일반생물학, 생물학의 기본 - 세포막과 수송 방법

1. 세포막의 구조

(1) 인지질 이중층과 콜레스테롤

 

생체막은 단백질과 지질로 구성된 이중층이다. 인지질은 비극성 꼬리와 친수성 머리 부분을 갖고 있다. 인지질의 머리 부분은 인산기를 갖고 있다. 인산기의 극성으로 인해 물 분자와 결합 할 수 있다. 반면 인지질의 긴 비극성 꼬리는 물에 녹지 않으며 친수성 물질과 결합하지 않는다. 이러한 특성 때문에 물과 함께 있으면 인지질은 두 층의 이중층을 형성하게 된다. 인지질 이중층 꼬리 부분의 불포화 지방산은 지방산이 덜 촘촘하고 좀 더 유동적으로 채워지도록 한다. 세포막에는 인지질 이중층 외에도 다른 물질들이 존재한다. 대표적으로 콜레스테롤은 세포막에서 지질 함량의 최대 25%를 차지한다. 콜레스테롤은 포화 지방산과 결합하여 막의 유동성에 관여하게 된다. 온도가 높을 경우 콜레스테롤은 인지질의 지방산 꼬리와 소수성 상호작용을 통해 막의 유동성을 낮춰주고 온도가 낮을 경우 지방산 사이의 틈을 발생시켜 유동성을 낮춰준다. 

 

(2) 유동 모자이크 모형

생체막의 일반적인 분자구조는 연속된 인지질 이중층에 단백질이 결합되어 있거나 박혀있는 모습을 갖는다. 흔히 인지질 이중층의 바다에서 단백질이 떠돌아다니는 모습을 상상하면 이해하기 어렵지 않을 것이다. 단백질은 비대칭적으로 분포한다. 단백질은 인지질 이중층 막을 관통하는 막 관통 단백질, 막에 박혀있는 내재성 단백질 그리고 막의 외부에 존재하는 외재성 단백질로 구성되어진다. 세포막의 소수성 부분을 통과하거나 그 속에 존재하기 위해서 막 관통 단백질과 내재성 단백질은 주로 소수성 성격이 강한 아미노산들로 구성된다. 반면 물과 접하게 되는 외재성 단백질의 경우 친수성 아미노산들로 구성되며 극성 또는 전하를 띤 부위를 갖는다. 

세포막의 당지질, 당단백질은 세포막의 바깥쪽 면에 위치하며 세포의 인식과 부착을 돕는다. 우리에게 감기를 일으키는 인플루엔자 바이러스를 예로 들어보자. 인플루엔자 바이러스의 헤마글루티닌(hemagglitinin)은 세포의 시알산(sialic acid)과 결합하여 세포 내부로 유입되고 뉴라미니다아제(neuraminidase)를 통해 시알산을 분해하며 세포 외부로 방출되면서 생활사를 이어간다. 바이러스 세포의 부착, 방출 단계에 관여하는 당을 이용하면 일종의 항바이러스제로 이용 할 수 있다. 우리가 일반적으로 알고있는 타미플루가 그 예다. 타미플루는 시알산 유사체로 바이러스가 뉴라미니다아제를 이용해 시알산을 분해하여 방출하는 과정을 억제하여 독감 치료제로 사용된다.

 

2. 세포연접

밀착연접 : 세포사이 공간을 통해 물질이 이동하는 것을 차단한다. 예를들어, 방광에 존재하는 세포들 간 밀착연접으로 오줌이 세포 내부로 스며들지 않는다. 또한 밀착연접으로 인해 세포 외부와 내부의 단백질 이동이 제한된다. 

데스모좀 : 심장 세포처럼 강한 움직임이 필요한 세포들에서 발견된다. 카드헤린과 케라틴 섬유로 세포를 단단히 묶어 힘을 받는 조직에 물리적 안정성을 제공한다.

간극연접 : 인접한 두 세포 막을 연결하는 통로이다. 이 통로를 통해 이온과 같은 전류를 빠르게 확산시켜 심장 근육 세포가 수축 할 수 있게 한다. 

3. 수송 방법

물질은 근본적으로 두 가지 과정으로 생체막을 통과한다.

(1) 수동수송

수동수송은 일반적으로 용질의 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 이동하는 방식이다. 농도 기울기를 통한 이동 방식으로 ATP와 같은 에너지가 이용되지 않는다. 대표적인 예로 아래와 같은 이동 방식이 있다.

 

삼투 : 반투과성 막의 양쪽 면에 있는 물 분자의 상대적 농도에 의존하는 물의 이동 방식이다. 자유로운 물 분자가 많은 곳(농도가 낮은 곳)에서 자유로운 물 분자가 적은 곳(농도가 높은 곳)으로 이동하는 방식이다. 물이 이동하는 과정에서 에너지 소모는 없다. 

촉진확산 : 크기가 작은 분자, 소수성인 분자들은 통로 단백질이 없어도 쉽게 막을 통과 할 수 있다. 그러나 상대적으로 크기가 큰 분자 또는 극성을 갖는 이온들은 단백질의 도움 없이는 비극성인 인지질 이중층 꼬리를 통과하여 세포 내부로 유입될 수 없다. 막 관통 단백질인 통로 단백질(channel protein)과 운반체 단백질(carrier protein)을 통해 이온들은 농도 기울기를 통해 세포 외부에서 내부로 쉽게 유입될 수 있다. 막 관통 단백질과 운반체 단백질은 주로  개폐가 조절된다. 특정 리간드에 의존하는 리간드 의존성 이온채널과 막 전위의 변화를 통해 개폐를 조절하는 전압 의존성 이온 채널이 그 예다. 

(2) 능동수송

능동수송은 농도 기울기를 역행하여 물질을 운반하는 방식이다. 다시 말해 농도가 낮은 곳에서 농도가 높은 곳으로 물질을 이동시킨다. 물질의 농도 기울기를 역행하기 위해서는 에너지가 필요하다. 에너지의 사용 방식에 따라 1차 능동수송과 2차 능동수송으로 나뉘게 된다.

 

1차 능동수송 : 생체의 에너지 화폐인 ATP를 이용한 방법이다. ATP가 가수분해 되어질 때 방출되는 에너지를 이용하여 물질을 농도 기울기에 역행하여 물질을 이동시키는 방법이다. ATP뿐만 아니라 빛 에너지, 산화-환원 에너지를 이용하여 물질을 운반하기도 한다. 

2차 능동수송 : 1차 능동 수송을 통해 농도 기울기가 형성된다. 농도 기울기는 일종의 위치 에너지이다. 다시 말해 위치 에너지를 이용하여 다른 물질을 농도 기울기를 역행하여 저농도에서 고농도 방향으로 물질을 이동시키는 방식이다. 대표적인 예로는 우리 몸의 소장에서 포도당을 흡수하는 방식이 있다. 소화 과정 중 포도당을 세포 외부의 높은 나트륨 이온 농도 기울기를 이용하여 포도당을 세포 내부로 유입시킨다.