[생리학] 세포막을 통한 물질 이동 - 일차능동운반

포타슘이나 나트륨 이온처럼 막을 사이로 농도 차이가 필요한 경우가 있다

- 포타슘 이온은 세포내에 더 높은 농도로, 나트륨 이온은 세포외에 더 높은 농도로 존재한다. 

 

분자나 이온이 농도 경사를 역행하여 오르막 이동할때 이를 능동운반(active transport)라고 한다.

 

일차 능동운반과 이차 능동운반

 

일차 능동운반에 이용되는 에너지: ATP또는 다른 고에너지 인산화합물의 분해에서 유래

 

이차 능동운반에 이용되는 에너지: 막의 양쪽 사이에 이온 농도 경사 형태로 저장되어 있는 것으로 이때의 농도 경사는 일차 능동운반에 의해 만들어지는 것

 

두 형태 모두 수송단백질에 의존하지만 그 기능은 촉진확산에서와 차이가 있다. 전기화학적 경사에 역행하기때문에 에너지를 사용한다

 

소듐-포타슘 펌프

소듐-포타슘 펌프

소듐-포타슘 펌프는 소듐이온과 포타슘 이온의 농도경사를 만드는데에 중요하고 음성전압을 만드는데에도 기여한다.

이 펌프를 자세히 보면 2개의 분리된 단백질로 되어있다. 

 

1. 알파 아단위

- 분자량 10만정도

- 세포 안쪽에는 소듐 3개 결합부위가, 바깥쪽에는 포타슘 2개 결합부위가 있다

- 소듐 결합부위 근처에 ATP분해효소 (ATPase) 활성이 존재

 

2. 베타 아단위

- 분자량 55,000 정도

- 단백질을 고정하는 역할정도만 알려짐

 

인산이 붙고 떼어짐에 따라서 펌프의 구조가 변화하고 그에 따라 포타슘과 소듐을 이동시킨다

 

다른 효소들에서와 같이 소듐-포타슘 펌프도 역방향 적용이 가능하다

 

소듐-포타슘 펌프의 중요성

- 세포의 부피를 조절하는 역할을 한다

- 이 펌프의 작용이 없으면 세포가 터질때 까지 팽창할 것이다. 그 이유는 세포 안쪽은 다수의 양이온을 끌어당기는데 이는 세포 안쪽으로 삼투를 유도하는 경향이 있다. 이에 대한 보상작용이 없으면 세포는 터질때 까지 팽창 할 것

- 소듐 이온은 포타슘 이온에 비해 세포막 투과도가 훨씬 낮기 때문에 세포 밖으로 나간 소듐 이온은 세포 밖에 머무르는 경향이 강하다

- 세포의 부피가 증가하면 자동적으로 소듐-포타슘 펌프가 활성되어 더 많은 이온과 함께 물이 세포 밖으로 이동하게 된다. 

- 결과적으로 세포 안쪽이 계속 -전하쪽으로 바뀌게 되므로 전기발생 펌프라고도 할 수 있다

 

 

칼슘 펌프

 

칼슘 이온의 일차능동운반

- 세포 안의 칼슘 농도는 세포 밖과 비교하여 10,000배정도 매우 낮게 유지된다

- 칼슘 이온을 세포 밖으로 빼내는 펌프와 세포내 소기관으로 이동시키는 펌프 두개가 존재한다

- 포타슘-소듐 펌프처럼 ATP를 분해하는 능력이 있다

- 칼슘이온은 우리몸에 중요한 신호전달 물질이기 때문에 세포 안에서 낮은 농도를 유지하는게 중요하다

 

수소 이온의 일차능동운반

1. 위장의 위샘

- 위샘의 벽세포(parietal cell)에서는 강력한 수소 이온의 일차능동운반이 관찰된다

- 위 속으로 분비된 수소 이온은 염소 이온과 결합하여 염산을 형성한다

보면 소듐-포타슘 펌프와 비슷한데 소듐 대신에 수소 이온이 위 내강으로 들어간다고 보면 된다. 배출된 염소 이온과 수소 이온이 결합하여 염산을 형성한다. 

 

2. 콩팥의 후위 먼쪽세관 및 겉질집합관 

- 신세관에서 수소 이온 운반은 먼쪽세관과 집합관 사이의 사이세포(intercalated cell)에서 볼 수 있다.

- 체액에 과다한 수소 이온이 있어서 산성 유지가 필요할 때 이들 세포를 통해 다량의 수소 이온이 혈액에서 요 중으로 분비된다

- ATP를 사용하여 세포 안의 수소 이온을 세포 밖으로 방출하게 된다

 

일차능동운반의 에너지학

- 막을 통한 물질의 능동운반에 요구되는 에너지의 양은 능동운반에 의해 물질이 농축되는 정도에 의하여 결정

- 물질을 10배 농축하는데에 필요한 에너지보다 100배 농축하는데에 에너지가 2배, 1000배 농축하는데에 에너지가 3배 필요하다

위 식에 의하면 1오스몰의 물질을 10배 농축시키는데에 필요한 에너지량은 약 1400cal

1오스몰의 물질을 100배 농축시키는데에 필요한 에너지량은 약 2800cal

- 세관세포나 많은 샘세포에서는 에너지의 사용량의 90%가 이러한 곳에 사용된다