분이동되었음을알수있다. 이는수소이온농도가 K +, Na + 의이동량과유사한경향을보인것으로서이동의구동력이되는수소이온농도가클수록 K +, Na + 의이동이크다는것을알수있었다. 그러나, K +, Na + 가 H + 의이동량을초과하지못하므로그정량적인관계는 H + /K + 1 또는 H + /Na + 1로 Helfferich [13] 의수지에대한결과와일치하였다. Active selectivity (K + / Na + ) Fig. 3. Effect on initial ph of selectivity(k + /Na + ) 2 1 15 3 5 6 65 Temperature( o C) Fig. 4. Effect on initial temperature of selectivity(k + /Na + ) Fig.5., Fig.6에서선택도 (H + /Na + ) 를구한결과이다. K + /Na + 는양쪽모두 ph 일때각각최대값을나타내었다. Table3. 에초기 ph 변화에대한 K +, Na + 의선택도를나타내었다. 이초기선택도는수소이온농도, 온도의그래프에서최소제곱법에의해 C=at 2 + bt +c 를구한후 b를초기농도와온도변화율로취하여계산한것이다. 본실험에서 H + 이온은 K +, Na + 이온과의이온교환에의해서이동함을알았다. 그러나 K +, Na + 가 H + 의이동량을초과하지못하였다. 즉, H + 의전달량 K +, Na + 의전달량의관계가성립되며이는막내부세공의크기가확대되면세공표면에서의이온교환에의한선택적전달보다농도차, 온도차에의한확산이더쉬워지기때문이다. H + 이온과 K +, Na + 이온의선택도가 1일때가장좋은효율을나타내며이는이온교환에의한선택적전달만일어난다고할수있다. 이는 89
"Selective transport characteristics of alkali metal ions through a cell membrane model which irradiated by γ-ray" 감마선조사로인한선택도가 값에가까워지면 K +, Na + 이온의선택적전달능력이감소하여생물막으로서의기능을제대로못해세포의생명현상이정지되어결국세포사로이르게된다. Active selectivity (K+ / Na+).8.6.4.2 1 2 3 ph Fig. 5. Effect on initial ph of selectivity(k + /Na + ) Table 3. The effect on selectivity of (K + /Na + ) by H + ion concentration and temperature ph K + /Na + Temp( ) K + /Na + 1. 2. 2.5 1.6 1.7 15 3 5 6 65 1.8. 6 Ⅳ. 고찰복합막의지지층은용매투과속도를빠르게하는기능층이며활성층은용질분리를담당하는비공성의기능층이다. 이온투과성막은선택적반투과성막인세포막과같은특성을지녀야하므로이온교환막으로복합막구조를하고있다. 그리고이온교환막은담체작용기의극성에따라양이온교환막과음이온교환막으로분류하게되며즉고정이온때문에이온교환막은보통격막에서볼수없는특성을가지게되는데그중가장현저한것이이온의선택적투과성이다. Shimidzu [14] 등은같은하전의이온간에있어서의선택도는막에고정된전달자와이온간의친화력과막의친수성 ( 또는소수성 ) 에의해결정된다고하였으며 Uragami [15] 등은금속이온간의선택도는막의전달자와이온간의친화력과이온의수화이온반경과관계가있다고한다. Yoshikawa, M [16] 등에의해 poly(1-propenoyl-cridinylo-acrylonitrile) 을통한할로겐이온의투과는향류수송과병류수송에의하여이루어지며 poly(1-vinylimidazoleo-styrene) 을통한할로겐이온의투과또한향류수송과병류수송에의해서세포막에서물질의선택적능동수송이있음을보고하고있으며본실험에사용된슬폰화폴리스티렌-디비닐벤젠 (polystyrene-divinylbenzene) 혼성중합막으로구성된세포막모델에서도양이온 K +, Na + 이온과의이온교환에의한선택적능동적전달이있었다. Active selectivity( K + / Na + ). 4. 2 특히, 방사선이조사된세포막모델에서는비정상적으로양이온 K +, Na + 이온과의이온교환에의한선택적전달이발생하여비정상적인물질전달이이루어지므로실제로세포의기능에커다란영향을미쳐서세포사, 세포기능과구조적변화등다양한형태의장해를유발하는것으로사료된다. 15 3 5 6 65 Temperature( o C) Ⅴ. 결론 Fig. 6. Effect on initial temperature of selectivity(k + /Na + ) 감마선조사로고분자막 ( 세포막모델 ) 의구조적변화에따른 Na + -K + 선택적전달의변화를실험을한결과 9
아래와같은결론을추론하게되었다. 첫째, 감마선을조사하지않은고분자막 ( 세포막모델 ) 의선택적전달비는 H + 이온농도 (-3) 와온도 (15-6 5 ) 가변화할때 Na + 와 K + 이 1.6- 사이의값으로직선형이며 K + 이온에대한선택성을나타내었다. 둘째, 5Gy의선량을조사한고분자막의선택적전달비는 H + 이온농도 (-3) 와온도 (15-65 ) 가변화할때 Na + 와 K + 이.7-.8 사이의값으로선택도가지수형태로감소하여 에가까워지고있다. 상기의실험결과를종합해보면방사선 5Gy의조사로세포막모델 ( 고분자막 ) 의구성성분중 H + 가전리가되어전해질의 H + 이온함량을증가시킨다. 전해질의 H + 이온함량의증가는선택적전달의구동력을증가시켜서조사되지않은고분자막보다급속도로 Na +, K + 의초기농도의증가를가져왔다. 이는 Na +, K + 이동량의증가를가져와정상적인물질의선택적전달에큰장해를준다. 결국에는세포막의기능이정상적으로작동을하지못하므로다양한형태의세포장해를발생할것으로사료된다. [9] D. M. Koenhen. " J. of polymer Science", Vol. 34, No. 2, pp. 279, 1987. [1] Rosen, B. P.(ed) Bacterial transport. Dekker, N. Y. 1978. [11] Glynn, Y. M. and Hokin, L. E. Ann. Rev Biochem. Vol. 43, No. 1, pp. 27-356., 1974. [12] Ullrich, K. J.. Ann. Rev. Physiol. Vol. 41, No. 4, pp. 181-195., 1979. [13] Helfferich, F, Ion exchange, Mc Graw-Hill, New York., 1962. [14] Shimidzu, T. N. Yoshikawa, M. Hseg awa, and K. Kasakatus, " Active transport and selectivity transport of akali metal ion through poly(3-vinyl-1, 4-butyrolaction-co-acrylonitrile) membrane," macromolecules, Vol. 14, No. 1, pp.17, 1981. [15] 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. [16] Yoshikawa, M., Shudo, S., Sanui, K., and Ogata, N, JI. Membrane SCI, pp.26. 1986. Reference [1] Swdlack, B. and Kahovec, J, Synthetic polymeric membrane walter de Grvyter, Berlin, New York, 1987. [2] Hwang, S. T. "Membrane in separation", John and Sons, Inc New York., 1982. [3] West, I. C.. Biochem, Biophys, Acta. Vol. 64, No. 4, pp. 91-126., 198. [4] M. Yoshikawa, S. Shudo, K. Sanui and N. Ogata, Active tansport of organic acid rough poly of Membrane Sci, pp.26, 1986. [5] Meares, P, " Membrane seperation process," Elssvier, New York, 1976. [6] Scott, J. " Membrane and Ultra filtration Technology Recent Advance, " Noyes Data Corp. N. J., 198. [7] Marr, R. and A, Kopp, " Liquid membrane technology a survey of phenomena, mechanism, and model," Inter Chem. Eng, pp.22-44., 1982. [8] Kesting, R. E, " Synthetic polymeric membrane, " John Wiley and Son New York., 1985. 91