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원형질막이 수송 기능을 수행할 때는 매우 선택적입니다. 어떤 물질은 거의 간섭 없이 쉽게 통과할 수 있는 반면, 다른 물질은 세포내로 들어갈 수도 없고 떠날 수도 없습니다. 이같은 수송 메카니즘에 관해 정리하였습니다.
수송 메카니즘에 관하여
수송 메카니즘
물질이 막을 통과할 수 있는 정도를 막의 투과성(permeability)이라고 정의합니다. 원형질막은 어떤 물질에 대해서는 더 투과성이 높기 때문에 선택투과성(selective permeability)을 가진다고 합니다. 원형질막에 의한 물질의 출입은 많은 요인에 의해 영향을 받지만 가장 중요한 것은 그 물질의 크기, 극성, 그리고 전하입니다. 일반적으로 작고 비극성인 물질(산소와 질소 같은), 그리고 작고 약간 극성을 띠나 전하를 갖지 않은 분자(물, 이산화탄소, 글리콜, 요소 같은)는 쉽게 막을 통과할 수 있습니다. 그러나 포도당과 설탕 같은 다소 큰 분자는 스스로 막을 통과하기가 매우 어렵습니다. 또한 나트륨, 칼륨, 칼슘 이온 같은 전하를 띤 물질도 어떤 방식으로든 도움을 받지 못하면 막을 통과할 수 없습니다.
세포의 저장 에너지가 수송 과정에서 사용되는지의 여부에 따라 일반적으로 두 가지 방식으로 세포 수송이 이루어진다는 것을 언급한 바 있습니다. 이 두 가지 방식은 수동수송(passive transport)과 능동수송(active transport)입니다. 이것의 차이는 무 엇이 분자와 이온의 이동을 일으키느냐에 달려 있습니다.
수동수송
수동수송에서 물질의 이동은 주어진 공간에서 물질 분포의 차이로 나타나는 물질의 농도기울기(concentration gradient)에 대한 반응으로 일어납니다. 주목할 것은 수동수송은 세포의 저장 에너지를 요구하지 않는다는 점입니다. 여 기에는 확산, 삼투현상, 촉진확산 등이 포함됩니다.
1. 확산
확산(diffusion)은 원자, 분자, 또는 이온이 그 농도기울기에 의거하여 이동하는 것입니다. 예를 들어 여러분이 이 책을 읽으면서 내쉬는 숨은 이산화탄소 농도기울기를 여러분 얼굴과 주위에 형성시킵니다. 때문에 여러분의 얼굴 앞에는
1m 떨어진 곳보다 더 많은 이산화탄소가 있습니다. 그리고 이 이산화탄소는 농도가 적은 곳으로 확산되어 가려고 합니다(이것은 공기 이동에 의해 도움을 받는다). 이 분자는 주위 전쳬에 고르게 퍼질 때까지 계속 이동할 것입니다.
확산은 절대 온도 0보다 높은 온도에서는 원소, 이온, 분자 같은 물질이 항상 운동 상태에 있기 때문에 가능합니다. 이 것은 기체, 액체, 고체에서도 마찬가지입니다. 비록 고체에서는 이런 운동이 단순히 물질의 진동으로 나타날 수도 있습니다. 운동은 액체와 기체에서 훨씬 자유롭습니다. 기체 상태의 물질은 이동할 수 있는 속도가 매우 큽니다. 예를 들어 실온에서 수소 원소는 시속 수천 km의 속도를 낼 수 있는데 이동 거리는 불과 몇 nm 정도입니다. 그러한 운동은 온도가 높아짐에 따라 활발해집니다. 중요한 점은 물질의 이동은 물질이 서로 충돌하고 반동되어 새로운 경로를 가지면서 무작위로 일어난다는 것입니다.
확산이 일어나기 위해서는 물질의 분포가 균등하지 않아야 합니다. 즉 농도기울기가 필요합니다. 이러한 농도기울기가 존재하면 물질은 고농도에서 저농도로 이동하려는 경향을 가지며 그런 방향으로의 이동은 더 큰 자유도를 가집니다. 이러한 경향은 물질이 주어진 공간내에 골고루 퍼질 때까지 계속됩니다.
다시 말해 확산이란 무작위적인 분포가 될 때까지 농도기울기에 따라 물질이 적게 존재하는 쪽으로의 순이동(net movement)을 말합니다. 균등한 분포에 도달하면 물질은 역동적인 평형 상태(dynamic equilibrium)에 도달합니다. 이것은 운동이 전과 같이 계속되나 어떤 방향으로의 순이동은 없다는 것을 의미합니다. 정의에 의해 확산은 이 시점에서 정지될 것입니다.
한 체계에 존재하는 에너지란 관점에서 확산을 생각해 봅시다. 물질의 농도란 어느 한 체계의 구성 성분이 역동적 평형 상태에 있는 체계보다 더 큰 에너지를 가진 체계를 의미합니다. 물질의 원소, 이온, 또는 분자가 무작위로 분포할 때에 이들은 확산만을 고려한다면 가장 낮은 에너지 상태에 도달되어 있는 것입니다.
확산은 증명하기가 쉽습니다. 밝은 색깔을 띠고 용해성인 한 덩어리의 물질을 물이 가득 찬 유리 용기에 넣으면 이 물질은 곧 녹기 시작하고 물 전체로 퍼져나갑니다. 녹고 있는 물질은 매우 농축된 것이며 물로 구성된 그 물질의 환경과는 가파른 농도기울기를 형성합니다. 색깔이 점차 퍼지고 일정 시간이 지나면 그 물질이 용액 속에 완전히 녹아 색깔의 기울기도 사라질 것입니다. 이것은 물질의 원소, 이온, 또는 분자들이 농도기울기가 낮은 쪽으로 확산되어 무작위로 분포되었다는 것을 의미합니다. 방향성 운동만 고려할 때 그 입자들은 역동적 평형 상태에 있는 것입니다.
2. 확산과 생명
살아 있는 세포는 확산을 통해 이점을 얻는데, 특히 가스교환에서 확산은 중요한 역할을 합니다. 호기성 생물, 즉 산소를 요구하는 생물체인 우리 자신은 세포들이 계속적으로 산소 공급을 요구하고 그 산소는 호홉 과정에서 빨리 사용된
다는 것을 알고 있습니다. 또 한 호홉을 거치면서 우리의 세포는 계속적으로 이 과정의 노폐물인 이산화탄소를 생성합니다. 그래서 이산화탄소 농도는 세포내에서 매우 높고, 산소는 세포 밖에서 더 높은 농도로 존재합니다. 이 경우에 두 기체의 순이동은 반대 방향이어서 두 기체는 각각 저농도 쪽으로 이동합니다. 세포내에서 기체의 순이동이 좀더 간단하기 때문에 주로 기체를 강조하여 설명하였습니다. 물과 같은 액체의 이동은 약간 더 복잡합니다.
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