세포막과 물질 수송
본문산소는 세포막을 그냥 뚫고 지나가 농도 차가 클수록 많이 들어온다. 그런데 포도당은 세포막을 직접 통과하지 못하고 막에 박힌 운반체 단백질을 거쳐야 한다. 포도당의 농도 차를 두 배, 다섯 배로 늘리면 들어오는 양도 그만큼 늘까? 또 세포는 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물질을 옮기기도 하는데, 이때는 무엇이 필요할까?
1.5.1세포막의 구조
세포막은 인지질 2중층에 단백질이 박혀 있는 구조이다. 인지질의 친수성 머리는 바깥과 안쪽의 물을 향하고, 소수성 꼬리는 가운데로 모인다. 그래서 산소, 이산화 탄소처럼 작고 극성이 없는 분자는 소수성 층을 쉽게 지나간다. 그런데 이온이나 포도당처럼 전하를 띠거나 극성이 큰 물질은 소수성 층을 지나지 못하므로, 막에 박힌 통로 단백질이나 운반체 단백질을 거쳐야 한다. 막단백질은 인지질 사이를 떠다니며 위치를 바꾸므로 이 구조를 유동 모자이크 모델이라 한다.
1.5.2수동 수송과 능동 수송
농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 에너지 없이 이동하는 것을 수동 수송이라 하며, 인지질 층을 직접 지나는 단순 확산과 막단백질을 거치는 촉진 확산이 있다. 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 ATP의 에너지를 써서 옮기는 것을 능동 수송이라 한다.
그림 1에서 농도 차를 바꾸어 보자. 단순 확산은 농도 차를 두 배로 하면 속도도 두 배이다. 그런데 촉진 확산은 운반체의 수가 정해져 있어, 농도 차가 커지면 모든 운반체가 쉬지 않고 일하게 되고 그 이상은 빨라지지 않는다. 즉 농도 차를 2 mM에서 4 mM으로 늘리면 들어오는 양은 1.3배쯤만 는다. 효소가 기질로 포화되는 것과 같은 원리이다.
신경 세포의 나트륨–칼륨 펌프는 ATP 하나를 써서 Na⁺ 3개를 밖으로, K⁺ 2개를 안으로 농도를 거슬러 옮긴다. 그래서 세포 안은 K⁺가, 밖은 Na⁺가 많은 상태가 유지되고, 이 차이가 신경 신호의 바탕이 된다.1
1.5.3예제 풀이
운반체를 거치는 포도당 수송 속도가 \(v = \dfrac{9c}{1.5 + c}\)(상대값, \(c\)는 농도 차 mM)라 하자. 농도 차가 1 mM, 2 mM, 10 mM일 때 속도를 구하고, 최대 속도의 절반이 되는 농도 차를 구하여라.
1 mM이면 \(\dfrac{9}{2.5} = 3.6\), 2 mM이면 \(\dfrac{18}{3.5} \approx 5.1\), 10 mM이면 \(\dfrac{90}{11.5} \approx 7.8\)이다. 농도 차를 10배로 늘렸지만 속도는 약 2.2배만 늘었다.
최대 속도는 \(c\)가 아주 클 때의 9이고, 절반인 4.5가 되려면 \(\dfrac{9c}{1.5 + c} = 4.5\)에서 \(c = 1.5\) mM이다. 즉 식의 1.5는 운반체가 절반쯤 바쁜 농도를 뜻한다. 그래서 혈당이 아주 높아져도 세포가 포도당을 받아들이는 속도에는 한계가 있고, 인슐린은 세포막에 운반체를 더 꺼내 놓아 이 한계를 높인다.
아래 탐구 카드에서 세포막이 무엇을 통과시키는지, 농도 차와 수송 속도의 관계, 소금물 속 세포가 쪼그라드는 까닭을 직접 확인해 보자.
- 우리 몸이 쉬고 있을 때 쓰는 ATP의 약 4분의 1이 나트륨–칼륨 펌프에 쓰인다고 어림한다. 신경 세포가 많은 뇌에서는 그 비율이 더 높다.
세포막은 인지질 2중층에 단백질이 박힌 구조로, 작은 무극성 분자는 단순 확산으로, 이온과 포도당은 막단백질을 거쳐 이동하며, 농도를 거스르는 이동에는 ATP를 쓰는 능동 수송이 필요하다. 그래서 처음 질문의 답은 '아니다'이다. 포도당은 운반체 수가 정해져 있어 농도 차를 늘려도 수송 속도가 포화되어 두 배가 되지 않는다.