세포막은 세포를 주변환경으로 부터 분리된 내부의 환경을 조성할 수 있도록 하는 경계선이다. 그러나 세포막은, 세포의 물질대사를 위하여 외부환경으로부터 물질을 통과시켜야하는데, 이 때, 아무 물질이나 통과시키지 않고, 선택적으로 통과시킨다. 어떻게 세포막은 필요한 물질만 선택적으로 통과시킬 수 있는지, 우선 그 구조에 대해서 알아보자.
목차
세포막의 구조와 기능
세포막은 앞 포스트에서 설명했듯이, 인지질 이중층을 가지고 있다.
2022.10.25 - [일반생물학] - [일반생물학 5-1강] 생물을 이루는 거대 분자 - 탄수화물, 지질
[일반생물학 5-1강] 생물을 이루는 거대 분자 - 탄수화물, 지질
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이 세포막은 필요한 물질에 선택적 투과성(selective permeability)을 가지고 있는데, 세포가 물질을 교환할 때, 이런 차별성은 필수적이다.
세포막은 다양한 방법으로 선택적 투과성을 갖는데, 이에 대해서는 다음 포스트에서 자세히 다루고, 세포막의 구조에 대해서 먼저 알아보자.
세포막의 구조: 인지질 이중층
세포막은 흔히 말하는 인지질 이중층으로 이루어져 있다. 인지질은 극성부분과 소수성 부분을 동시에 갖는 양친매성 분자(amphipathic molecule)인데, 이러한 성질에 의해서 소수성 꼬리끼리 맞닿아 있고, 친수성 머리가 물(세포기질)에 닿아서 이중층 구조를 형성한다.
세포막은 인지질 이중층에 막단백질이 끼어들어간 형태를 띠는데, 이 막단백질도 막지질과 같이 대부분 양친매성을 갖는다. 따라서 인지질 이중층을 통과하여 세포의 내부와 외부 모두에 접할 수 있는 형태를 띠고 있다. 이 막단백질들은 인지질 이중층에 고정되어 있는 것이 아니고, 유동적인 움직임을 보이는데 이를 유동 모자이크 모형(fluid mosaic model; 유동막 모자이크 모델)이라고 한다. 그렇다고 무작위적으로 단백질이 분포하는 것은 아니고, 주로 특정 부위에 결집되어 있어서 공통된 기능을 수행하는 경우가 많다.
전체적인 세포막은 이런 소수성 상호작용으로 인해 결합되어 있는데, 완전히 멈춰있는 것이 아니고 종종 막단백질이나 지질이 이동하는 모습을 보인다. 인지질들은 거이 1초당 1,000,000번쯤 위치를 바꾼다고 알려져 있고, 단백질은 이보단 느리지만 떠돌아 다니는 모습을 관찰할 수 있다.
어떤 막 단백질들은 방향성이 있게 이동하기도 하며, 운동단백질(2023.02.14 - [일반생물학] - 일반생물학 7_5강 세포골격(미세소관, 미세섬유, 중간섬유))에 의해서 운반되기도 한다. 물론 모든 단백질이 이동성을 갖는 것은 아니고, 세포골격이나 세포외기질에 붙은 막단백질들은 자리에 고정되어 있는 것처럼 보인다.
이 막은 지질로 이루어져 있기 때문에, 온도가 내려가면 곰탕에 기름이 굳은 막처럼 고체화가 이루어진다. 하지만 지질들이 불포화 탄화수소 꼬리를 갖는지, 포화 탄화수소 꼬리나 콜레스테롤인지에 따라서 유동성에 영향을 다르게 미친다. 불포화 탄화수소 꼬리는 비틀림이 있기 때문에 유동성을 낮은 온도에서도 비교적 유지할 수 있지만, 포화 탄화수소 꼬리를 갖는 인지질은 차곡차곡 쌓여서 점도를 증가시킨다. 콜레스테롤은 인지질이 이동을 못하게 하여 마찬가지로 유동성을 줄인다 (식물은 콜레스테롤이 동물보다 메우 적어서 스테로이드 지질로 막의 유동성을 완충시킨다).
막이 제대로 작동하려면 유동성이 확보되어야 한다. 그렇지 않으면 막단백질의 이동 능력에 영향을 주기 때문이다. 따라서 극한 환경(기온이 낮은)에서 생명체의 활동이 저해되는 것이다.
막 지질의 조성은 여러 생물체에서 약간의 변이를 가지고 있다. 각자 사는 환경이 매우 다른 종들은, 막 유동성을 유지하기 위한 전략이 다르게 필요했을 것이다. 예를 들어, 추운 지역에 사는 생명체들은 불포화 탄화수소 꼬리의 비율이 높아야지만 막의 유동성을 확보할 수 있다. 반대로, 높은 온도에서는 불포화 탄화수소 꼬리는 세포막이 과한 유동성을 갖게 하기 때문에, 특수한 지질을 가지고 있다. 식물들의 경우 불포화 인지질의 함량이 가을부터 늘어나서 추운 겨울을 견디기도 한다. 이처럼 조성은 고정되어 있는 것이 아니고, 어떤 종들은 환경에 따라 적절한 막유동성 확보를 위해 유연하게 바꿀 수도 있다.
막단백질과 막 탄수화물
막단백질은 막지질 사이에서, 수송, 효소활성, 신호전달, 세포-세포 인식, 세포간 결합, 세포골격과 세포외기질에 부착되는 등 여러 기능을 수행한다. 이에 대해서는 너무 방대한 기능들이 있기 때문에, 표로 설명을 대신하고 나중에 더 자세히 다루도록 하겠다.
막에는 지질과 단백질 뿐만아니라 약간의 막 탄수화물들이 존재한다. 주로 15개 이하의 당 단위체가 결합된 사슬형태를 갖고 있고, 어떤 탄수화물은 지질과 공유결합을한 당지질(glycolipid)를 형성하기도 하고, 대부분은 단백질과 결합하여 당단백질(glycoprotein)을 형성한다. 우리가 잘 아는 혈액형 A형, B형, O형, AB형도 적혈구의 세포 표면에 있는 당단백질들의 표현형이다.
이처럼 세포막은 인지질 이중층을 형성하며, 당단백질과 당지질들이 사이에 끼어 있는 형태를 갖고 있는데, 2개의 지질층은 사실 조성에 차이가 있다. 이 조성의 차이는 세포 내부와 외부를 구별하여 막단백질이 방향성있게 배치될 수 있게 돕는다. 이는 세포 내부에서 소포체와 골지체에 의해서 결정된다고 알려져 있다.
마무리
이어서 다음에는 이런 막 구조가, 어떻게 원하는 물질은 통과시키고, 원하지 않는 물질은 통과시키지 않는지, 그 메커니즘에서 다루어 보겠다. 이런 선택적 투과 능력은 생명체의 유지에 필수적이다.
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