생리학에 관하여 - 세포막을 통한 물질의 이동1

1. 수동수송

 수동수송이란 세포막을 통한 물질의 운반이 농도차, 전위차, 압력 차에 의해 내리막 방향으로 일어나는 물질이동 방법이다. 그 예로는 확산, 삼투, 여과 등이 있다.

1-1. 확산(단순확산)

 액체나 기체 상태의 분자들은 끊임없이 열운동을 하므로 일정한 공간 안에서 균일하게 분포하게 된다. 수용액의 일부 부위에서 용질의 농도가 높을 경우, 용질 분자들은 무작위적 열운동에 의해 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하므로 전체 수용액의 농도가 균일해진다. 이러한 현상을 확산 또는 단순확산이라 한다.

 인접한 두 구획에서 농도가 서로 다른 것을 농도경사 또는 화학적 경사라 한다. 용질의 농도 차이가 있는 두 구획 사이의 막이 용질에 투과성이 있을 때, 용질의 농도가 높은 구획으로부터 낮은 구획으로 용질이 확산되며 막 양쪽의 농도가 동일해질 때까지 확산된다. 생체 내에서 산소, 이산화탄소와 같은 기체나 지질 용해성 영양물질은 농도경사에 의해 확산되어 모세혈관, 세포막 및 세포 소기관 막을 통과한다. 이때 막을 통한 확산 속도는 물질이 막 지질층에 녹는 정도에 의존하며, 확산 속도는 다음과 같은 요인들에 의해서도 영향을 받는다.

 - 농도경사: 농도경사가 클수록 확산 속도는 빠르다.

 - 분자량: 이동되는 물질의 분자량이 적을수록 확산 속도가 빠르다.

 - 세포막의 투과성: 이동되는 물질의 지질 용해성이 높거나, 이동되는 물질에 대한 세포막의 투과성이 클수록 확산 속도가 빠르다. 이동되는 물질 분자가 음이온 상태일 때 확산이 빠르다. 예를 들면 신경 세포막은 막의 내외에 분극을 이루어 안쪽이 음극, 바깥쪽이 양극으로 전하를  띠므로 음이온 물질이 바깥쪽의 양극에 의해 끌어당겨져 막의 밖에서 안쪽으로 통과하기 쉽다.

 - 세포막의 표면적: 확산이 일어나는 세포막의 표면적이 넓을수록 확산이 쉬워져 확산 속도가 빠르다.

1-2. 촉진확산

 일부 극성 분자들은 세포막의 지질층을 통과할 수 없음에도 불구하고 세포 안과 밖을 자유롭게 이동한다. 이런 극성분자들은 대부분 세포막에 있는 수송단백질에 의한 촉진확산에 의해 이동한다. 촉진확산은 단순확산과 동일하게 용질이 농도경사와 동일한 방향으로 이동하므로 이 과정에 에너지를 필요로 하지 않으며, 막 양쪽의 용질 농도가 동일해질 때까지 물질이동이 일어난다. 그러나 단순확산과 달리 촉진확산은 이동 과정에 특정 통로 단백질이나 수송단백질이 필요하다.

 포도당은 막 지질에 잘 녹지 않으나 수송체의 도움으로 막을 잘 통과할 수 있다. 막단백질인 이온 채널은 선택적으로 특정 이온만을 통과시킨다. 포도당 분자는 세포막에 존재하는 포도당 수송체인 GLUT에 의해 수동적으로, 즉 고농도 구획에서 저농도 구획으로 농도경사를 따라서 촉진확산에 의해 이동된다.

 포도당의 농도가 세포 밖이 더 높으면 세포 바깥쪽에서 세포 안쪽으로 포도당이 이동하고, 그와 반대라면 세포 바깥쪽으로 이동한다. 포도당이 포도당 수송체에 의해 세포 안으로 이동되는 속도는 포도당 수송체의 수뿐만 아니라 수송체 내 포도당 결합 부위의 포도당에 대한 친화도 등에 의해 영향을 받는다. 인슐린은 근육세포와 지방세포의 세포막 내 포도당 수송체의 수를 증가시킴으로써 포도당이 세포 안으로 유입되는 속도를 증가시킨다. 그러나 당뇨병으로 인해 인슐린이 부족하거나 인슐린 내성이 생기면 혈액 내의 포도당이 효율적으로 세포 안으로 수송되지 못하므로 혈당이 증가된다.

1-3. 삼투

 삼투란 용매가 막을 통과하여 확산되는 현상이다. 두 구획의 물과 용질의 농도가 각각 다르고 두 구획이 물만 투과시키는 막에 의해 구분되었다고 하면, 물 자체의 농도 경사에 따라 물분자가 농도가 높은 곳(낮은 용질 농도)에서 낮은 곳으로 확산될 것이다. 이러한 물의 순확산을 삼투라 한다. 이와 같이 삼투가 일어나려면 막이 물과 같은 용매에 대해서는 투과성이 있으나 용질에 대해서는 투과성이 없어야 하며, 이러한 선택적 투과성을 지닌 막의 양쪽에 용질 농도에 차이가 있어야 한다. 이때 물 분자의 순이동으로 인해 막 양쪽의 용질 농도가 동일해질 때 삼투현상이 끝나게 되며, 그 결과 막 양쪽의 두 용액의 농도는 같아지고 용적은 달라진다.

 1️⃣ 삼투압

 반투성 막의 왼쪽 구획에는 알부민 용액이 들어 있고, 오른쪽 구획에는 물이 들어 있다고 가정할 때, 오른쪽 구획의 물이 왼쪽 구획으로 이동하는 삼투현상이 일어나게 된다. 이때 삼투현상을 막기 위해 가해지는 힘을 그 용액의 삼투압이라 한다. 이와 같이 삼투압이란 불투과성 용질과 그에 따른 물의 상대적 농도 차이로 인해 용질의 농도가 높은 쪽으로 물이 이동하려는 경향을 뜻한다.

 혈장과 조직액에서 단백질 농도가 다를 때에도 삼투현상이 일어난다. 예를 들면 신장질환이나 영양불량으로 혈장의 단백질 농도가 낮아지면 혈장의 삼투압도 낮아지므로 조직액으로 물분자가 이동하여 조직액이 과다하게 축적되어 부종이 나타난다.

 삼투압은 용질의 화학적 성질과는 관계가 없으며 물 농도에 따라 삼투압이 달라진다. 1M의 포도당 용액, 즉 1몰의 포도당이 1리터 물에 녹아 있을 때 1삼투몰농도라 하며 1Osm(오스몰)로 나타낸다.

2️⃣ 장성

 장성이란 "반투성막으로 분리된 두 용액의 삼투압 차이"를 의미하며, 세포 주위를 둘러싸고 있는 용액의 장성에 따라 세포의 부피가 유지될지, 부풀지 또는 쭈그러들지 등이 결정된다. 생리식염수와 같이 불투과성 용질이 세포와 동일한 농도로 녹아 있는 용액을 등장액이라 한다. 세포막은 생리식염수의 물분자는 통과시키나 NaCl은 통과시키지 않으며, 생리식염수의 불투과성 용질의 농도는 세포와 동일하다. 따라서 생리식염수를 정맥으로 주입하면 세포막을 통한 물의 순이동이 일어나지 않으므로 세포의 부피가 변화되지 않는다.

 보통 적혈구가 떠있는 혈장은 적혈구와 동일한 삼투압적 활성을 갖고 있으나, 적혈구가 혈장보다 저농도 용질의 용액 즉, 저장액에 담겨지게 되면 적혈구의 삼투압적 활성으로 인해 세포 밖의 물이 세포 안으로 들어간다. 그 결과 저장액 속에서는 적혈구의 부피가 증가하다가 결국은 터지게 되는데 이를 용혈이라 한다. 그러나 적혈구가 혈장보다 고농도의 불투과성 용질을 갖는 용액 즉, 고장액에 담겨지면 삼투에 의해 적혈구 내의 물이 세포 밖으로 빠져나가므로 그 결과 세포는 쭈그러든다.

 인체에 탈수가 일어나면 전체 혈액은 농축된 상태가 되고 그 결과 혈장의 삼투압이 증가된다. 혈장의 삼투압이 증가되면서 시상하부의 삼투압수용기를 자극하여 갈증감각을 일으키므로 탈수된 사람은 물을 더 많이 마시고 소변을 덜 배설하여 혈장 농도 즉 혈장 삼투압의 항상성을 유지시킨다.

1-4. 여과

 여과란 막의 내외에 압력 차이가 있을 때 액체가 압력차에 의한 물리적인 힘에 의해 막을 통과해 이동하는 현상이다. 체내에서 여과에 의해 물질이 이동하는 예로는 혈압에 의한 모세혈관에서의 체액이동을 들 수 있다. 신장의 사구체에서는 사구체 수입동맥과 수출동맥의 내경 차이가 모세혈관벽을 통해 작은 분자들을 보우만주머니로 여과하는 압력을 제공한다. 사구체에서는 물이나 이온과 같은 작은 분자는 보우만주머니로 여과되지만 단백질과 같이 큰 분자는 여과되지 않는다.