물질이 세포막을 통과하는 방법에는 '확산(Diffusion)', '삼투(Osmosis)', '능동 수송(Active Transport)'의 3가지 방법이 있다.
0. 목차
- 확산(Diffusion)
- 삼투(Osmosis)
- 능동 수송(Active Transport)
1. 확산
'확산(Diffusion)'이란 양쪽의 농도가 같아질 때까지 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 이동하는 이동 방식이다. 확산은 분자 운동에 의해 일어나는 것이므로 당연히 APT가 소모되지 않는다. 세포막에서의 확산은 '단순 확산(Simple Diffusion)'과 '촉진 확산(Facilitated Diffusion)' 두 가지 방법으로 나눌 수 있다.
- 단순 확산(Simple Diffusion): '단순 확산'은 농도에 기울기에 따라 인지질 2중층을 직접 통과하는 이동 방식이다. 폐포와 모세혈관 사이에서 일어나 산소와 이산화탄소의 기체 교환이 '단순 확산'의 대표적인 예이다. 일반적으로 크기가 작을수록 온도가 높을수록 농도 차가 클수록 확산 속도가 빠르다.
- 촉진 확산(Facilitated Diffusion): '촉진 확산'은 세포막의 수송 단백질을 통해 이동하는 물질 이동이다. '수송 단백질'에는 다시 '통로 단백질'과 '운반체 단백질'이 있다. 통로 단백질은 특정 물질이 인지질 2중층을 통과할 수 있도록 통로 역할을 하는 것이고 운반체 단백질은 특정 물질이 결합 부위에 결합한 후 단백질의 구조 변화를 통해 특정 물질을 운반하는 역할을 한다. '촉진 확산'은 수송 단백질에 의해 이동하는 것이므로 농도 차가 일정 이상 되면 수송 단백질이 포화되므로 '촉진 확산'의 속도는 더 이상 증가하지 않는다.
2. 삼투
'삼투(Osmosis)'란 반투과성 막을 두고 용매인 물의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물이 확산되는 이동 방식이다. 삼투가 일어날 때 '반투과성 막'이 압력을 받게 되는데 이를 '삼투압'이라고 부르고, 이 삼투압은 농도 차가 클수록 온도가 높을수록 커진다. 생물의 세포를 감싸는 세포막은 물은 어느 정도 통과시키지만, 물에 녹아 있는 물질은 거의 통과시키지 않는 특수한 구조를 한 것이 많다. 이처럼 물만 통과시키기 쉬운 막을 가리켜 '반투막(반투과성막)'이라고 한다.
'세포벽(Cell Wall)'은 동물 세포에는 없고 식물 세포에만 존재하는데 이 때문에 삼투에 의해 일어나는 현상이 달라지는 현상이 나타난다. 동물 세포의 경우 삼투에 의해 세포의 부피가 과도하게 증가해 세포막이 터지는 '용혈 현상(Hemolysis)'이 일어나거나 세포에서 물의 양이 빠져나가 세포가 쭈그러들 수 있다. 하지만 식물 세포의 경우 세포벽이 존재해 세포막이 부피가 커지는 데 한계가 있어 최대 부피가 되면 '팽윤(Swelling)' 상태가 된다. 반대로 세포막의 부피가 줄어들면 세포막과 세포벽이 분리되는 '원형질 분리(Plasmolysis)'가 일어난다.
3. 능동 수송
'능동 수송(Active Transport)'이란 특정 물질의 농도를 세포 안과 밖에서 서로 다르게 유지하기 위해 ATP를 사용하여 물질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물질이 이동하는 방식이다. 운반체 단백질에 의해 일어나는 현상이기 때문에 선택적 투과성이 있다. '나트륨-칼륨 펌프(Na⁺/K⁺ ATPase), 세뇨관에서의 포도당 재흡수, 해조류의 '아이오딘(I)' 흡수, 소장에서 일어나는 일부 양분 흡수, 뿌리털의 무기염류 흡수 등이 모두 능동 수송의 예다.
3-1. 나트륨-칼륨 펌프
'나트륨-칼륨 펌프'에 대해 잠시 살펴보자. Na⁺결합 부위는 세포질 쪽으로 열리고 K⁺ 결합 부위는 닫혀있다. 이때 Na⁺이 운반체 단백질의 Na⁺ 결합 부위에 결합하고 운반체 단백질은 ATP에 의해 인산화된다. 그러면 운반체 단백질이 변형되면서 Na⁺가 세포 밖으로 방출되고 K⁺ 결합 부위가 열린다. K⁺이 운반체 단백질에 결합되고 인산기는 운반체 단백질과 분리된다. 마지막으로 K⁺이 세포질로 방출되고 Na+결합 부위가 다시 열려서 원래 상태로 되는 것이다. 이 과정이 지속적으로 반복되어서 세포 안의 Na⁺ 농도는 낮아지고 K⁺농도는 높아지는 것이다.
3-2. 세포 내 섭취, 세포 외 배출
'세포 내 섭취(Endocytosis)'는 세포막을 통과할 수 없는 큰 물질은 세포막으로 소낭을 만들어 세포 안으로 끌어들이는 과정이다. '세포 내 섭취(Endocytosis)'에는 '식세포 작용(Phagocytosis)'과 '음세포 작용(Pinocytosis)'이 있다. '고형 입자를 잡아들여 세포내 섭취하는 것'을 '식세포 작용(Phagocytosis)'이라고 하고, '용액에 있는 분자를 세포 내 섭취하는 것'을 '음세포 작용(Pinocytosis)'이라고 한다. 백혈구가 세균이나 감염된 세포를 제거하는 '식균 작용'도 세포내 섭취로 이루어진다.
반대로 '세포 외 배출(Exocytosis)'은 세포 안에서 생성된 효소나 호르몬, 노폐물 등을 분비 소낭을 통해 세포 밖으로 내보내는 과정이다. 세포외 배출이 일어날 때에는 에너지가 소모된다.
