[생명과학] 물질 수송의 메커니즘

 

 

물질은 세포막 안팎으로 어떻게 수송될까? 내부가 소수성인 세포막을 어떻게 통과하는지는 물질의 특성에 따라 다르다. 

 

1. 지질을 통한 수송

(1) 단순 확산(simple diffusion)

원자, 분자, 이온 등의 물질이 지질막을 통해 에너지 소모 없이 고농도에서 저농도로 농도 기울기에 따라 이동하는 현상이다.

물질의 이동은 막을 기준으로 양쪽이 동적 평형에 도달할 때까지 이루어진다. 생체 내에서 이산화탄소나, 산소 등 가스가 교환될 때 단순 확산 현상이 나타난다.

 

(2) 삼투 현상(Osmosis)

극성의 분자가 지질막을 통과하지 못해 생성된 농도 기울기에 따라 용매(물)가 반대로 저농도에서 고농도로 이동하는 현상이다.

 

1) 동물세포

고장액: 동물세포를 고장액에 넣으면 동물세포 내의 물이 바깥으로 빠져나가면서 세포가 수축한다.

등장액: 동물세포를 등장액에 넣어도 세포의 변화가 없다.

저장액: 동물세포를 저장액에 넣으면 세포가 물을 흡수하면서 팽창하게 되고 결국 터지게 된다.

 

2) 식물세포

고장액: 식물세포를 고장액에 넣으면 식물세포 내의 물이 바깥으로 빠져나가면서 세포가 수축하고, 세포벽과 세포막이 떨어지면서 원형질 분리가 일어난다.

등장액: 식물세포를 등장액에 넣어도 세포의 변화가 없다.

저장액: 식물세포를 저장액에 넣으면 세포가 물을 흡수하면서 팽창해 팽윤 상태가 된다.

 

 

2. 막 단백질을 통한 수송

(1) 촉진 확산(facilitated diffusion)

물질이 막 단백질을 통해서 에너지 소모 없이 고농도에서 저농도로 농도 기울기를 따라 이동하는 현상이다. 특정 물질이 특이적으로 수송된다. 단순 확산과 달리 수송하는 물질이 많으면 수송 속도는 결국 포화되어 일정해진다.

 

1) 채널(Channel)

채널은 물질이 이동할 경우 구조 변화가 일어나지 않는 막 단백질이다.

 

-비개폐성 채널(Non-gated channel): 열리거나 닫히지 않는 채널로 누수 채널이 대표적인 예시다. 거의 모든 세포에 존재하며 보통 세포막에는 칼륨 누수 채널이 나트륨 누수 채널보다 훨씬 많다.

 

-개폐성 채널(Gated channel): 열리거나 닫힐 수 있는 채널로 전압 개폐성 채널이 대표적이다.

 

-리간드 개폐성 채널(Ligand-gated channel): 신경과 근육 연접에 있는 아세틸콜린 수용체 채널이 대표적이다. 신경에서 방출된 아세틸콜린이 채널에 결합하면 문이 열리면서 골격근 세포의 탈분극이 일어난다.

 

-기계적 개폐성 채널(Mechanically-gated channel): 청각의 성립에 관여하는 유모세포에 있는 채널로 섬모가 덮개막에 닿아 꺾이면서 채널이 열리고 닫히는 것이 조절된다.

 

2) 단일 수송체(Uniporter)

물질이 이동할 때 구조 변화가 일어나는 막 단백질이다. 포도당 수송체인 GLUT(Glucose transporter)가 대표적인 예시다.

 

 

(2) 1차 능동 수송

ATP 등 에너지를 직접 소모하면서 물질이 저농도에서 고농도로 농도 기울기를 역행해 이동하는 현상이다. 물질만이 특이적으로 수송된다. 

 

1) ATP 구동 펌프(ATP-powered pump)

 

-P형 펌프(P type pump)

ATP가 가수분해되면서 떨어져 나온 인산이 펌프에 붙어 구조 변화를 일으키고 이를 통해 물질이 이동한다. 동물 세포막의 나트륨/칼륨 펌프, 식물 세포막의 수소 펌프, 수소/칼륨 펌프, 칼슘 펌프 등이 그 예다.

 

-F형 펌프(F type pump)

수소가 농도 기울기에 따라 이동하는 힘에 따라 F0F1 복합체가 작동하면서 ATP가 합성된다. 미토콘드리아 내막, 엽록체의 틸라코이드 내막, 세균 세포막에 F0F1 복합체가 있다.

 

-V형 펌프(V type pump)

F형 펌프와 구조가 유사하며 리소좀, 액포 등의 소낭에 있는 수소 펌프가 그 예다.

 

-ABC(ATP-binding cassette) 수송체

아직 제대로 밝혀진 바 없으며 아미노산, 단백질, 금속이온, 지질, 약물 등을 수송한다.

 

2) 빛 구동 펌프(Light-powered pump)

호염성 세균의 일종인 Halobacterium의 세포막에서 발견된 박테리오돕신이 대표적인 예시다. 빛을 받으면 펌프 내부의 trans-레티날이 cis-레티날로 바뀌면서 수소를 세포 밖으로 방출한다.

 

(3) 2차 능동 수송

1차 능동 수송으로 형성된 나트륨이나 수소 기울기를 이용하여 다른 물질이 저농도에서 고농도로 농도 기울기를 역행하여 이동하는 현상이다. 여기서 중요한 점은 ATP 등의 에너지를 직접 쓰지 않는다는 것이다. 특정 물질을 특이적으로 수송하고 물질이 이동할 경우 막 단백질의 구조가 변화한다.

 

1) 동방향 수송체(Symporter)

1차 능동 수송으로 형성된 농도 기울기에 따라 움직이는 방향과 같은 방향으로 수송되는 막 단백질이다.

 

2) 역방향 수송체(Antiporter)

1차 능동 수송으로 형성된 농도 기울기에 따라 움직이는 방향과 다른 방향으로 수송되는 막 단백질이다.

 

 

3. 거대 분자의 수송

지나치게 큰 분자나 특수한 신호로 이동하는 물질일 경우 소낭을 통해 수송이 이루어진다.

 

(1) 세포와 주변 환경 사이의 수송

1) 엑소시토시스(Exocytosis)

세포 안의 소낭에 담겨져있는 물질을 세포 밖으로 방출하는 과정이다. 분비 소낭이 세포막과 융합하면서 분비하거나 칼슘 신호에 따라 세포막과 융합하면서 분비한다.

 

2) 엔도시토시스(Endocytosis)

세포 밖의 물질을 세포 내로 함입하는 과정이다. 

 

-파고시토시스(Phagocytosis): 고형의 큰 물질이 비특이적 수용체에 결합하면 미세섬유가 위족을 형성해 세포막을 함입한다.

 

-피노시토시스(Pinocytosis): 액상의 작은 물질이 비특이적 수용체에 결합하면 클라트린 단백질이 중합체를 형성해 함입시킨다.

 

-클라트린 매개 엔도시토시스: 특정한 분자가 특이적 수용체에 결합하면 클라트린 단백질이 중합체를 형성해 함입시킨다.

 

3) 트랜스시토시스(Transcytosis)

세포막의 한쪽에서 소낭을 형성한 후 세포질을 가로질러서 반대쪽으로 물질이 배출되는 과정이다.

 

(2) 세포 소기관 사이의 수송

세포 내의 막성 소기관들은 소낭을 형성하여 물질을 서로 교환한다.