10. 세포막(2)

10. 세포막(2)

세포에 있는 막의 여러 기능 중 세포의 내부 조성을 조절하는 것은 중요한 기능 중 하나이다. 생체막은 선택적으로 물질을 투과하며, 이를 통해 막은 세포와 세포소기관으로 물질이 출입하는 것을 조절한다. 물질은 보통 두 가지 과정으로 막을 통과한다. 하나는 수동수송으로 이 과정을 통해 외부에너지의 투입이 필요하지 않지만, 다른 하나는 능동수송으로 화학에너지에 의해서 진행된다. 수동 수송에 필요한 것은 특정한 에너지가 아닌 농도 기울기에 따라서 결정된다. 이는 인지질 2 중층에 의한 단순확산 또는 통로, 운반체 단백질을 통한 촉진확산으로 구분된다. 확산은 평형상태를 향한 무작위적 이동과정이다. 개별 입자의 운동은 확실히 무작위이지만, 입자의 순 운동은 평형에 도달할 때까지 방향성이 있다고 볼 수 있다. 따라서 확산은 높은 농도 부위에서 낮은 농도 부위로 이동한다. 많은 종류의 용질이 녹아 있는 용액에서 개별 용질의 확산은 다른 용질과 독립적이다. 이러한 물질의 확산 속도는 분자나 이온의 크기, 질량과 용매의 온도, 용액의 밀도, 마지막으로 계의 농도 기울기에 따라서 결정된다. 작은 분자일수록, 용매의 온도가 높거나 용액의 밀도가 적거나, 농도 기울기가 클수록 물질은 더 빠르게 확산한다. 세포 안과 같이 작은 부피에서는 용질은 빠르게 확산한다. 하지만 거리가 증가할수록 확산의 속도는 급격하게 감소한다. 확산의 한 종류인 단순확산은 인지질 2 중층에서 일어난다. 작은 분자는 막의 인지질 2 중층을 통과하며 지질에 녹는 소수성 분자는 쉽게 막에 들어간다. 반면에 전하를 띠거나 극성인 분자는 소수성 내부에서 잘 녹지 않으며, 세포 안팎의 수용성 환경에서 물, 이온들과 수소결합을 형성하기 때문에 막을 쉽게 통과하지 못한다. 이러한 수소결합을 통해서 물질이 막의 내부로 출입하는 것을 막을 수 있다. 물은 삼투라는 현상을 통해 막을 통과한다. 이 현상도 수동수송의 한 종류이며 어떠한 대사 에너지도 사용하지 않고 물 분자의 상대적 농도에 의존한다. 막이 물을 통과시키지만 용질은 통과시키지 않을 경우에 물은 막을 통과하여 용질 농도가 더 높은 곳으로 확산한다. 삼투의 이동 방향은 주변 환경의 용질 농도를 통해 결정된다. 적혈구는 세포 안이 아닌 저장성 용액으로부터 물을 흡수한다. 물이 유입되어 팽창할 때 발생하는 압력을 세포막은 견디지 못해 세포는 터지게 된다. 반대로 세포를 둘러싼 용액이 세포 안보다 고장성인 경우, 세포 안에서 밖으로 물이 이동하여 세포는 쪼그라들게 된다. 따라서 적혈구를 일정하게 유지하기 위해서는 일정한 혈장 용질 농도를 일정하게 유지해야 한다. 따라서 혈장은 혈액세포와 등장성이어야 한다. 동물세포와 달리 식물, 고균, 세균, 균류의 경우 세포벽이 있기 때문에 세포막 외부에서 부피를 제한하여 터지지 않도록 한다. 세포가 물을 흡수할 때 세포벽에 작용하는 내부 압력을 축적에 추가적인 물의 유입을 막는다. 이때 세포 안의 압력을 팽압이라고 한다. 팽압을 통해 식물은 똑바로 서며 식물세포가 커지도록 한다.

앞서 언급했듯. 전하를 띠거나 극성인 분자는 막을 쉽게 확산하지 못하는데 이때, 통로 단백질과 운반체단백질을 통해서 막을 통과할 수 있다. 통로 단백질은 특정 물질이 통과할 수 있도록 막을 가로지르는 통로를 형성하는 내재성 막단백질이다. 일반적으로 사용되는 통로가 아닌 막단백질에 둘러싸여 있는 터널 모양이다. 운반체단백질은 물질과 결합하여 인지질 2 중층을 통과하는 물질의 확산 속도를 높인다. 이를 통해 확산의 종류는 촉진확산이다. 이러한 확산은 비록 단백질을 통해 일어나지만, 어떠한 에너지의 투입도 필요로 하지 않는 점에서 수동수송의 종류 중 하나이다. 가장 잘 알려진 통로 단백질은 이온통로이다. 막을 가로지르는 이온의 이동은 미토콘드리아 안에서 일어나는 호흡에서, 신경계의 전기적 활성, 잎의 기공 개폐까지 많은 생명 활동에 필요하며 이러한 이온통로는 특정 이온에 특이적인 성질을 가졌다. 모든 통로는 특정 이온이 통과하도록 친수성 구멍을 가진 동일한 기본 구조를 가진다. 대부분의 이온통로는 문을 가지고 있어 이온의 통과를 허락하거나 차단한다. 이런 개폐성 통로는 어떤 자극을 통해 통로의 3차원 모양을 바꿀 때 열린다. 일부 이 자극은 화학신호나 리간드의 결합인 경우가 있다. 이런 방식으로 조절되는 통로를 리간드개폐성통로라고 부른다. 다른 종류에는 기계적으로 개폐되는데, 귀에서 음파와 같이 물리적인 자극을 통해서 열린다. 물은 아쿠아포린이라는 통로 단백질을 통해 막을 통과한다. 이 통로는 물의 이동을 위한 것이며 물만 통과시키는 역할을 한다. 또 다른 단백질인 운반체단백질은 막단백질에 결합하는 것과 관련이 있다. 운반체단백질은 당과 아미노산과 같은 극성분자를 수송한다. 극성 분자인 포도당은 쉽게 세포막을 통과하지 못하지만 수송체 단백질의 한쪽 면에 있는 특이적 3차원 장소에 포도당이 결합하면, 단백질은 모양을 변화시켜 막의 반대쪽으로 포도당을 방출한다. 따라서 포도당은 세포 안으로 들어가게 되고, 바로 분해되거나 제거되어 포도당이 계속 유입되도록 하는 강한 농도 기울기가 존재한다. 운반체 단백질에 의한 수송은 단순확산과 다르다. 단순확산에서 이동속도는 막 사이의 농도 기울기에 달린 반면에, 운반체 매개 수송에서는 농도 기울기에 따라 확산 속도가 증가하다가 어떤 지점에서부터 속도가 일정해진다. 이 지점에서 촉진확산계가 포화하였다고 말하며 이는 운반체단백질의 수가 한정되어 있기 때문이다. 이렇게 확산은 세포 안팎의 물질 농도를 같게 한다. 하지만 세포의 특징 중 하나는 환경과 상당히 다른 내부 조성을 가질 수 있다는 것이다. 이를 위해 세포는 물질을 농도 기울기에 거슬러 이동시키며 이 과정에서 에너지의 투입이 필요하며 이 과정을 능동수송이라고 한다.