제 4장. 세포막을 통한 분자의 이동 - 정리 중...

[문형철]

세포막을 통한 분자이동

참 흥미로운 과정

근수축후 Ca2+는 근소포체로 분자 이동을 하는데 'ATP를 이용한 능동수송'을....

panic bird..

세포의 내용물은 지질과 단백질로 구성된 원형질막(plasma membrane)이라는 얇은 막에 의해 세포를 둘러싸고 있는 세포외액과 분리되어 있음. 뿐만 아니라 미토콘드리아, 소포체, 리소좀, 골지체, 핵에 있는 막은 세포내액을 여러막에 싸인 구획으로 나눔. 여러가지 세포소기관과 세포질 사이, 세포질과 세포외액 사이의 분자와 이온의 이동은 이들 막의 성질에 의해 결정됨. 막을 통한 물질의 이동속도는 물질에 따라 매우 다르며, 많은 경우에는 여러가지 신호에 의해 속도가 조절됨. 이장에서는 원형질막을 중심으로 막의 수송기능에 초점을 둠. 

이 장에서는 원형질막을 중심으로 막의 수송기능에 초점을 둔다. 여러가지 기작에 의해 물질이 막을 통과하지만 우선 확산이라는 물리 현상부터 논의를 시작한다.

1. 확산 diffusion

물질을 구성하는 분자들은 고체나 액체 혹은 기체이든 끊임없이 움직이는 진동상태에 있다. 그리고 물질의 온도가 높으면 높을수록 분자의 움직임을 빠르다. 이와같은 "열운동"의 속도는 또한 분자의 질량에 따라 다르다. 체온에서 물분자는 약 2,000km/h의 속도로 움직이며, 물분자보다 10배 큰 포도당 분자는 약 850km/h의 속도로 움직인다. 수용액 상태에서는 이와같이 빠르게 움직이는 분자들은 멀리 못가서 곧 다른 분자들과 충돌하게 되며, 이와 같은 일들이 1초에 수백만번 일어난다. 매번 충돌할때 마다 분자의 움직이는 방향은 달라진다. 따라서 어느 한분자의 움직이는 경로는 예측할 수 없다. 어느 한 순간 모든 방향으로 움직임이 가능하기 때문에 이와같은 움직임은 무작위적이다. 

무작위적으로 열운동에 의해 분자들이 한장소로부터 다른 장소로 이동하는 현상을 단순확산(simple diffusion)이라 한다. 

유랑과 방향

단위시간에 표면을 가로질러 이동하는 물질의 양을 유량 flux라고 한다. 

순유량 net flux

순유량은 항상 물지의 농도가 높은 쪽에서 낮은쪽으로 이루어짐. down hill

확산 평형 diffusion equiblirium

각 분자들의 움직임은 무작위적이지만 순유량은 항상 물질의 농도가 높은데서 낮은 쪽으로 이루어진다. 

온도가 높을수록 분자들의 운동속도 증가

분자량이 큰 단백질 분자는 분자량이 작은 포도당보다 이동속도가 느림

표면적이 클수록 분자가 이동할 수 있는 면적이 증가하여 순유량 증가

분자가 이동하는 매질이 물속보다 기체상태일때 빠름

확산속도와 확산거리

분자들이 확산하는 거리는 분자들이 혈액으로부터 세포에 도달하는 속도나 원형질막을 통과한 후 세포내로 완전히 퍼지는데 걸리는 속도를 결정하는 주요인자이다. 비록 개개 분자들의 이동속도는 빠르지만 분자들이 겪는 충돌때문에 직선거리상으로는 멀리 이동하지 못함. 확산에 걸리는 시간은 확산 거리의 제곱에 비례함. 예를들어 포도당이 10um떨어진 지점에서 확산 평형에 도달하는데는 수초밖에 걸리지 않지만 만약 10cm덜어진 지점이라면 같은 농도에 도달하기 위해 11년이 소요됨. 

인간크기의 동물에서 산소와 영양분이 체표면으로부터 수 cm떨어진 조직으로 확산으로 이동하는데는 너무 오랜 시간이 걸려서 조직이 필요로 하는 충분한 양의 자양분을 공급할 수 없음. 

막을 통한 확산

어떤 물질이 막을 통해 확산되는 속도는 세포안의 물질 농도가 세포외액의 물질농도와 같아지는 확산평형에 도달하는 속도로 측정이 가능하다. 투과 상수에 비례..

1) 지질 이중층을 통한 확산

여러가지 유기분자들의 투과상수를 분자구조와 비교해 보면 둘사이에 관련성이 들어남. 대부분의 극성분자들은 세포내로 매우 천천히 또는 전혀 들어가지 못하는 반면, 비극성분자들은 훨씬 빠르게 막을 통해 확산한다. 즉 이들 분자는 투과상수값이 큰것을 의미한다. 그 이유는 비극성분자들은 인지질의 지방산으로 구성되어 있는 막의 비극성 부위에 쉽게 녹을 수 있기 때문이다. 이에 반해 극성분자들은 막 지질에 잘 녹지 못한다. 물질을 구성하는 극성부위나 전하를 띠는 부위의 수를 줄여 물질의 지질 용해도를 증가시키면 막의 지질에 녹는 분자수를 증가시키고 따라서 막을 통한 유량을 증가시킬 것이다. 

산소, 이산화탄소, 지방산 그리고 스테로이드 호르몬은 막의 지질부위를 통해 빠르게 확산되는 비극성 분자들이다. 여러가지 대사경로의 중간단계를 구성하는 유기분자들은 종종 인산염을 포함하여 이온화되었거나 극성분자들이므로 이들 분자들은 인지질 이중층에 잘 녹지 않음. 따라서 지질 이중층 막을 통과하지 못해 세포나 세포소기관안에 갇혀 있음. 

2) 단백질 채널을 통한 이온의 확산

Na+, K+, Cl-, Ca2+ 같은 이론들은 막지질에 대한 용해도가 낮아 막을 통한 확산속도가 매우 낮을 것으로 예상되지만 실제로는 이보다 훨씬 막을 빨리 통과한다. 또한 세포에 따라 이들 이온에 대한 투과도가 큰 차이를 보인다. 반면 비극성 물질들의 막투과도는 세포의 종류에 따라 큰 차이가 나지 않는다. 단백질을 포함하지 않는 인공지질 이중층은 위 이온들을 통과시키지 않는다는 사실로부터 막에 있는 단백질 성분이 이온 투과도 차이를 결정한다고 여겨진다. 

내재성 막단백질은 지질 이중층을 관통한다. 내재성 막단백질 중에는 이온이 막을 통과하는 통로를 제공하는 채널을 형성하는 것도 있다. 간혹 1개의 단백질이 도넛과 같은 구조를 형성하여 가운데 있는 구멍이 이온을 통과하는 채널을 구성하기도 함. 그러나 더 많은 경우에는 여러개의 단백질이 모여 각각이 채널의 벽을 구성하는 방법으로 1개의 채널을 형성함. 아래 그림. 

이온 채널의 직경은 매우 작아서 통과하는 이온의 크기보다 약간 큰 정도임. 작은 크기의 채널은 큰 분자들이 들어가거나 나가지 못하게 막음. 

이온채널의 중요한 특성은 선택적으로 특정이온만을 통과시킨다는 것이다. 이와같은 이온의 선택적 투과성은 채널의 직경, 채널 벽을 구성하는 단백질 소단위체츼 전하를 띤 극성표면, 그리고 이온과 결합한 물분자의 수(수화된 상태)에 의해 결정된다. 예를들어 어떤 채널(K+채널)은 Na+특이성을 보인다. 또 다른 채널들은 Na+과  K+의 확산은 가능하지만 다른 이온들의 확산은 여전히 불가능하다. 이와같은 이유로 같은 수의 K+채널을 갖고 있어 K+에 대한 막투과도가 같은 종류의 막일지라도 Na + 채널의 수가 달라 Na+에 대한 투과도는 다를 수 있다. 

3) 이온 이동에 미치는 전기적 힘의 역할

이제까지 막을 통한 용질의 확산을 막을 가로지르는 농도차이, 막지질에 대한 용해도, 이온 채널의 존재 및 막 넓이의 관점에서 논의하였다. 이온의 확산을 논의할때는 이온이 전하를 띠기 때문에 또다른 요소를 고려해야 하는데, 이것이 이온에 작용하는 전기적 힘이다. 

전하의 분리는 모든 세포의 원형질막에서 나타나는데, 이를 막전위(membrane potential)이라 하며(위그림), 그 크기는 밀리볼트 단위로 나타낸다. 막전위는 이온이 막을 통과하는데 영향을 주는 전기적 힘을 제공한다. 같은 부호의 전하는 서로 밀지만 반대부호의 전하는 서로 당김. 예를들면 대부분의 세포에서처럼 세포안이 바깥에 비해 음의 전하를 갖는다면 양전하를 띠는 이온의 경우는 밀려나갈 것임. 비록 이온의 농도차가 막을 경계로 형성되어 있지 않더라도 막 전위에 의해 양이온의 순수한 유입이 존재할 것이고, 반면 음이온의 순수한 유출이 일어날 것임. 따라서 막을 통한 이온이동의 방향과 크기는 이온의 농도차뿐만 아니라  전위차(박전위)에도 의존함. 

이 두가지 힘을 하나로 통합하여 막에 대한 전기화학적 기울기(electrochemical gradient)라고 함. 그러나 이 두가지 힘은 서로 반대방향으로 작용할수도 있음. 예로, 막전위는 K+을 한 방향으로 이동시키려하는 반면, K+의 농도차는 반대방향으로 작용할 수도 있음. 이와같은 경우에 K+의 순수한 이동은 두힘의 차에 의해 결정되며 이것이 막을 가로질러 형성되는 전기화학적 기울기임. 

4) 이온 채널을 통한 확산의 조절

이온채널은 열린 상태나 닫힌 상태로 존재할 수 있고(아래 그림), 이온이 막을 얼마나 잘 통과하는가는 이와같은 이온채널의 열리고 닫힘에 의해 빠르게 조절된다. 울다리에 있는 문을 열고 닫는 것처럼 이온채널의 개폐과정을 채널 개폐라 한다. 채널 단백질은 열린 상태와 닫힌 상태를 오가며 매초 여러번 열렸다 닫히기를 반복한다. 장시간에 걸쳐보면 어느 주어진 전기화학적 기울기에서 채널을 통과하는 전체 이온의 수는 얼마나 자주 채널이 열리고 얼마나 오랫동안 열렸는가에 의해 결정됨. 

세가지 요소들이 채널 단백질의 구조를 변형하여 얼마나 자주 얼마나 오랫동안 열릴지에 대한 변화를 줌. 1) 특정 분자가 채널단백질에 결합하여 직접 혹은 간접적으로 채널 단백질 구조의 가역적 또는 비가역적 변화를 유발함. 이러한 유형의 채널을 리간드-개폐형 채널(ligand-gated channel)이라 하며, 대표적인 리간드로는 화학전달자가 있음. 2) 막전위의 변화가 채널 단백질의 전하를 띠는 부위를 움직여 단백질의 구조가 변함. 이러한 채널을 전압-개폐형 채널(voltage-gated channel)이라고 함 3) 막의 물리적 형태변화에 의해 채널 단백질의 구조가 변하며, 이러한 채널을 기계적-개폐형 채널(mechanically-gated channel)이라고 함. 

어떤 특정한 이온은 여러가지 유형의 채널을 통과함. 예로 어떤 막은 리간드-개폐형 K+채널, 전압-개폐형 K+ 채널과 기계적-개폐형  K+채널을 다가지고 있음. 더군다나 어떤 막은 전압의 반응 범위가 다른 여러 종류의 전압-개폐형 K+채널을 가질수도 있고, 여러가지 화학신호에 반응하는 다수의 리간드-개폐형 K+ 채널을 갖기도 함. 다양한 채널들이 세포간의 대화와 전기적 활성을 어떻게관여하는지는 제 5장-7장에 걸쳐 알아봄. 

2. 매개성-수송체계(mediated transport)

채널을 통한 확산이 이온수송의 가장 중요한 수단이지만 이것이 전부는 아니다. 더욱이 포도당이나 아미노산처럼 막을 통과하기는하지만 지질 이중층을 통과하기에는 너무 극성이 크고 이온 채널을 통해 확산하기에는 너무 크기가 큰 분자들이 있다. 이러한 분자들의 막 통과나 비확산을 통한 이온들의 막 통과는 내재성 막단백질인 운반체(transporter)에 의해 이루어진다. 이러한 매개성-수송에 의한 물질의 막 통과는 운반체의 구조변화에 기인한다. 먼저 운반되는 용질은 이 용질이 있는 쪽의 막에노출된 운반체의 특정부위와 결합해야 함. 그림. 그 다음 운반체의 일부분이 구조변화를 일으켜 결합부위가 막의 반대쪽 용액에 노출됨. 다음으로 운반체에 결합되었던 물질이 떨어져 나오면서 막을 통한 물질의 이동이 끝남. 이러한 기전으로 분자들은 어느쪽이던지 막의 한쪽 면에서 운반체에 실려 반대쪽으로 운반되는 수송이 가능함. 운반체들의 수송에 수반되는 구조변화는 아직 대부분이 밝혀지지 않아, 그림 4-8에 보이는 운반체의 모식도는 단지 모형에 불과함. 

운반체와 이온 채널은 여러가지 면에서 유사함. 둘 모두 막단백질이며 용질 특이성을 보임. 그러나 이들 막단백질을 통과하여 운반되는 분자 또는 이온들의 수에서 차이가 남. 이온 채널은 단위 시간당 수송하는 이온의 수가 운반체보다 수천배가 많음. 이러한 차이는 운반체는 막을 통과하는 분자마다 단백질의 형태가 변해야 하지만, 열려있는 이온채널은 입체구조 변화없이 지속적으로 이온의 흐름이 가능하기 때문임. 예를들어 다리를 통한 차의 이동이 왕복하는 연락선을 통한 차의 이동보다 얼마나 더 많이 수송하는지 떠올려보자. 

막에는 여러종류의 운반체가 존재하며, 각각의 운반체는 특정한 물질 또는 특정 집단내의 유사한 물질하고만 결합을 하는 결합부위를 갖고 있음. 예를들어 아미노산과 당 둘다 매개성-수송에 의해 운반되지만 아미노산 운반체는 당을 운반하지 않고, 당 운반체는 아미노산을 운반하지 않음. 이온 채널의 경우와 마찬가지로 서로 다른 세포의 원형질막은 다양한 종류와 수의 운반체를 가지고 있어 세포마다 수송되는 물질의 종류도 다르고 속도도 다름. 

매개성-수송을 통한 용질의 수송량은 세가지 요인에 의해 결정

# 운반체의 결합부위가 포화된다는 것인데, 이는 용질의 농도와 용질에 대한 운반체의 친화도에 의존

# 막에 있는 운반체의 수는 포화상태가 어떠하든지 유량을 결정

# 운반체 단백질의 구조가 변하는 속도

위 세가지 중 어느 한가지만 변하면 매개성-수동에 의한 유량은 변한다. 수송되는 용질에 대해 어느 시점이라도 주어진 막에 있는 용질 운반체의 수는 정해져 있음. 다른 모든 결합부위와 마찬가지로 수송되는 용질의 농도가 증가할수록 용질과 결합하는 부위의 수는 운반체가 포화될때까지- 즉 모든 결합부위가 채워질때까지- 증가함. 운반체의 결합부위가 포화되면 막을 통한 수송농도는 최대가 되어 용질의 농도가 증가한다고 해도 더이상 수송량의 증가는 없음. 이 점에서 매개성-수송을 통한 수송량과 막의 지질을 통한 확산에 의한 수송량에도 차이가 남. 그림

확산에 의한 수송량은 세포외 기질농도에 비례하여 증가하고 일정수의 결합부위가 필요하지 않기때문에 무한히 증가함. 그러나 운반체가 포화되면 최대 수송량은 운반체의 구조변화에 의해 막의 한쪽에서 반대쪽으로 기질의 결합부위가 이동하는 속도에 의해 결정됨. 이 속도는 이온채널을 통해 이온이 확산하는 속도보다 훨씬 느림. 지금까지 모든 운반체가 비슷한 성질을 갖고 있는 것처럼 매개성-수송을 서술함. 사실 촉진확산과 능동수송, 두가지 종류의 매개성-수송이 밝혀짐. 

촉진확산(facilitated diffusion)

단순확산과 마찬가지로 촉진확산에서도 막을 통과하는 분자들의 순수 이동량은 언제나 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 하강한다. 두 확산과정에서 중요한 차이점은 촉진확산은 운반체를 통해 용질을 이동시킨다는 것이 다르다. 촉진확산은 막 양쪽의 용질 농도가 같아질때까지 계속됨. 평형에 도달하면 세포안에서 운반체와 결합하여 세포밖으로 운반되는 분자의 수가 같음. 단순확산이나 촉진확산 모두 에너지와 직접 연계되어 있지 않음. 이런 이유로 어느 경우도 분자들의 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 용질의 순이동이 일어나지 못함. 

체내에서 가장 중요한 촉진확산의 예가 포도당 수송이다. 포도당 운반체가 원형질막에 존재하지 않으면 세포는 비교적 크고 극성인 포도당을 통과시키지 못할 것이다. 촉진확산의 결과 세포내의 포도당의 농도는 세포밖 농도와 같을 것이라고 생각할 수도 있다.그러나 실제로 이와같은 일은 일어나지 않는다. 왜냐하면 세포질 안으로 들어온 포도당은 즉시 포도당 6-인산으로 변하기 때문이다. 따라서 세포안의 포도당 농도는 항상 세포밖보다 낮게 유지되며, 포도당은 계속 세포 안으로 순수 유입된다. 

세포막을 가로질러 포도당의 촉진확산을 매개하는 포도당 운반체의 종류는 여러가지가 있음. 각각의 운반체는 별도의 유전자 산물이며, 유전자의 발현은 세포에 따라 다름. 운반체는 포도당 결합부위의 포도당에 의한 친화도, 포화되었을때의 최대 수송속도, 그리고 인슐린 호르몬과 같이 여러가지 화학적 신호에 의한 수송능력의 조절등에서 차이가 남. 제 16장에서 배우겠지만 포도당은 포도당 운반체에 의해 모든 세포내로 들어가지만, 인슐린은 주로 근육과 지방세포에 존재하는 포도당 운반체에 영향을 미침. 인슐린은 이들 세포의 막에 존재하는 포도당 운반체의 수를 극적으로 증가시켜 궁극적으로 포도당이 세포안으로 이동하는 속도를 증가시킴. 

제 1형 당뇨병과 같이 인슐린이 충분지 존재하지 않으면, 근육과 지방세포는 충분한 양의 포도당을 세포막을 통해 수송하지 못함. 이로 인해 포도당이 세포외액에 축적되며 이는 당뇨병의 전형적인 특징임. 

능동수송(active transport)

능동수송이 촉진확산과 다른점은 물질의 이동방향이 전기화학적 기울기에 역행하여 이루어지며, 이때 에너지를 사용한다는 점이다. 촉진확산과 마찬가지로 능동수송시에도 수송물질이 막에 있는 운반체와 결합한다. 기울기에 역행하여 수송하기 때문에 능동운반체는 펌프로 불리기도 한다. 촉진확산과 마찬가지로 능동수송운반체는 기질 특이성과 포화특성을 나타내어, 모든 운반체가 기질과 결합할때 최대수송속도가 나타난다. 

낮은 농도에서 높은 농도로 물질을 수송하고 막의 한쪽에서 물질의 높은 농도가 유지되기 위해서는 계속적인 에너지 유입이 필요하다. 그러므로 능동수송이 일어나기 위해서는 에너지 준위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 에너지의 흐름이 동시에 연관되어야 한다. 에너지 흐름과 운반체를 연관시키는 두가지 방법이 있다. 1) 1형 능동수송에서는 ATP를 직접 사용하고,  2) 2형 능동수송에서는 막을 경계로 형성된 전기화학적 기울기를 이용하여 물질을 운반한다. 

1) 1형 능동수송(Primary active transport)

운반체에 의한 ATP가수분해가 1형 능동수송에 필요한 에너지를 제공한다. 운반체는 실제로 ATP 가수분해효소라고 불리는 효소로, ATP를 가수분해하는 과정에서 자신은 인산화됨. 공유결합으로 운반체 단백질이 인산화되면 운반체의 구조도 바뀌어 용질 결합부위의 친화도가 변함. 

1형 능동수송의 가장 대표적인 예는 Na/K+ - ATP 가수분해 효소에 의해 나트륨과 칼륨이온이 원형질막을 통과하여 이동하는 것이다. 이 운반체는 모든 세포에 존재하며, 나트륨 이온을 세포안에서 밖으로, 칼륨이온을 그 반대방향으로 운반함. 이 두경우 모두, 각 이온은 농도기울기에 역행하여 운반된다. 그림 4-11은  Na/K+ - ATP 가수분해 펌프가 두 이온을 서로 반대방향으로 운반하는 일련이 과정을 보여준다. 

1) 우선, ATP와 결합한 운반체는 세포 안쪽면에 위치한 높은 친화성의 Na+결합부위에 세분자의 Na+이 결합한다. K+결합부위가 두 곳이 존재하지만, 이 단계에서는 친화성이 낮아 세포내 K+과 결합하지 않는다. 2) Na+의 결합은 운반체에 내재하는 ATP 분해효소 기능을 활성화시켜 운반체의 세포안과 접해 있는 특정 아미노산을 인산화하고, 나머지 ADP분자는 운반체로부터 떨어져 나오게 된다. 3) 인산화에 의해 운반체의 단백질 구조변화가 유발되어, 결합된 Na+이 세포밖으로 노출되고, 동시에 Na+에 대한 결합력도 감소한다. 따라서 운반체에 결합된 Na+이 떨어져 나와 세포외액으로 이동한다. 4) 운반체의 새로운 구조는 K+결합부위 친화도를 증가시켜 세포밖으로부터 두분자의 K+이 결합부위에 결합하도록 한다. 5) K+결합은 운반체의 탈 인산화를 일으킨다. 따라서 운반체가 원래의 구조로 되돌아가 K+의 친화성이 감소하고, 대신 Na+의 친화성이 증가한다. 따라서 K+은 운반체로부터터 떨어져 나와 세포내액으로 이동하며, 새로운 Na+와 ATP분자가 세포 안쪽의 운반체에 결합하게 된다.

 Na/K+ - ATP 가수분해효소인 1형 능동운반체의 물질수송에 의해 세포밖은 세포안에 비해 고농도의 Na+이 존재하는 반면, 세포 안은 밖에 비해 상대적으로 고농도의 K+이 존재한다. 그림. 

한분자의 ATP가 가수분해되면서 이 운반체는 세 분자의 Na+을 세포 밖으로 퍼내고, 두분자의 K+을 세포내로 퍼들인다. 이 결과 세포 밖으로 +전하의 순이동이 일어나므로 수송과정은 전기적으로 중성이 아니다. 이 문제는 제 6장에서 뉴런의 원형질막을 사이에 두고 형성된 전하를 언급할 때 자세히 살펴보기로 한다.  Na/K+ - ATP 가수분해효소인 1형 능동운반체는 모든 세포에 있으며, 세포막의 막전위를 확립하고 유지하는 것을 돕는다. 

Na/K+ - ATP 가수분해효소 운반체 이외에도 대부분의 세포에서 발견되는 1형 능동운반체 단백질로는 1) Ca2+-ATP가수분해 효소 2) H+-ATP 가수분해효소 3) H+/K+-ATP 가수분해효소가 있다. Ca2+-ATP 가수분해효소는 원형질막뿐만 아니라 소포체와 같은 세포소기관에서도 발견된다. 원형질막에서 Ca2+는 세포질에서 세포외액으로 이동한다. 세포소기관에서는 세포질에서 소기관내로 이동한다. Ca2+ - ATP 가수분해효소를 통한 능동수송에 의해 세포질의 Ca2+ 농도는 10에 마이너스 7승 몰(mol/L)로 낮게 유지되는 반면, 세포밖의 Ca2+농도는 10에 마이너스 3승 몰로 세포안과 밖 사이에는 10,000배 정도의 Ca2+ 농도기울기가 형성된다. 이들 수송기작은 세포내  Ca2+의 항상성을 유지하도록 한다. 세포의 많은 생리적 활성이 칼슘이온 농도의 변화에 의해 조절되기 때문에 이 기능은 매우 중요하다.(예를들어, 세포의 저장 소포로부터 분비기능을 들 수 있다).

H+ ATP 가수분해효소는 원형질막과 미토콘드리아 내막 또는 리소좀 막을 포함한 여러가지 세포소기관 막에 존재한다. 원형질막에서 H+ ATP가수분해효소는 수소이온(H+)을 세포밖으로 퍼냄으로써 세포의 pH 유지를 돕는다. 인체의 모든 효소는 좁은 범위의 pH에서 최적의 활성을 나타내기 때문에 이러한 능동수송은 세포의 대사와 생존에 필수적이다. H+ ATP 가수분해효소는 위나 신장과 같은 산을 분비하는 세포의 원형질막에 존재하며, ATP 한분자가 가수분해 되면서 1개의 H+을 세포밖으로 퍼내고 1개의 K+을 안으로 퍼들인다. 위 내강으로 들어간 수소이온은 단백질의 소화에 중요한 역할을 한다. 

2) 2형 능동수송(secondary active transport)

ATP에 의한 운반체 분자의 인산화를 이용하는 1형 능동수송과는 달리 2형능동수송은 에너지원으로 원형질막 사이로 형성된 화학적 기울기를 사용한다. 2형 능동수송에서는 한 이온이 전기화학적 기울기를 따라 이동하는 것이 포도당이나 아미노산과 같은 영양물질의 운반과 연관되어 있다. 따라서 2형 능동수송을 수행하는 운반체들은 두종류의 결합부위를 갖고 있는데, 하나는 일반적으로 Na+에 대한 결합부위와 다른 하나는 공동으로 운반되는 분자들에 대한 결합부위이다. 이와같은 예가 그림 4-13에 나타나 있다. 

이 예에서는 세포 밖 용액에 Na+의 전기화학적 기울기가 세포 안으로 향한다. 그러나 동시에 수송되는 용질은 농도기울기에 역행하여 세포 안으로 이동하여야 한다. 운반체의 세포밖 표면에 Na+이 이들 부위에 결합하면, 운반되는 용질에 대한 결합력이 증가하면서 용질이 결합한다. 다음으로 운반체는 구조 변화를 겪어 세포막의 안쪽에 결합부위를 노출한다. 운반체가 구조를 바꾸면 운반체에 결합한 Na+은 전기화학적 기울기를 따라 단순확산에 의해 세포안으로 이동한다. 

동시에 용질의 결합부위에 대한 친화성이 감소되면서 용질이 세포내액으로 떨어져 나온다. 일단 운반체가 Na+와 용질을 모두 방출하면 운반체는 다시 원래의 구조로 되돌아간다. 그러므로 1형 능동수송과 2형 능동수송의 가장 확실한 차이점은 2형 능동수송은 세포막을 가로질러 이온과 용질을 운반하기 위해 전기화학적 기울기에 축적된 에너지를 사용한다는 점이다. 그러나 전기화학적 기울기의 형성과 유지는 1형 능동운반체의 활동에 의존한다. 

설명 : 2형 능동수송. 이 예에서 나트륨이 운반체에 결합하면 다른자리입체성 효과에 의해 세포바깥 표면에 있는 용질 결합부위의 친화력이 증가된다. Na+과 용질의 결합은 운반체의 구조변화를 유발하여 용질 결합부위를 세포내액에 노출시킨다. Na+은 전기화학적 기울기를 따라 세포안으로 확산되어 나가고, 운반체의 용질 결합부위는 낮은 친화도 상태로 되돌아 간다. 

1형 능동운반체가 원형질막을 가로질러 형성한 Na+의 농도 기울기는 Na+와 결합하는 2형능동운반체의 기질 운송에 사용되는 간접적 에너지이다. 그러나 궁극적으로는 2형 능동수송에 사용되는 에너지는 Na+/K+-ATPase에 의해 Na+의 농도기울기 형성시 사용되는 ATP로서 대사과정에서 생성된 것임. 만약 ATP생성이 억제된다면 Na+을 이동시키는 1형 능동수송이 멈춰 세포는 더이상 막을 가로질러 형성된 Na+의 농도기울기를 유지할 수 없음. 그러면 다시 에너지원으로 사용되는 Na+ 농도 기울기는 사라져 2형 능동수송이 멈추게 됨. 유지상태에서 세포가 만들어내는 총 ATP의 10-40%정도가 Na+의 농도기울기를 유지하기 위한 Na+/K+-ATPase에 의해 사용되며, 이러한 농도 기울기는 다시 여러가지 2형 능동수송에 사용됨. 

앞에서 언급했듯이 2형 능동수송에서 Na+의 순이동은 언제나 농도기울기를 따라 세포밖에서 세포 안으로 이루어짐. 따라서 2형 능동수송에서 Na+의 이동은 언제나 농도기울기에 순응하여 이루어지지만 같은 단백질을 통해 동시에 운송되는 기질의 이동방향은농도기울기에 역행하여 기질의 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이루어짐. 능동수송되는 기질의 운송방향은 공동수송(cotransport)의 경우처럼 세포안으로 (Na+와 같은 방향으로) 이루어지거나, 역수송(countertransport)에서 처럼 세포밖으로 이루어짐. 그림 

요약하면, 세포내액과 세포외액 간의 물질분포는 세포막에 위치하는 1형 및 2형 능동운반체나 이온채널 그리고 막전위에 의해 불균등하다. 

아래 표는 물질들이 세포막을 통과하는 서로 다른 경로들의 주요 특징을 요약한 것임. 

아래그림은 전형적인 원형질막을 통해 물질을 수송하는데 관여하는 여러가지 이온채널과 운반체를 나타낸 것임. 막을 통한 물의 이동기전은 표 4-2에 표시되지 않음. 체액구획사이에서 이런 극성분자의 이동같은 특별한 경우는 다음에서 설명할 것임. 

3. 삼투(osmosis)

물은 대부분의 세포막을 빠르게 통과할 수 있는 극성분자이다. 이 과정은 물이 확산되도록 채널을 형성하는 아쿠아스포린(aquasporin)이라는 일군의 막단백질때문이다. 이와같은 물채널의 유형과 수는 세포막에 따라 다름. 따라서 어떤 세포들은 다른 세포들에 비해 투과성이 큼. 어떤 세포에서는 아쿠아포린 채널수가 여러가지 신호에 반응하여 변할 수 있고, 이는 막을 통한 물의 투과성이 변함을 의미함. 이는 신장의 세뇨관에 있는 세포들에서 특히 중요함. 

제 14장에서 알아보겠지만, 신장의 주요기능 중 하나는 오줌에서 물의 배설을 조절하는 것임. 이는 몸에 있는 체액의 양을 유지하는 것을 돕는 항상성의 일종임. 신장 세뇨관의 상피세포는 어느시점에서라도 몸의 물균형에 따라서 그 수가 늘어나거나 줄어들 수 있는 많은 아쿠아포린을 가지고 있음.

물이 막을 가로질러 순수확산되는 것을 삼투라고 한다. 다른 확산과정과 마찬가지로 물질이 순수하게 이동하기 위해서는 농도차이가 형성되어야 한다. 어떻게 막을 가로질러 물의 농도차이가 형성되는가? 물에 요오질을 가하면 순수한 물과 비교하여 용액의 물의농도는 감소함. 예로 포도당과 같은 용질이 물에 녹으면 결과적으로 수용액의 물의 농도는 순수한 물과 비교하여 낮아짐. 일정 부피의 포도당 용액은 동일한 양의 순수한 물에 비해 물분자의 수가 적음. 이는 포도당 분자가 물이 차지하였던 공간을 차지하였기 때문임. 그림

정량적인 용어로 나타내면 순수한 물 1리터의 무게는 1,000g 이고, 물의 분자량은 18이므로 물의 농도는 1000/18=55.5M임. 수용액의 물 농도의 감소는 더해진 용질의 농도와 대략적으로 동일함. 다시말하면 하나의 용질분자가 하나의 물분자를 대체함을 의미함. 1M 포도당 용액의 물 농도는 55.5M이 아니라 54.5M임. 용액에 물을 가하면 용질이 희석되듯이 용액에 용질을 가하면 물을 희석시킴. 용질의 농도가 커질수록 물의 농도는 낮아짐. 물의 농도가 가해진 용질에 의해 감소하는 정도는 수용액에 들어있는입자(분자나 이온)의 수(용질의 농도)에 의해 결정되며, 용질의 화학적 성질과는 무관함. 

예를들어 1리터의 수용액에 들어있는 1몰의 포도당은 1몰의 아미노산이나 1몰의 요소 또는 물에 녹아 있는 단일분자로 존재하는 1몰의 다른 분자와 같은 정도로 물의 농도를 감소시킴. 한편 수용액에서 이온화되는 분자들은 형성되는 이온의 수에 비례하여 물의 농도를 감소시킴. 예를들어, 많은 간단한 염들은 수용액 상에서 완전히 용해됨. 간단히 말해서 체온과 혈액에서 발견되는 모든 염은 100%해리된다고 가정. 그러므로 1몰의 소금은 수용액상에서 1몰의 Na+와 1몰의 Cl-을 형성하므로 결과적으로 2몰의 용질 입자를 만들기 때문에 1몰의 포도당보다 2배나 물의 농도를 감소시킴. 똑같은 이유로 1M MgCl2 수용액은 1M 포도당 수용액과 비교하여 3배나 많은 물의 농도를 감소시킴. 

수용액의 물의 농도는 용질입자의 수에 의해 결정되기 때문에 화학적 조성과는 관계없이 수용액에 들어있는 용질입자의 전체 농도를 지칭하는 농도 용어를 사용하는 것이 편리함. 수용액의 전체 용질의 농도를 삼투농도(Osmolarity)라 함. 1오스몰(osmol)은 용질 입자 1몰과 동일함. 따라서 포도당 1M 수용액은 1Osm(1osmol/L)인 반면, 1M 소금물의 경우 1리터의 수용액에 2Osm의 입자를 가지고 있음. 1몰의 소금을 갖고 있을수도 있고, 3몰의 포도당을 갖고 있을 수도 있으며 또는 1.5몰의 소금을 가지고 있을 수도있음. 혹은 전체 용질의 농도가 3Osm과 같다면 어떠한 용질의 조합도 가능함. 

비록 삼투농도가 용질 입자의 농도를 가리킨다고 하더라도 삼투농도는 용질의 물의 농도로 결정함. 삼투농도가 커질수록 물의 농도가 감소하기 때문임. 만약 어떤 두가지 수용액의 삼투농도가 같다면 동일한 피부의 두 수용액에 들어있는 용질입자의 수가 같으므로 물의 농도는 같게 됨. 물의 농도를 결정하는 이러한 원리들이 막을 통한 삼투에 어떻게 응용되는지 알아보자. 아래 그림은 2개의 1리터 구획이 용질과 물을 모두 투과시키는 막에 의해 분리되는 것을 보여줌. 처음에는 구획 1의 용질농도는 2Osm이고, 구획 2의 용질농도는 4Osm임. 이와같이 용질 농도의 차이는 막을 가로질러 물의 농도차이가 존재한다는 것을 의미함. 그러므로 물의 농도가 높은 구획 1에서 구획 2로 순수하게 확산할 것이고, 용질은 반대로 구획 2에서 구획 1로 확산할 것임. 확산평형에 도달하면 양구획은 각각 동일한 용질의 농도(3Osm)와 물의 농도(52.5M)을 갖게 됨. 1몰의 물은 구획 1에서 구획 2로 확산되고, 1몰의 용질은 구획2에서 1로 확산할 것임. 구획 1에서는 1몰의 용질이 1몰의 물을 대체하였고, 구획 2에서는 그 반대이기 때문에 각 구획에서의 부피변화는 없음. 

만약 물은 통과시키지만 용질은 통과시키지 않는 막으로 대치하면(아래 그림) 전과 동일한 물의 농도와 용질의 농도에서 평형에 도달하나, 각 구획의 부피가 변함. 물은 구획 1에서 2로 확산됨. 그러나 막이 용질을 통과시키지 않기 때문에 용질이 확산에 의해 반대방향으로 이동하지는 않음. 대신 두 구획의 물 농도가 같아질때까지 물이 구획 2로 계속 확산함. 구획 2의 용질농도는 들어오는 물에 의해 감소하고 구획 1의 용질농도는 물이 빠져나가면서 점점 농축됨. 물이 확산 평형에 도달하면 구획의 삼투농도는 같아지고 따라서 용질의 농도도 같아야 함. 이와같은 평형상태에 도달하려면 충분한 양의 물이 구획 1에서 2로 이동하여 구획 2의 부피가 1/3정도 증가해야 하며, 동시에 구획 1의 부피는 그만큼 감소해야 함. 삼투에 의해 부피변화가 일어나기 위해서는 용질이 막을 통과하지 않아야 한다는 점을 주목해야 함. 

지금까지 앞에서 언급한 두 구획이 무한정 확장할수 있어서 물의 순수이동에 의한 압력차이가 생기지 않는 것처럼 가정함. 그러나 만약 그림 4-18의 구획 벽이 원형질막처럼 단지 조금만 확장할 수 있다면 물의 이동으로 구획 2의 압력이 증가하고, 이 압력에 의해 더이상 물이 들어오지 못하게 될 것임. 따라서 구획 2로의 물 이동은 구획 2에 압력을 가하여 억제할 수 있음. 이러한 사실로부터 다음과 같이 중요한 결론을 이끌어냄. 

용질을 포함하는 수용액이 반투과성막(semipermeable membrane. 물은 투과시키지만 용질은 투과시키지 않는 막)에 의해 순수한 물과 분리되면 수용액에 압력을 가해야 물의 이동을 막을 수 있는데, 이러한 압력을 수용액의 삼투압(osmotic pressure)이라 함. 수용액의 삼투농도가 클수록 삼투압도 커짐. 수용액의 삼투압이란 물 분자가 수용액으로 이동하려는 압력이 아니라 수용액으로 물의 순 이동을 억제하기 위해 가하는 압력이라는 점을 명심해야 함. 삼투농도와 마찬가지로 삼투압도 수용액의 물 농도를 나타내는 값임. 물의 농도가 낮을수록 삼투압은 더 커짐. 

세포외액의 삼투농도와 세포부피

삼투에 대해 위에서 설명한 원리들을 세포에 적용시켜 보자. 세포는 삼투에 의해 물이 막을 가로질러 이동하는데 필요한 모든 조건을 충족시킴. 세포내액과 세포외액은 모두 물을 가지고 있고, 물은 세포를 둘러싸고 있는 막을 잘 투과하지만, 대부분의 물질은 투과하지 못함. 원형질막을 투과하지 못하는 물질을 비투과성 용질(nonpenetrating solute)이라고 하는데, 이들은 지질 이중층을 통과하지 못함. 

세포밖의 용질입자의 대부분은 Na+과 Cl-임. 이들은 원형질막에 존재하는 이온채널을 통해 세포내로 수송됨. 그러나 앞서 보았듯이 원형질막에는 Na+/K+-ATPase가 존재하며, Na+을 세포 밖으로 능동적으로 퍼냄. 따라서 Na+은 세포내로 들어가지만, 바로 세포밖으로 퍼내져 마치 Na+은 전혀 세포안으로 들어오지 않은 것처럼 보임. 이런 이유로 세포밖에 존재하는 Na+ 은 비투과성 용질처럼 행동함. 또한 세포내로 들어온 Cl-은 2형 능동운반체와 막 전위에 의한 전기적 반발때문에 세포밖으로 퍼내져, 결국은 세포밖의 Cl- 도 비투과성 용질처럼 행동함. 

세포안에서 가장 중요한 용질입자는 칼륨이온과 여러가지 유기용질들임. 대부분의 유기용질은 커다란 극성분자들로 원형질막을 통과할수 없음. 비록 칼륨이온이 K+채널을 통해 확산에 의해 세포밖으로 빠져나갈 수 있지만 이들은  Na+/K+-ATPase에 의해 세포안으로 능동수송됨. 이러한 작용결과 세포 밖의 Na+이나 Cl-과 마찬가지로 K+도 원형질막을 통과하지 못하는 용질처럼 행동하는데, 이 경우에 K+이 세포내액에 가둬져 있다는 것이 다름. 따라서 Na+과 Cl- 은 세포밖에서, 반면 K+과 유기 용질은 세포안에서 원형질막을 사이에 두고 비투과성 용질처럼 행동하게 됨. 

세포밖 수용액의 삼투농도는 285-300mOsm정도임. 물이 원형질막을 가로질러 확산할 수 있기 때문에 세포내액과 세포외액은 확산평형에 도달함. 평형에서는 세포내액의 삼투농도와 세포외액의 삼투농도는 300mOsm로 같음. 세포외액의 삼투농도가 변하면 물이 원형질막을 통과하기 때문에 세포는 이장의 도입부분에서 보여준 사진처럼 쭈그러들거나 부풀어 오름. 

만약 세포내액의 삼투농도가 300mOsm인 세포를 막을 통과하지 못하는 용질이 녹아있는 300mOsm 수용액에 넣으면 세포 안팎의물의 농도가 같기때문에 세포는 쭈그러들지도 않고 부풀어오르지도 않으며, 용질의 이동도 없음. 이와같은 용액을 등장액(isotonic solution)이라고 하며, 세포 크기의 변화를 일으키지 않는 용액을 의미함. 등장액은 정상적인 세포외액과 동일한 비투과성 용질농도를 갖는 용액으로 정의함. 

반면 세포내액보다 낮은 농도의 비투과성 용질을 갖고 있는 수용액 즉 저장액(hypotonic soultion)에서는 삼투현상에 의해 물이 세포밖에서 안으로 들어오기 때문에 물이 세포밖에서 안으로 들어오기 때문에 세포가 부풀어 오름. 고장액에서는 세포내액이 물의 농도가 낮은 세포내액으로 빠져나가기 때문에 세포는 쭈그러듬. 수용액의 전체 삼투농도가 아니라 비투과성 용질은 수용액의 장성에 기여하지 않음. 

다른 용어인 등삼투성, 저삼투성, 고삼투성은 용질이 막을 투과하든 못하든 정상적인 세포외액과 비교하여 수용액의 삼투농도를 나타냄. 따라서 이두가지 용어들은 동의어가 아님. 예를들어 각각 140mOsm의 비투과성 Na+및 Cl-  그리고 100mOsm의 막을 통과하는 요소가 녹아있는 1리터 용액의 전체 삼투농도는 400 mOsm이 되고 따라서 고삼투성임. 그러나 이 용액은 또한 등장액으로용액안에 세포를 넣어도 세포의 부피는 변하지 않을 것임. 처음에는 세포내액의 물이 세포외액으로 이동하여 세포는 쭈그러듬. 하지만 세포밖의 요소가 재빨리 세포안으로 확산하여 세포외액의 농도가 같게 됨. 따라서 세포안과 세포 밖의 용액은 삼투농도가 같게  됨. 결과적으로 세포밖 용액이 고장액 상태로 존재해도 세포안팎에 물의 농도차이는 존재하지 않게 되고, 세포의 부피변화도 없음. 따라서 정상값이 300mOsm보다 높더라도 세포외액의 고삼투성이 유지되는 이유임. 

아래 표는 용액의 삼투농도와 긴장성을 서술하는 용어 설명. 

4. 세포내 섭취작용과 세포외 배출작용

endocytosis

exocytosis

세포내 섭취작용

일반적으로 세가지 유형의 세포내 섭취가 세포에 존재함. 

1) 음세포 작용(pinocytosis)

음세포작용에서는 내포낭이 적은 양의 세포외액을 둘러싼다. 어떤 용질이 있던지 소낭이 단순히 세포외액의 물을 둘러싸기 때문에이 과정은 특이적이다. 이런 용질로는 이온, 영양소나 크기가 작은 어떤 세포외 분자들이든 가능하다. 

2) 식세포 작용(phagocytosis)

식세포 작용에서 세포는 박테리아나 손상된 조직읜 세포잔해같은 큰조각을 삼킨다. 이 세포내 섭취작용에서는 위족이라 불리는 원형질막이 확자오디어 입자표면을 완전히 둘러싼 후 전체를 삼킨다. 

3) 수용체-매개성 세포내 섭취작용(receptor-mediated endocytosis)

수용체-매개성 세포내 섭취작용에서는 세포외액의 특정분자가 원형질막의 외부표면에 있는 특정단백질과 결합한다. 이런 단백질을수용체라고 하며, 각 수용체는 하나의 리간드하고만 높은 친화성을 가져 이를 인식한다. .. 

수용체

클라스린

클라스린-피복 소공

콜레스테롤은 클라스린-의존적인 수용체-매개성 세포내섭취작용에 의해 세포내로 들어가는 리간드의 한 예이다. 

세포음수작용

포낭

세포외 배출작용

세포외 배출작용은 세포에서 두가지 중요한 기능을 수행한다. 1) 세포내 섭취에 의해 제거된 세포막의 일부를 대체하는 역할과 이 과정에서 막의 성분을 새로 추가하는 일 2) 세포에 의해 합성되지만 막을 통과하지 못하는 분자들(단백질, 호르몬 등)을 세포외액으로 분비하는 경로를 제공

세포외 배출작용에 의한 물질의 분비는 대부분의 세포에서 세포내 칼슘농도를 증가시키는 자극에 의해 촉발됨. 

5. 상피수송

상피세포는 속이 비어있는 기관이나 관의 내면을 에워싸고 이러한 표면을 통과하는 물질의 흡수와 분비를 조절함. 

내강막

기저막

세포간극 경로

세포횡단 경로

[정혜]

고맙습니다