세포내 pH

이 글은 대부분의 독자들이 이해하기에는 너무 기술적인 것일 수도 있다. 기술 세부 정보를 제거하지 않고 비전문가가 이해할 수 있도록 개선하십시오.(2020년 3월) (이 템플릿 메시지를 제거하는 방법 및 시기 학습)

세포내 pH(pHi)는 세포내 액의 산도 또는 기본성(pH)을 측정하는 것이다. pHi는 멤브레인 운송과 다른 세포내 공정에서 중요한 역할을 한다. 부적절한 pHi가 있는 환경에서 생물학적 세포는 기능을 손상시킬 수 있다.^[1][2] 따라서, 적절한 세포 기능, 조절된 세포 성장, 정상적인 세포 과정을 보장하기 위해 pHi를 엄격하게 규제한다.^[3] pHi를 조절하는 메커니즘은 일반적으로 두 가지 주요 유형인 PDPM 전달체로 간주된다. 즉, 종속형 및 중탄산염(HCO⁻
₃) 농도와 무관한 유형이다. 생리학적으로 정상 세포내 pH는 조직 간 변동성이 있지만 7.0에서 7.4 사이에 가장 흔하다(예: 포유류의 골격근은 pHi가 6.8–7.1인 경향이 있음).^[4][5] 또한 약 4.5에서 8.0까지 다양한 오르간ell에 걸쳐 pH 변동이 있다.^[6][7] pHi는 다양한 방법으로 측정할 수 있다.^[3][8]

동점선

세포내 pH는 HCO의₃⁻ 낮은 농도로 인해 일반적으로 세포외 pH보다 낮다.^[9] 45mmHg 이상의 세포외(예: 세럼) 이산화탄소(pCO₂) 부분압력이 상승하면 탄산이 형성되어 pHi가 분리되면서 pHi가 감소한다.^[10]

H₂O + CO₂ ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃^–

생물세포는 완충제 역할을 할 수 있는 액체를 포함하고 있기 때문에 pHi는 일정 범위 내에서 상당히 잘 유지될 수 있다.^[11] 세포는 산도나 기초성의 증가에 따라 그들의 pHi를 조절하는데, 보통 세포막에 존재하는₂ CO나 HCO₃^– 센서의 도움을 받는다.^[3] 이 센서들은 H+가 세포막을 통과할 수 있도록 하여 pHi가 세포외 pH와 상호 연관될 수 있게 한다.^[12]

주요 세포 내 완충 시스템에는 단백질이나 인산염과 관련된 것이 포함된다. 단백질은 산성과 기초 부위가 있기 때문에 상대적으로 안정된 세포 내 pH를 유지하기 위해 양성자 기증자나 수용자 역할을 할 수 있다. 인산염 완충제의 경우 세포 내 pH를 보존하기 위해 상당한 양의 약한 산과 결합 약한 베이스(HPO₂₄^– 및 HPO₄^2–)가 양성자를 수용하거나 기증할 수 있다.^[13][14]

OH^– + H₂PO₄^– ⇌ H₂O + HPO₄^2–

H⁺ + HPO₄^2– ⇌ H₂PO₄^–

오르가넬에서

특정 오르가넬 내의 pH는 그것의 특정한 기능에 맞게 조정된다.

예를 들어 리소솜은 pH가 4.5로 상대적으로 낮다.^[6] 또한 형광 현미경 검사 기법은 포구세포도 내부 pH가 상대적으로 낮다는 것을 보여주었다.^[15] 이들은 모두 다른 물질을 집어삼키고 분해하는 분해성 유기체들이기 때문에 의도된 기능을 성공적으로 수행하기 위해서는 높은 내부 산도가 필요하다.^[15]

라이소솜과 파그모세포 내부의 pH가 상대적으로 낮은 것과 대조적으로, 미토콘드리아 매트릭스는 내부 pH가 약 8.0으로 내부 pH가 내부 공간보다 약 0.9 pH가 높다.^[6][16] 산화 인산염은 미토콘드리아 내부에서 발생해야 하므로 이 pH 불일치는 막 전체에 걸쳐 구배를 일으키기 위해 필요하다. 이 막 전위는 궁극적으로 미토콘드리아가 대량의 ATP를 발생시킬 수 있게 하는 것이다.^[17]

측정

세포내 pH(pHi)를 측정할 수 있는 방법에는 마이크로 전극, pH에 민감한 염료 또는 핵 자기 공명 기법이 포함된다.^[18][19] 오르가넬 내부 pH 측정을 위해 pH에 민감한 녹색 형광 단백질(GFP)을 활용하는 기술을 사용할 수 있다.^[20]

전체적으로 세 가지 방법 모두 나름대로 장단점이 있다. 염료를 사용하는 것이 아마도 가장 쉽고 꽤 정밀할 수 있는 반면, NMR은 상대적으로 덜 정밀해야 하는 과제를 제시한다.^[18] 더욱이 세포가 너무 작거나 세포막의 온전성이 방해받지 않고 남아 있어야 하는 상황에서는 마이크로 전극을 사용하는 것이 어려울 수 있다.^[19] GFP는 서로 다른 기관 내부에서 pH를 결정하는 비침습적인 방법을 제공한다는 점에서 독특하지만, 이 방법은 pH를 결정하는 가장 정량적으로 정확한 방법은 아니다.^[21]

마이크로 일렉트로드

pHi 측정을 위한 마이크로 전극법은 셀의 플라스마 막에 매우 작은 구멍을 만들어 셀의 세포솔에 매우 작은 전극을 넣는 방식이다.^[19] 마이크로 전극은 전극의 외부와 비교하여 내부에 H+ 농도가 높은 유체를 가지고 있기 때문에 전극의 내부와 외부의 pH 불일치로 인해 발생 가능성이 있다.^[18][19] 이 전압 차이와 전극 내부의 유체에 대한 사전 결정된 pH로부터 관심 세포의 세포내 pH(pHi)를 결정할 수 있다.^[19]

형광 분광학

세포내 pH(pHi)를 측정하는 또 다른 방법은 pH에 민감한 염료를 사용하는 것이며, 다양한 pH 값에서 형광을 다르게 하는 것이다.^[15][22] 형광 분광법을 사용하는 이 기법은 세포의 세포질에 이 특별한 염료를 첨가하는 것으로 구성된다.^[18][19] 빛으로부터 나오는 에너지로 세포의 염료를 흥분시키고, 광자에 의해 방출되는 빛의 파장을 본래의 에너지 상태로 돌아오면서 측정함으로써, 존재하는 염료의 종류를 결정하고, 그것을 주어진 세포 내 pH와 연관시킬 수 있다.^[18][19]

핵자기공명

pH에 민감한 전극과 염료를 사용하여 pHi를 측정하는 것 외에도 핵자기공명(NMR) 분광법을 사용하여 pHi를 정량화할 수 있다.^[19] 일반적으로 NMR은 셀을 강력한 자기장이 있는 환경에 배치함으로써 셀의 내부에 대한 정보를 공개한다.^[18][19] 주어진 세포 내 인산염 화합물의 형태인 디프로토톤화 된 양성의 농도와 비교하여 양성자 농도 사이의 비율을 기초로 세포의 내부 pH를 결정할 수 있다.^[18] 또한, NMR은 또한 pHi에 대한 정보를 제공할 수 있는 세포내 나트륨의 존재를 밝히는데 사용될 수 있다.^[23]

NMR 분광법을 사용하여 림프구는 7.17±0.06의 일정한 내부 pH를 유지하지만, 모든 세포와 마찬가지로 세포내 pH가 세포외 pH와 같은 방향으로 변화한다는 것이 결정되었다.^[24]

pH에 민감한 GFP

오르가넬 내부의 pH를 결정하기 위해 pH 민감 GFP는 비침습적이고 효과적인 기법의 일부로 종종 사용된다.^[20] 적절한 프라이머와 함께 cDNA를 템플릿으로 사용함으로써 GFP 유전자를 시토솔로 표현할 수 있으며, 생성되는 단백질은 미토콘드리아, 골지 기구, 세포질, 소포체 망막 등 세포 내의 특정 부위를 대상으로 할 수 있다.^[21] 세포내 환경에서 pH에 매우 민감한 특정 GFP 돌연변이를 이 실험에 사용할 경우, 그에 따른 형광의 상대적인 양은 대략적인 주변 pH를 나타낼 수 있다.^[21][25]

참조