세포막의 구조와 물질의 이동 (확산과 삼투)

세포막의 주성분과 구조

세포를 둘러싸고 있는 얇은 막을 일컫는 세포막(Cell membrane)은 세포의 모양을 유지하고 세포 안팎으로 물질의 출입을 조절하는 역할을 합니다. 여기서 우리가 세포막의 주요 기능으로 잘 알아야 하는 것이 세포의 안팎으로 물질의 출입을 조절한다는 것인데, 이 부분은 아래에 자세히 설명하고, 우선 세포막의 주성분과 그 구조에 대해서 이해를 해야 하는데요, 세포막의 주성분은 인지질(phospholipid)과 단백질로 구성되어 있습니다. 인지질은 아래 이미지와 같이 지질(fatty acid, 지방산)에 인산(phosphate)이 결합된 형태를 말합니다.

 

인지질의 구조, 인산에 지방산이 연결된 구조, 이미지 출처: bio.libretexts.org

 

이미지를 보면 머리 부분, 즉 인산 부분은 친수성(hydrophilic)이고 지질(지방산)로 된 부분은 소수성(hydrophobic)인 것을 알 수 있습니다. 이 부분은 극성과 비극성의 차이인데 쉽게 말하면 친수성은 물과 친하다고 생각하면 되고 소수성은 물과 친하지 않다고 생각을 하면 됩니다.

 

세포막은 아래와 같이 인지질 2중층에 막단백질이 파묻혀 있거나 관통되어 있는 구조인데요, 인지질 2중층(phospholipid bilayer)은 친수성인 머리 부분이 물과 접한 바깥쪽을 향하고 소수성인 꼬리 부분이 서로 마주 보며 배열한 형태입니다. 인지질은 유동성이 있기 때문에 인지질이 움직이면서 막단백질의 위치가 변하기도 합니다.

 

세포막의 구조, 인지질 이중층과 막단백질로 구성, 이미지 출처: flexbooks.ck12.org

 

이제 이러한 구조를 가진 세포막이 어떻게 세포 내외부로 물질의 이동을 조절하는지 정리해 보겠습니다.

 

세포막을 통한 물질 이동

세포막은 물질의 종류에 따라 물질을 투과시키는 정도가 다른데 이를 선택적 투과성이라고 합니다. 그리고 세포막을 경계로 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 분자가 움직여 용질이 이동하는 확산(Diffusion)과 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 삼투(Osmosis)로 세포막을 통한 물질 이동을 구분할 수 있습니다.

 

여기서 우리가 한 가지 기억해 두면 좋은 것은 고농도에서 저농도로 용질이 이동하는 확신이든 저농도에서 고농도로 용매가 이동하는 삼투든 농도의 평형을 맞추기 위한 방향이 자연스러운 물질의 이동 방향이라는 점입니다. 아래 이미지를 보면 확산과 삼투의 기본 개념에 대해서 쉽게 이해가 될 것입니다.

 

확산과 삼투, 이미지 출처: sciencefact.net

 

확산 (Diffusion)

인지질 2중층을 통해 단순 확산(Simple diffusion)되는 경우는 크기가 매우 작은 기체 분자나 지용성 물질, 지질 입자 등 극성이 없는 물질들이 인지질 2중층을 직접 통과하여 이동하게 되며 폐포와 모세혈관 사이에서 산소(O2)와 이산화탄소(CO2)가 교환되는 것을 단순 확산의 예로 들 수가 있습니다. 막단백질을 통해서 이동하는 방식인 촉진 확산(Facilitated diffusion)이 되는 경우는 전하를 띤 이온, 크기가 비교적 큰 수용성의 포도당, 아미노산 등이 이동하는 것이 해당되며 혈액 속의 포도당이 조직 세포로 확산되는 것을 촉진 확산의 예로 들 수 있습니다.

 

여기서 알아야 할 것은 단순 확산은 세포막을 경계로 하였을 때 세포 안팎의 농도차가 클수록 이에 비례하여 확산 속도가 빨라지나 막단백질을 통한 촉진 확산의 경우에 세포 안팎의 농도차에 비례하여 확산 속도가 빨라지지만 일정 수준 이상이 되면 더 이상 빨라지지 않는다는 점입니다. 이 수준이 되면 거의 모든 막단백질이 물질을 이동시키고 있기 때문에 한정된 단백질 수로 인해 더 이상 속도가 빨라지지 않는 것으로 이해를 하면 됩니다.

 

단순확산과 촉진확산에서 물질의 이동 속도

 

확산은 물에서 잉크가 퍼져나가거나 냄새가 퍼져나가듯이 물질이 농도차에 의해서 스스로 이동하는 것이기 때문에 기본적으로 에너지가 소모되지 않습니다. 따라서 기본적으로 수동 수송(passive transport)인 단순 확산과 촉진 확산 모두 에너지 소모가 없는데요, 다만 막단백질을 통해 이온이나 포도당, 아미노산이 농도차를 따르지 않고 이동하게 되는 경우에 에너지 소모를 동반하기도 합니다. 이를 능동 수송(active transport)이라고 합니다.

 

삼투 (Osmosis)

삼투는 용질이 아니라 농도차에 의해 물이 이동하는 현상으로, 저농도인 콩팥 세뇨관에서 고농도인 모세혈관으로 물이 재흡수되는 경우, 식물의 뿌리털이 토양에서 물을 흡수하는 것이나 배추를 소금물에 절이면 배추의 숨이 죽는 것 등을 예로 들 수 있습니다. 삼투에 의한 세포막에서 물질 이동에 대한 설명은 등장액, 저장액, 고장액의 이해에 관한 아래 링크를 참조하면 됩니다.

 

2023.07.26 - [과학] - 등장액, 저장액, 고장액의 이해

등장액, 저장액, 고장액의 이해

 

삼투는 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물이 이동하는 현상인데, 이 이동은 양방향이며 어느 방향이 주방향이 되는지를 기억하면 되겠습니다. 삼투로 인한 이동은 한쪽 방향으로만 일어나는 점이 아니라는 것을 유의해야 합니다. 그리고, 삼투 역시 농도를 맞추는 평형을 맞추기 위해 일어나는 현상으로 에너지를 소모하는 현상이 아닙니다.