[생리학] 세포막을 통한 물질 이동 - 확산

우리몸 속 60%의 액체 속의 1/3정도가 세포 외액인데 그 중에서 80%정도가 세포 사이액이고 20%정도는 혈장이다

이러한 체액들은 체내를 이동하면서 조직세포의 영양분이나 산소를 이동하고 노폐물을 운반, 제거하는 역할을 한다

 

체액에서 세포 외액과 세포 내액의 구성성분은 조금 다르다. Na+와 Cl- 같은 경우 세포 외액에서 더 높은 농도를 띈다.

왜 이러한 차이가 나타날까?

 

우선 세포막의 지질 장벽과 수송 단백질에 대해서 알아봐야한다

세포막을 관통하는 대부분의 단백질은 운반단백질로 작용한다

 

일부 물질(주로 지용성 물질)들은 지질 자체를 통하여 확산됨으로써 이중 지질막을 통과할 수 있다 (simple diffusion)

 

difussion(확산)같은 경우 이동하는 물질 분자들의 무작위적인 분자 운동을 의미한다

확산을 유발하는 에너지는 이동하는 물질의 정상적인 운동 에너지이다.

 

active transport (능동 운반)은 수송 단백질을 통하여 이온이나 다른 물질들을 에너지 경사에 역행하여 농도가 낮은쪽에서 높은쪽으로 이동시키는 과정이다. 이 경우에 추가적인 에너지 공급원이 필요하다

 

단순 확산 (Simple diffusion)

 

1msec 동안의 액체 분자 확산

모든 분자의 이온들의 각각의 입자는 각자의 방향으로 지속적으로 운동한다

이러한 입자들의 운동은 "열(heat)" 이다

절대온도가 0인 경우를 제외하면 어떤 조건에서도 멈추지 않는다

각 분자끼리의 정전기적 힘이 서로 다른 분자를 밀어낸다

이는 고농도에서 저농도로 이루어지고 에너지를 소비하지 않는다

 

단순 확산

- 수송단백질과 결합하지 않고 세포막의 구멍이나 지질 분자 사이의 틈새를 통하여 일어난다

- 지용성인 경우 이중 지질막 틈새를 통함 / 나머지 물질은 수용성 통로를 통하여 이동

- 이동하는 물질의 양이 많을수록, 속도가 높을수록, 세포막의 구멍의 수가 많을수록, 크기가 작을수록 빨리 이동함

 

촉진 확산

- 수송 단백질의 작용이 필요하다

 

지용성 물질의 확산

- 산소, 질소, 이산화탄소나 알코올은 지질 용해도가 높아서 이중 지질막에 직접 녹을 수 있다

- 세포막을 통한 이들 물질의 확산 속도는 지질 용해도에 직접 비례한다

 

물과 비지용성 분자들의 단백질 통로를 통한 확산

- 물같은 경우 세포막 지질에 거의 안녹지만 단백질 분자로 이루어진 통로를 통해서 쉽게 통과

 

선택적 투과성과 여닫이

- 직경과 전하는 구멍의 종류마다 달라서 특정 물질만이 이 구멍을 통과하도록 하는 선택성을 보인다 (ex. 아쿠아포린)

- 통로의 여닫이는 전기신호 (voltage gated) 또는 화합물(ligand gated) 에 의하여 이루어진다 

 

위 사진과 같이 selectivity filter에 의해 선택적으로 포타슘을 통과시킨다. 여과 장치 안쪽에 카르보닐 산소들이 정렬되는데 이 산소가 결합장치로 작용한다. 이 산소의 위치는 소듐이 결합하기엔 너무 멀리 떨어져있어서 훨씬 큰 포타슘이 여기에 결합하는 것이다

 

막전압 여닫이 (voltage gating) - 소듐 통로

- 안쪽 면이 강한 음전하를 가진다

- 강한 음전하가 소듐 이온들을 둘러싸고 잇는 물 분자로부터 소듐 이온을 통로의 안쪽으로 끌어온다

화학적 여닫이 (ligand-gating)

- 아세틸콜린 통로에 대한 아세틸콜린의 작용같은 경우 예로 들면 아세틸콜린이 통로의 문을 열어 음전하를 띈 지름 0.65nm정도의 구멍이 만들어지면 이 구멍보다 작은 분자들 중 전하를 띠지 않는 분자 또는 양이온들이 이동할 수 있다

 

통로의 열림과 닫힘 상태

- 이온 통로를 통한 전류의 흐름에는 일정한 크기로 흐르거나 전혀 흐르지 않음. 즉 실무율(all or none)

 

 

촉진 확산 (Faciliated diffusion)

특정한 수송단백질이 관여하기때문에 '수송체매개확산'이라고도 불린다

 

촉진확산에서 확산 속도 제한 인자

- 수송 단백질 내부에 운반 물질의 수용체가 존재

- 운반 대상과 수용체 결합 -> 수송 단백질의 구조적 변화 -> 반대편 통로 열림 -> 물질을 유리

- 이러한 방법의 물질 운반 속도는 수송 단백질의 가역적 구조 변화 속도보다 빠르게 진행될 수 없음

- 양방향으로 가능하다는 점

 

촉진확산으로 세포막을 통과하는 주요 물질은 포도당과 대부분의 아미노산

 

포도당 운반체 4번이 중요함

 

 

총 확산속도를 결정하는 인자들

단순 농도 - '총 확산속도는 세포막을 사이에 두고 존재하는 농도 차이에 비례한다'

 

 

막전위 - 막전위의 영향 'nernst 전압'

 

세부적으로 알지는 않더라도 화학-전기적 에너지의 평형일때를 구할 수 있다는 정도만 알고 넘어갔다

 

 

압력차 

 

예를 들면 모세혈관 안쪽의 압력이 바깥쪽에 비해 20 mm Hg 정도 높아서 안쪽에서 바깥쪽으로 물질이 이동하게 된다

 

 

삼투(osmosis) - 물의 '순 확산'

 

물은 세포막을 자유롭게 이동하는 물질중 가장 많이 움직인다. 하지만 정상적인 경우 양쪽 방향으로 똑같은 양이 움직여 순수 이동량은 0이다 -> 세포의 용적은 일정하게 유지됨

 

그러나 물의 농도 차이가 생길 수 있고 이 경우 물의 실제 이동이 생긴다

 

 

삼투압

 

삼투압이란 정확히 무엇인가?

 

위 그림과 같은 경우 물은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동해야하지만 NaCl 용액에 압력을 가하면 그 속도가 늦어진다. 이때 삼투를 정확히 멈추는데 필요한 압력의 크기를 삼투압이라고 한다.

 

그 압력은 위와같은 실험으로 측정 가능하다. 같은 높이였던 두 액체 사이에 반투과성 막을 설치하면 삼투로 인해 B에서 A쪽으로 물이 이동하는데 삼투가 끝나고 두 높이차로 압력을 구할 수 있다.

 

압의 크기를 결정하는 요소

 

용질 입자가 분자인지 이온인지, 질량이 큰지 작은지가 아닌 '단위 부피당 입자의 수'가 가장 중요하다.

삼투질 농도의 단위는 오스몰(osmole) 이라고 하고 1오스몰은 해리되지 않은 용질의 1그램 분자량과 같다. 예를 들어 포도당의 경우 1그램분자량에 해당하는 180g이 1오스몰이다. 세포외액과 세포내액의 정상 삼투질 농도는 물 1kg당 300 mosmole(미리 오스몰)이다.

 

실제로는 삼투질 농도보다는 '오스몰 농도'를 많이 측정하는데 이는 1kg 당 오스몰 수 대신 1리터당 오스몰 수로 나타낸 농도이다. 두 양적 차이는 1%이내이고 현실적인 이유로 생리학 연구에서는 오스몰 농도를 이용한다