이번에는 세포막을 가로지르는 물질의 이동(수동 수송, 능동 수송, 소포를 통한 전달)을 살펴보면서 지난번보다 세포를 조금 더 자세히 살펴보겠습니다.
세포막을 통한 물질의 이동
세포막은 내부 및 외부 항상성을 유지하고 세포 생존을 위해 물질을 끊임없이 이동시킵니다.
인지질 사이에 끼인 단백질은 물질 전달 경로, 반응 촉매 효소 및 운반체 역할을 합니다.
세포막에는 인지질층을 통과하지 못한 7Å 이하의 수용성 물질의 통로 역할을 하는 7Å의 기공이 있습니다.
막을 통한 이온의 이동은 대략 두 가지 방법으로 분류할 수 있다.
하나는 특정 수송 단백질의 작용에 의한 운반체 매개 수송이고 다른 하나는 운반체가 필요하지 않은 물질의 이동이다.
수송체에 의한 수송에는 촉진확산과 능동수송이 있다.
운반 단백질을 사용하지 않는 운송에는 이온, 지용성 분자 및 물의 이동이 포함됩니다.
물질의 이동에 에너지가 필요한지 여부에 따라 능동수송과 수동수송으로 나눌 수 있다.
수동수송은 에너지가 필요하지 않고 단순확산, 촉진확산, 삼투, 여과 등이 있으며, 능동수송은 전기화학적 농도구배에 대항하여 일어나며 에너지를 필요로 하는 물질과 단백질 운반체의 이동을 말한다.
(1) 수동 운송
수동 수송은 세포막에서 에너지 소모 없이 전기적, 화학적 현상에 의해 세포 안팎으로 물질이 이동하는 것입니다.
수동 수송에는 확산, 삼투 및 여과가 포함됩니다.
확산은 용액 또는 기체 형태의 분자가 고농도 영역에서 저농도 영역으로 이동하는 것입니다.
확산 속도는 막을 가로지르는 농도 구배의 기울기, 막에 대한 확산 물질의 투과성, 용액의 온도 및 막의 표면적에 따라 달라집니다.
막을 가로지르는 농도 구배의 차이가 클수록 구동력이 커지고 확산이 더 많이 발생합니다(그림 1-13). 산소, 이산화탄소, 에탄올과 같은 지용성 물질이 움직이기 위해서는 인지질층을 통과해야 합니다.
스테로이드 호르몬도 확산되기 쉽습니다.
그리고 멤브레인의 표면적이 클수록 확산 속도가 빨라집니다.
확산의 대표적인 예로는 폐포(alveoli)와 폐포 주변의 모세혈관 사이의 가스 교환, 세포막에서 포도당(glucose), 젖산, 전해질의 이동 등이 있다.
반면에 Na+, K+와 같은 하전 이온은 확산에 의해 세포막의 인지질층을 통과하기 어렵기 때문에 이러한 이온이나 극성 물질은 세포막의 채널을 통해 이동합니다.
그러나 극성 물질의 침투율은 이온이나 물이 통과하는 세포막 성분의 비율이 적기 때문에 낮다.
Easy Diffusion Facilitated Diffusion Faster Diffusion Facilitated 확산에는 캐리어를 사용하는 방법과 이온 채널을 사용하는 방법이 있습니다.
단순확산과 마찬가지로 전기화학적 농도구배를 따라 일어나는 수송과정으로 에너지 소모가 필요하지 않다.
그러나 세포막 수송체의 사용은 단순 확산 매개체와 다릅니다.
다른 분자는 특정 유형의 분자만 통과할 수 있는 막에 내장된 특수 캐리어 분자를 사용하여 이동하며 이러한 분자의 통과는 유사한 모양이나 전하를 가진 분자보다 더 쉽게 발생합니다.
촉진 확산의 전형적인 예는 혈액에서 골격근으로 포도당을 운반하는 운반체인 GLUT4에 의한 운반입니다.
보통은 대부분 세포에 존재하지만 운동이나 인슐린에 의해 자극을 받으면 세포막에 결합한다.
따라서 포도당은 운동 중이나 인슐린 분비 중에 골격근으로 들어갈 수 있습니다.
인슐린이 작용하면 촉진 확산 속도가 약 100배 증가합니다.
이온 채널을 통한 촉진 확산은 이온 채널 또는 기공을 사용합니다.
전해질 이온 채널에는 Na+, K⁺, Cl, Ca++ 등의 무기 이온이 사용되며, 물 채널에는 물 성분이 통과한다.
워터포어 또는 아쿠아포린이라고 합니다.
이온 채널의 특성은 전부 아니면 전무(all-or-nothing) 원리에 따라 서로 다른 자극에 의해 열리고 닫히는 것입니다.
삼투는 일종의 확산으로 볼 수 있습니다.
확산이 용질의 이동이라면 삼투는 용매의 이동입니다.
물질 분자의 농도가 낮으면 물의 농도가 높고 물질 분자의 농도가 높으면 물의 농도가 낮습니다.
세포를 저장성 용액에 넣으면 물이 세포 안으로 들어가고, 세포를 고장성 용액에 넣으면 물이 세포 밖으로 흘러나온다.
등의 체내 정상 세포와 동일한 삼투압을 갖는 용액 B. 적혈구는 등장액이라고 합니다.
병원에서 주사하는 식염수(0.9% NaCl) 또는 렌즈 세척용 식염수는 등장액입니다.
멤브레인을 중심으로 내막과 외막 사이에 압력차가 있을 때 액체가 고압 위치에서 저압 위치로 멤브레인을 통해 이동하는 순 물리적 현상을 여과라고 합니다.
신장의 사구체 또는 모세혈관에서 동맥 모세혈관이 저압 조직인 정맥 모세혈관으로 이동하는 것은 여과 현상입니다.
사구체는 항상성 유지에 중요한 여과 역할을 하는 신장 피질에 위치한 모세혈관으로 이루어진 작은 구형 기관입니다.
(2) 능동수송
능동 수송은 저농도에서 고농도까지 농도 기울기에 대한 분자 및 이온의 수송입니다.
즉, 세포막 내부와 외부의 압력차, 농도차, 전기적차이 등 물리적인 힘에 대항하여 물질을 이동시키는 방법이다.
따라서 수송체와 에너지(ATP)를 소비해야 합니다.
확산이 용이한 담체를 사용하나 차이점은 물질이 고농도 영역에서 저농도 영역으로 농도 구배에 의해 이동하고 에너지가 소비되지 않는다는 것입니다.
능동 수송체는 펌프라고도 불리며, 그 중에서 Na+/K+ 펌프가 가장 활동적이고 일반적입니다.
우리 몸의 세포에는 많은 Na+/K+ 펌프가 있습니다.
적혈구는 세포당 200개, 백혈구는 세포당 35,000개, 세뇨관은 세포당 수백만 개의 펌프가 있습니다.
세포막으로 인해 K+ 이온은 내부에 많이 분포되어 있고 Na+ 이온은 세포 외부에 집중되어 있습니다.
Na+와 K+를 이동시키는 운반체 단백질을 Na-KATPase라고 하는데, 이것은 에너지를 사용하여 2개의 K+ 이온을 세포로 운반하고 3개의 Na+ 이온을 내보냅니다.
(3) 소포 배송
소포 수송에는 용질과 물을 세포 안으로 운반하는 세포내이입(endocytosis)과 세포에서 용질과 물을 방출하는 세포외이동(exocytosis)의 두 가지 유형이 있습니다.
음세포작용은 작은 분자와 물을 세포 내로 비특이적으로 흡수하는 방법으로, 수불용성 입자를 받아들이는 입자형 음세포작용이다.
식균 작용은 큰 입자인 박테리아나 세포 파편을 식균하여 수용성 물질을 섭취하는 과정입니다.
대표적인 것이 면역세포인 호중구와 대식세포에 의한 식균작용이다.
골지 과립의 분비 세포와 마찬가지로 세포에서 물질이 방출되고 수축성 미세 필라멘트가 관여합니다.
수축성 미세섬유는 액포와 막에 부착되어 서로를 끌어당깁니다.
2개의 고정막의 접촉면이 열리고 액포의 막의 내면이 외부가 되어 내용물이 배출된다.