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<칼럼> 남형근 교수의 생명 이야기

입력 2015.09.14 14:54
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세포 - 막을 통한 수송

남형근 교수

기본단위 분자는 세포 안으로 들어가기 위해서 세포막을 통과해야 하며 그 곳에서 세포 구성 성분을 합성하거나, 세포를 위한 에너지를 제공하기 위한 물질 대사를 하기 위해 이용된다. 막의 화학적 반응은, 어떤 물질의 수송을 촉진 하거나, 다른 물질이 통과되는 것을 억제하는 방식으로 적용된다.
세포를 둘러싸는 세포막은 인지질이중층으로 구성돼 있으며, 그 내부는 물을 싫어하는 소수성이므로 소수성 물질은 막에 용해돼 친수성 물질보다 더 쉽게 막을 통과하는 것이 가능하다. 이런 이유에서 세포막은 어떤 분자의 통과는 쉽게 허용하고, 다른 것의 통과를 막는 차등적 투과성을 가진다.
막을 통과할 수 있는 물질은 막 양쪽의 농도가 같아질 때까지 이동한다. 이산화탄소, 물 및 산소는 막을 자유롭게 통과한다. 큰 분자, 전하를 가지는 분자 및 이온은 자신만으로는 막을 통과하기가 어렵기 때문에, 만약 막을 통해 이동해야할 필요성이 있다면 막에 박혀있는 단백질을 통해 이동해야 한다. 막의 단백질은 이러한 분자나 전하들이 있는 바깥 부분과 막 안쪽 부분의 농도가 같아지게 해 이동하도록 하는 채널의 역할을 할 수 있기 때문이다. 또한 막의 단백질은 막의 한쪽이 다른 쪽 보다 물질을 더 많이 요구하게 되면 화학적 평형점을 지나고서라도 막을 통해 물질이 이동할 수 있게 한다.
수동수송
모든 분자는 당구 시합 동안의 당구공처럼 진동하고 서로 부딪혀 튀기도 하고, 주위로 퍼지도록 하는 에너지를 가지고 있다. 실제로 분자는 가능한 모든 면적으로 퍼질 때까지 서로 부딪혀 튄다. 이러한 성질과 더불어, 분자는 고농도로 밀집된 부분에서 농도가 낮아지도록 넓은 면적으로 퍼지도록 이동하게 된다. 분자가 고농도로 있는 곳에서 저농도로 있는 곳으로 이동하는 것을 확산(diffusion) 이라 부른다. 확산하는 동안 분자의 순이동은 농도구배를 따른다. 이 이동은 외부 에너지의 투입을 요구하지 않는 자연발생적인 것이라 할 수 있겠다. 확산은 농도구배가 없고, 분자의 순이동이 없는 평형상태까지 계속 된다.
확산은 생물에서도 일어난다. 물질이 세포막을 통해 확산되면 이 이동을 ‘수동수송’ 이라고 부른다. 수동수송은 에너지 투입을 요구하지 않으므로 수동적이기에 이렇게 불려진다. 세포막을 구성하는 인지질이중층의 구조는 많은 물질이 막을 통해 확산되지 못하게 한다. 단지 작은 소수성 물질만이 확산에 의해서 막을 통과하는 것이 가능하다. 실제로 이러한 분자들은 막에서 용해되고 막의 한편에서 다른편으로 미끄러진다.
이온처럼 친수성이며 전하를 띄는 분자는 물을 싫어하는 소수성 막의 핵심을 단순히 확산에 의해서만 통과할 수는 없다. 예를 들어, 전하를 가지는 아미노산이 풍부한 닭고기와, 친수성 탄수화물과 칼슘 같은 이온이 들어간 풍부한 녹색 채소로 만든 닭고기 샐러드 요리를 사람이 먹으면, 이들 아미노산과 당 및 이온은 자신만으로는 세포 안으로 들어갈 수 없다. 대신 이 분자들은 지질이중층에 박혀있는 단백질에 의해 막을 통과해서 수송된다. 이 형태의 수송은 에너지 투입을 요구하지 않으며, 이러한 수송을 ‘촉진확산’ 이라고 부른다. 촉진확산은 특수한 막단백질이 막을 통한 물질의 수송을 돕거나, 이러한 반응을 촉진하기 때문에 그렇게 명명됐다. 세포막을 통해 물질을 이동하기 위해 막단백질이 사용되지만, 이 형태의 수송은 물질이 고농도에서 저농도로 이동하기 때문에 역시 확산의 한 형태로 간주된다.
막을 통한 물의 이동은 ‘삼투’라 부르는 수동 수송의 한 형태이다. 다른 물질처럼 물 역시 고농도에서 저농도로 이동한다. 물은 아쿠아포린 이라 부르는 막단백질을 통해 세포 내부로 이동하는 것이 가능하지만 이 단백질이 없이도 막을 통과할 수는 있다. 동물세포가 소금물 용액에 놓이게 되면 물은 세포를 떠나서 오그라드는데, 이는 세포막 외부와 내부의 물 농도의 균형을 유지하기 위해서 물이 세포를 떠나기 때문에 이러한 반응이 일어나게 된다

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