제3장 세포막을 통한 물질이동 및 세포의 액체환경

   제3장 세포막을 통한 물질이동 및 세포의 액체환경
  
  생물체를 구성하는 세포의 생리적 현상은 세포와 세포를 둘러싸는 그 
주위환경, 즉 세포외액과의 생명유지 및 활동에 필요한 물질의 부단한 교환이다. 
이와같은 교환은 원형질막이란 선택적 반투과성의 특수한 막을 통하여 일어나고 
있으며, 또는 전혀 필요치 않을 때도 있다. 그러므로 여기에서는 물질이 막을 
통과할 때 적용되는 물리화학적 또는 생리화학적 원리를 설명코자 한다.
  
  1. 확산(Diffusion)
  세포외액에 용해된 물질 중 어떤 것은 확산에 의하여 원형질막을 통하여 
세포외액으로부터 세포질 속으로 들어간다. 확산과정의 이해를 돕기 위하여 
밀폐된 방 한 쪽 구석에 향수병의 뚜껑을 열고 방치해 두었을 때 일어나는 
현상을 생각해 보자. 만약 공기의 유동이 거의 일어나지 않는다. 해도 결국 
향수병은 빈병이 되고 향수냄새는 점차 온방안에 골고루 퍼질 것이다. 어떤 
향상이 일어난 것일까? 이는 향수에서 수분은 증발되었지만, 향수를 이루는 
분자는 소멸되지 않았다는 증거다. 향수분자는 제일먼저 병속의 공기분자와 
혼합되고 점차 시간이 경과함에 따라 방안의 공기 속으로 골고루 퍼져서 
균일하게 되었다.
  확산은 분자가 방안에서 완전히 균일하게 퍼질 때까지 계속된다. 이상과 같이 
이온이나 분자가 농도가 높은 곳으로부터 농도가 낮은 곳으로 이동되는 것을 
우리들은 확산이라고 부른다. 이같은 운동을 일으키는 원동력은 무엇인가?  
가스나 공기 또는 용액속의 모든 분자들은 일정한 자유로운 운동(constant 
random motion)을 하고 있기 때문인 것으로 생각된다. 이러한 운동은 
직선상에서 이루어지며, 분자들 끼리 서로 부딪칠 때 서로 반대방향으로 반동을 
일으키면서 계속된다. 이같은 형상을 부라운 운동(Brownianmovement)이라 
한다. 만약 한외현미경으로 관찰하면 박테리아와 같은 매우 작은 분자가 물 
속에 부유되어 있으며, 이같은 분자는 계속적으로 진동하거나 움직이고 있음을 
볼 수 있다.
  1827년에 영국의 식물학자 로버트 부라운(Robert brown)이 처음으로 관찰했기 
때문에 그의 이름을 따서 부라운 운동이라 부른다. 이는 물분자와 박테리아 
사이에 계속적인 충돌현상에 의해서 일어나고 있는 것으로 믿고 있었지만, 
이것은 순수한 물리적 현상으로 박테리아가 죽은 후에도 똑같은 운동이 
일어나고 있음을 관찰하였다. 방 속의 향수병인 경우 농도가 높은 곳과 낮은 곳 
사이에 벽(barrier)은 없었다. 그러나 세포와 그 주위 세포외액 사이에서 확산이 
일어날 경우 원형질막이 한계막으로 작용한다. 그러나 분자들이 충분히 통과할 
수 잇는 많은 구멍을 원형질막이 갖고 있으며, 이
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  구멍을 통해서 확산이 일어난다. 그림 3-1에서 보면 그 기전을 확실하게 알 
수 있다.
그림3-1. 삼투현상
  
  2. 삼투현상
  삼투현상은 확산의 특수한 현상이다. 화학자들은 삼투현상이란 반투과성 막을 
통하여 용매가 확산되는 현상이라고 말하고, 원형질 막은 분자들이 통과할 수 
있는 많은 구멍을 가지고 있지만, 어떤 분자들은 통과가 되지 않는 불완전한 
막이라고 했다. 삼투현상은 반투과성 막을 중심으로 농도가 낮은 곳으로부터 
농도가 높은 곳으로의 용매의 이동 현상이다. 세포와 세포주위 사이에서 물질의 
교환은 삼투현상으로 세포기능에 중요한 요인이 된다. 
  그림 3-2는 삼투현상을 보여주는 것으로 유리관 밑에 덮여져 있는 곳은 
셀로판(cellophane)으로 덮여져 있어 반투과성 막으로 작용하며, 물분자는 잘 
통과시키지만 용매는 통과가 잘 안된다. 관의 밑에는 설탕물로 채우고, 전체 
유리관은 증류수가 들어있는 비커 속에 담갔을 때 어떤 방향으로 삼투현상이 
일어날 것인가? 비커 속의 물은 셀로판을 통하여 유리관 속으로 이동되고 
유리관 속 설탕물의 높이는 상승하였다. 유리관 밑을 감싼 셀로판막은 처음보다 
설탕물에 의한 압력이 그 증가된 높이만큼 상승하였으며, 이같은 압력을 
삼투압이라고 하는데, 증류수와 설탕물 사이에 압력의 차가 같아질 때 
삼투압현상은 멎는다. 삼투현상을 나타내는 막으로는 인위적으로 만든 세로판막, 
자연상태의 막으로는 동물의 방광, 수뇨관 등이 많이 이용되고 있다. 그림3-2. 
반투과성 막을 중심으로 한 삼투압 현상
  
  3. 능동수송(Active transport)
  능동수송은 에너지가 소모되지 않는 확산과 정반대되는 물질수송의 한 
형태로서 이같은 
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  현상은 농도구배(concentration gradient)나 전기적 구배(eletric gradient)에도 
관계없이 세포가 필요로 하는 물질을 에너지(ATP)를 소모시키면서 원형질막 
내외에 존재하고 잇는 각 기질에 합당한 담체(carrier)를 이용 물질운반을 
담당한다(그림3-3 능동수송).
  
  4. 식작용(Phagocytosis)과 음작용(Pinocytosis)
  식작용이나 음작용은 원형질 막을 사이에 두고 일어나는 물질운반의 한 
형태로 한 쪽으로 움푹 들어가서 주름이 잡히면서 먹이를 삼키는 형태로 삼킨 
먹이가 원형질 내로 이동한다. 이 같은 현상을 식작용(phagocytosis or cill 
eating)이라고 말하며 아메바(ameba)등이 미생물을 섭취할 때 또는 많은 동물의 
혈액 속의 백혈구에의한 박테리아와 같은 이물질을 섭취하는 방법등에서 관찰할 
수 있다.
  음작용(pinocytosis or cell drinking)은 식작용과 비슷한 형태의 포식작용으로 
다만 원형질막으로 둘러싸고 있는 주머니(pocket)가 식작용에서보다 작다.
  그림3-4는 모세혈관벽의 단면을 전자현미경으로 관찰한 것이다. 위 그림은 
모세혈관 내부이고, 그림의 중앙에는 모세혈관벽과 조직안으로 파여져 들어가 
식작용 및 음작용이 나타나 보인다. 이와같은 작용은 능동수송에서 이루어지는 
것처럼 에너지가 요구되는 현상이다.
  
  5. 역식작용 및 음작용(Reverse phagocytosis and pinocytosis)
  아메바의 오래된 식포내용물의 배설 등은 역식작용의 좋은 예이다. 즉 세포 
속의 단백질의 대량분비, 단백질이 먼저 원형질막으로 형성된 골지복합체 
주머니 속에 형성 농축되고, 이같은 주머니는 융합되어 점점 커지면서, 드디어 
그 내용물을 세포막 밖으로 배설한다. 창자의 내면을 덮는 상피세포는 작은 
지방방울을 형성하고 역음작용에 의하여 세포로부터 분비한다. 즉, 세포의 
표면으로부터 형성된 음작용성 액포가 세포표면으로부터 세포내면으로 이동하고 
드디어 액포는 그 내용물을 배설한다. 이러한 방법에 의하여 물질이 모세혈관 
벽으로부터 충분히 이동될 수가 있다. 이것을 일명 토작용(vomiting)이라고도 
한다.
  
  6. 여과(Filtration)
  막 내외의 압력차에 의해 막공을 통해 이동될 수 있는 것과 없는 것으로 
분리하는 물리적 현상으로, 흔히 실험실에서 여과지를 써서 액체와 고체의 
입자를 분리할 때 쓰는 방법이다. 생체에서도 어떤 막을 통하여 이러한 압력의 
차이로 물질이동이 일어나는 예가 많으며, 가
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  장 중요한 압력은 심장 박동으로 발생하는 혈압이다.
  세포막을 통해서 세포 내외에 여과가 일어나는 일은 드물고, 여러 세포들의 
연결에 의해 만들어진 막을 통해 이 현상이 일어난다. 예를 들어보면, 동맥성 
모세혈관의 혈압이 조직압보다 높기 때문에 모세혈관막을 통하여 혈액의 
액체성분이 조직쪽으로 나가서 형성되는 조직액과, 사구체 모세혈관압은 높지만, 
혈장단백질에 대해서는 투과성이 극히 낮은 신장 사구체에서 형성되는 여과액 
등이다.
  여과액에 관계되는 유량은 관의 굵기에 크게 좌우되는데, 즉 유량은 반경의 
4승에 비례하므로 반경이 2배로 확장된 혈관에서는 유량이 16배로 된다. 반대로 
관의 굵기가 조금만 줄어도 유량은 격감하는 것이다. 그래서 여과현상은 막의 
면적에 비례함은 물론이고, 또한 개개의 구멍의 반지름이 크게 영향을 끼침을 
알 수 있다. 이 점이 농도경사를 원동력으로 하여 일어나는 확산과 다른 점이다.


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