원형질 분리

붉은 양파의 겉껍질을 얇게 벗겨 농도가 다른 설탕물에 10분씩 담갔다가 현미경으로 보았다. 묽은 설탕물에서는 세포마다 붉은 세포질이 세포벽에 꽉 차 있었지만, 진한 설탕물에서는 세포질이 오그라들어 세포벽에서 떨어져 있었다. 농도를 바꾸어 가며 오그라든 세포의 비율을 세니 0.3 M에서 30%, 0.4 M에서 70%였다. 이 숫자로 양파 세포 속 세포액의 농도를 어림할 수 있을까?

1.3.1물이 빠져나가는 세포

식물 세포의 세포막은 물은 잘 통과시키지만 설탕은 거의 통과시키지 않는다. 바깥 설탕물이 세포액보다 진하면 물이 세포 밖으로 빠져나가 세포질과 액포가 줄어든다. 세포벽은 단단해서 거의 줄지 않으므로, 줄어든 세포질이 세포벽에서 떨어지는데 이것이 원형질 분리이다. 바깥이 세포액보다 묽으면 물이 들어와 세포질이 세포벽을 밀며 팽팽해진다. 양파 껍질의 세포마다 세포액의 농도가 조금씩 달라서, 같은 설탕물에서도 어떤 세포는 분리되고 어떤 세포는 분리되지 않는다.

그림 1에서 0.3 M에서 30%, 0.4 M에서 70%이므로 둘 사이를 직선으로 이으면 50%는 약 0.35 M이다. 이 농도의 설탕물과 세포액은 물이 오가는 경향이 같다. 실험이 정확하려면 껍질을 충분히 오래 담가 평형에 이르게 하고, 한 슬라이드에서 적어도 수십 개의 세포를 세며, 경계가 애매한 세포를 셀지 말지 기준을 미리 정한다.¹

1.3.2되돌릴 수 있는가

원형질 분리된 세포를 증류수에 옮기면 물이 다시 들어와 세포질이 세포벽까지 부풀어 오른다. 이것을 원형질 분리의 복귀라 한다. 세포가 살아 있어 세포막이 물만 골라 통과시킬 때만 복귀가 일어난다. 끓는 물에 데친 껍질은 세포막이 망가져 설탕도 드나들므로, 진한 설탕물에 넣어도 원형질 분리가 일어나지 않는다. 그래서 원형질 분리와 복귀는 세포가 살아 있는지를 확인하는 방법으로도 쓰인다. 붉은 양파를 쓰는 까닭은 액포의 색소가 세포질이 줄어든 모양을 잘 보여 주기 때문이다.

1.3.3예제 풀이

0.3 M에서 30%, 0.4 M에서 70%이므로 0.1 M마다 40%포인트씩 늘어난다. 50%는 30%에서 20%포인트 더 간 곳이므로 \(0.3 + 0.1 \times 20/40 = 0.35\) M이다.

삼투압은 \(\Pi = 0.35 \times 0.0831 \times 298 \approx 0.87\) MPa로, 대기압의 약 9배이다. 양파 세포의 세포액은 이만한 삼투압을 가져, 물을 충분히 받으면 세포벽을 안에서 세게 밀어 조직을 단단하게 한다. 시든 채소를 찬물에 담그면 다시 아삭해지는 것도 세포 안으로 물이 들어와 이 압력을 되찾기 때문이다. 즉 원형질 분리 비율이 절반이 되는 농도로 세포액의 농도와 삼투압을 어림할 수 있다.

아래 탐구 카드에서 농도가 다른 설탕물에 양파 껍질을 담가 원형질 분리 비율을 세고, 세포액의 농도를 어림해 보자.

1. 원형질 분리는 19세기 독일의 식물학자 드브리스가 체계적으로 연구했다. 그는 여러 물질의 용액으로 같은 정도의 원형질 분리를 일으키는 농도를 비교하여, 반트호프가 삼투압 법칙을 세우는 데 중요한 자료를 제공했다.