세포막 및 수송

모든 세포는 세포 표면 막(cell surface membrane) 에 감싸져 있습니다. 이 막의 구조는 유동 모자이크 모델(fluid mosaic model) 로 설명합니다.

인산 지질 이중층

막은 주로 인산 지질(phospholipids) 로 구성되어 있습니다. 각 인산 지질에는 친수성(hydrophilic, '물을 좋아하는') 머리 부분과 두 개의 소수성(hydrophobic, '물을 싫어하는') 꼬리 부분이 있습니다. 막의 양쪽에 물이 존재하므로 인산 지질은 두 겹(이중층 bilayer)으로 정렬합니다. 머리는 바깥쪽과 안쪽의 물을 향하고, 꼬리는 물로부터 숨겨진 중앙부에 위치합니다. 이러한 친수성과 소수성 상호작용 덕분에 이 배열은 자발적으로 형성됩니다.

인산 지질이 고정되어 있지 않고 서로 밀려 이동하므로 막이 움직이고 구부러질 수 있다는 점에서 이 모델을 "유동(fluid)"이라고 합니다. 또한 막 전체에 다양한 단백질(proteins) 들이 타일처럼 박혀 있다는 점에서 "모자이크(mosaic)"라고 부릅니다.

막 속에 Floating하는 물질

따라서 막 분자들은 함께 막에 안정성(stability), 유동성, 투과성(permeability)(통과来控制物质), 운반 기능, 신호 전달 기능, 세포 인식 기능을 부여합니다.

막은 반투과성(partially permeable) 입니다. 일부 물질은 쉽게 통과시키지만 다른 물질은 차단합니다.

세포들은 세포 신호 전달(cell signalling) 을 통해 서로 의사소통합니다. 주요 단계는 다음과 같습니다:

1. 세포가 리간드(ligand) 라는 신호 화학물질(예: 호르몬 hormone)을 분비(secretes) 합니다.
2. 리간드는 혈류 등을 통해 표적 세포(target cell) 로 운반됩니다.
3. 리간드는 표적 세포 표면 막의 특정 수용체(receptor) 에 결합합니다. 수용체의 형태는 해당 리간드에만 맞습니다. 결합이 일어나면 표적 세포 내부에서 특정한 반응이 유도됩니다.

여섯 가지 과정이 있다. 일부는 수동적 (에너지가 필요 없음)이고, 일부는 능동적 (ATP에서 에너지를 사용함)이다.

단순 확산

확산은 입자가 높은 농도의 위치에서 낮은 농도의 위치로 순이동하여 고르게 퍼지는 현상이다. 단순 확산은 입자가 농도 구배를 따라 직접 이중층을 통과하는 경우이다. 오직 작은 분자 또는 비극성 분자만 이 과정을 거칠 수 있으며, 예로는 산소와 이산화탄소가 있다. 이는 수동적 과정이다.

촉진 확산

전하를 띤 이온과 큰 극성 분자(예: 포도당)는 스스로 기름기 있는 이중층을 통과할 수 없다. 조력 확산에서는 채널 단백질이나 운반 단백질을 통해 통과하며, 여전히 농도 구배를 따라 이동한다.これも水動的过程。

삼투

삼투는 물이 반투과성 막을 가로질러 더 높은 물ポテンシャル에서 더 낮은 물ポテンシャル로 확산되는 것이다. 이는 수동적 과정이다.

능동 수송

능동 수송은 물질을 농도 구배에 역대하여 — 낮은 농도에서 높은 농도로 — 이동시킨다. 이를 위해서는 운반 단백질과 ATP에서 나오는 에너지가 필요하다.

내포 및 외포

이들은 대량의 물질을 대량으로 운반하며, ATP를 사용한다.

• 내포에서는 막이 물질 주변으로 접어들어 색소포를 만들어 세포 내로 들여온다.
• 외포에서는 색소포가 막과 융합하여 그 내용물을 세포 외부로 방출한다.

세포는 표면을 통해 물질을 흡수하고 배출한다. 물체가 커지면 부피가 표면적보다 빠르게 증가하므로, 크기가 커질수록 표면적 대 부피 비율은 작아진다.

변의 길이가 $L$인 정육면체에 대해:

큰 $L$은 작은 비율을 산출한다. 따라서 작은 세포(또는 얇고 평평한 형태)는 물질을 빠르게 교환하지만, 큰 세포는 확산만으로는 의존할 수 없다.

해설 예제. 변각이 $4$인 정육면체 형태의 세포와 변각이 $10$인 세포의 표면적 : 부피 비율을 비교하시오.

변각 $4$인 경우: 표면적 $= 6 \times 4^2 = 96$, 부피 $= 4^3 = 64$이므로 비율은 $96 : 64 = 1.5 : 1$입니다. 변각 $10$인 경우: 표면적 $= 6 \times 10^2 = 600$, 부피 $= 10^3 = 1000$이므로 비율은 $600 : 1000 = 0.6 : 1$입니다. 더 큰 세포가 더 작은 비율을 가지므로, 크기 대비 표면에서의 물질 교환 속도가 느립니다—따라서 큰 생물은 폐나 아가미와 같은 전문적인交换表面가 필요합니다.

다양한 크기의 아gar 블록을 염료나 산에 담근 후 관찰하여 이를 증명할 수 있습니다: 표면적 대 부피 비율이 가장 큰 가장 작은 블록이 전체적으로 가장 빠르게 변색됩니다. 비생물적 매체를 통한 확산 연구에는 다이얼라이시 튜브(Visking 튜브)를 사용할 수도 있습니다.

물ポテンシャル은 용액에서 물이 빠져나올 가능성을 측정합니다. 순수한 물이 가장 높은 물ポ텐シャル을 가집니다. 용질(용해된 물질)을 추가하면 물ポテンシャル이 낮아집니다. 물은 항상 삼투에 의해 높은 물ポ텐シャル에서 낮은 물ポ텐シャル로 이동합니다.

식물 조직의 물ポ텐シャル을 추정하려면, 서로 다른 물ポ텐셜을 가진 스코로스 용액에 조각들을 넣습니다. 질량이나 길이에 변화가 없는 용액은 해당 조직과 거의 동일한 물ポ텐셜을 가집니다.

식물 세포에 미치는 영향

• 높은 물ポテン셜 용액(예: 증류수)에서는 물이 세포로 들어옵니다. 세포가 부풀어 팽창(turgid) 상태가 되지만, 강력한 세포벽이 파열을 방지합니다.
• 낮은 물ポ텐셜 용액에서는 물이 빠져나갑니다. 세포 content가 수축하고 막이 세포벽에서 떨어져 나가는 현상을 **플라스몰리시스(plasmolysis)**라고 합니다.

동물 세포에 미치는 영향

동물 세포는 보호용 세포벽이 없습니다.

• 높은 물ポ텐셜 용액에서는 물이 들어와 세포가 터질 수 있습니다. 적혈구에서 이러한 파열은 **혈용(haemolysis)**이라고 합니다.
• 낮은 물ポ텐셜 용액에서는 물이 빠져나가 세포가 수축합니다.

• 막을 유동 모자이크로 서술함: 단백질, 콜레스테롤, 당단백질을 포함하는 인산 지질 이중층임.
• 각 과정을 분류함: 확산,协助扩散(보조 확산), 삼투는 수동적(구배를 따라 이동); 능동수송 및 내/외포작용은 ATP가 필요하며 구배에 역행할 수 있음.
• 삼투 시에는 항상 수위 ($\Psi$)를 사용함; 물은 **높음(더 음성이 적음)**에서 **낮음(더 음성이 많음)**으로 이동함 $\Psi$; 순수한 물은 $0$이며 가장 높음.
• 세포 유형별 결과를 명시함: 식물 세포는 팽창/원질분리; 동물 세포는 용해/림프 — 수위 구배와 연결됨.