생2칼럼 3회차)세포막

안녕하세요! 생2뽀개기입니다. 벌써 세 번째 칼럼을 쓰게 되네요. 여러분들이 제 첫번째 칼럼에 관심을 많이 가져준 덕분에 오르비 캐스트에까지 올라갔네요... ㅎㄷㄷ 여러분의 성원에 감사드립니다!! (으헝헝)

이번에는 2회차 때 예고드렸던 대로 세포막과 관련된 내용을 들고 왔습니다..

1회차 칼럼에서 간단하게 세포막에 대한 내용을 둘러봤는데, 이번에는 '세포막'만 가지고 진행 하도록 하겠습니다.(수특 3강이 세포막과 효소만 다루는 단원이기 때문에)

1. 세포막의 특성

세포막의 구성부터 설명하도록 하겠습니다! 세포막은 앞서 말씀드린 것처럼 인지질과 단백질을 주성분으로 가지고 있고, 이외에도 콜레스테롤, 당(탄수화물)으로도 구성되어 있습니다. 이를 "유동 모자이크막" 구조라고 합니다.

그림이 좀... 우웩합니다.

세포막의 인지질이 유동적으로 움직일 수 있기 때문에 막단백질들은 세포막 내에서 위치 이동이 가능합니다. 또한, 인지질의 머리 부분은 친수성이고 꼬리 부분은 소수성이기 때문에 인지질의 꼬리 부분이 서로 맞닿아있는 이중층 구조를 띤다는 것을 알 수 있습니다. 그러면 세포막의 주요 기능에 대해서 알려드리도록 하겠습니다.

-세포의 형태 유지, 세포의 내부와 외부 구분

-선택적 투과성(또는 반투과성)을 통해 물질 출입 조절 

-막단백질(그 중 수용체 단백질)을 통해 외부의 신호 내부로 전달

-효소 단백질을 통해 반응 진행

등등등... 정말 많지만 주요 기능은 위의 4가지 정도라고 볼 수 있습니다. 오늘은 그 중 두 번째인 '선택적 투과성'을 세포막이 실현하는 방법에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

(당단백질이라는 것도 있는데... 수능에 안나옵니다. 궁금하시다면 쪽지 ㄱㄱ)

2. 세포막을 통한 물질 출입

2-1. 확산

확산은 "양쪽의 농도가 같아질 때까지 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물질이 이동하는 것"을 의미합니다. 분자 운동에 의해서만 확산이 일어나기 때문에 양쪽의 농도가 같아지면 겉보기에는 물질 이동이 멈춘 것처럼 보입니다(실제로는 양방향으로 움직이는 물질의 양이 같기 때문에 멈춘 것처럼 보이는 거죠). 그래서 ATP(에너지)도 소모되지 않습니다.

확산에는 크게 단순확산과 촉진확산이 있습니다.

단순확산은 왼쪽 그림처럼 막단백질이 관여하지 않은 채로 물질이 그냥 세포막을 뚫고 이동하는 확산입니다. 촉진확산은 이와 다르게 막단백질을 통과해서 물질이 이동하는 확산 방식입니다. 인지질 이중층의 가운데 부분이 소수성이기 때문에 단순확산은 지용성 물질이나 저분자 물질의 이동에 사용되고, 고분자 물질이나 수용성 물질은 촉진확산을 통해 일어납니다.

그리고 매우 중요한 그래프 등장!

단순 확산은 세포막을 뚫고 이동하는 것이기 때문에 초기에는 속도가 매우 느립니다. 하지만, 안팎의 농도차(=농도 기울기)가 커질수록 물질의 이동 속도는 그에 비례해서 빨라질 수 있습니다.

촉진확산이 경우에는 막단백질을 사용하기 때문에 농도 기울기가 작아도 물질이 빠르게 이동할 수 있습니다. 하지만, 막단백질의 개수는 한정되어 있기 때문에, 막단백질이 포화(모든 막단백질을 통해 물질이 이동중이라는 소리입니다)되면 농도 기울기가 커져도 더 이상 물질의 이동 속도가 증가할 수 없습니다.

2-2. 삼투

다음으로, 삼투에 대해 설명해보도록 하겠습니다.

삼투의 정의는 "반투과성 막을 기준으로 농도가 낮은 곳에서 농도가 높은 곳으로 용매(물)가 이동하는 현상"입니다. 삼투도 물의 분자운동에 의해서 일어나기 때문에 ATP가 사용되지 않는다는 특성을 가지고 있습니다. 

이 그림에서 볼 수 있듯이 왼쪽보다 오른쪽의 설탕 농도가 높다면 왼쪽에서 오른쪽으로 물이 이동하여 오른쪽의 물 높이가 높아지게 됩니다. 

-삼투압 공식

P= CRT (C=용액의 몰농도, R=기체상수, T=절대온도, P=삼투압)

참고로만 알고 있으면 됩니다.

->삼투압에 대해서 더 자세한 설명을 드릴 수 있는데... 지금 시간이 없어서 ㅠㅠ 일단 이정도 서술하겠습니다. 제가 오늘 밤에 가능하다면 수정해보도록 하겠습니다.

-동물세포와 식물세포에서의 삼투현상-

동물세포부터 살펴보겠습니다. 동물세포는 원래 체액의 농도와 같은 농도를 갖고 있습니다. 그런데, 이 동물세포를 저장액(체액보다 농도가 낮은 용액), 등장액(체액과 농도가 같은 용액), 고장액(체액보다 농도가 높은 용액)에 넣게 되면...

적혈구의 사진입니다. 고장액에서는 세포 외부의 농도가 높기 때문에 적혈구에서 물이 다 빠져나가게 되어서 쭈그러든 모습을 볼 수 있습니다. 등장액에서는 변화가 없고, 저장액에서는 세포 외부의 농도가 낮기 때문에 물이 적혈구 내부로 들어와 잔뜩 부푼 모습이 보입니다. 조금 더 물이 들어오게 된다면 터지는 현상도 발생하는데, 이를 '용혈'이라고 합니다.

그러나. 식물세포는 동물세포와 다르게 세포벽이 존재하기 때문에 세포가 막 쭈그러들거나 터지거나 그런 게 없습니다! 그래서 오히려 좀 더 복잡해지는데요. 아래 그림을 보도록 합시다.

저장액에서는 외부의 물이 유입되어 세포가 팽팽하게 부푸는 '팽윤' 상태가 되고, 최대로 팽윤 되었을 때를 '최대 팽윤 상태'라고 합니다. 고장액 에서는 물이 밖으로 빠져 나가기 때문에 원형질(세포질)이 후형질(세포벽)과 떼어져버리는 원형질 분리 현상이 일어나게 됩니다. 이 때, 식물세포에서 작용하는 여러가지 힘들을 아래의 그래프로 표현할 수 있습니다.(이 그래프 6월 모의고사에 간간이 나옵니다)

삼투압=식물세포 내부의 삼투압(식물세포 내부로 물을 끌어들이는 힘)

팽압=식물세포 내부에서 바깥으로 미는 힘

흡수력=(삼투압)-(팽압), 즉 식물세포가 물을 흡수하는 힘

한계 원형질 분리(B): 등장액 상태에서의 식물세포의 상태, 즉 원형질 분리가 되기 직전이라는 뜻

팽윤 상태(B보다 오른쪽), 최대팽윤 상태는 E이고, 이때는 팽압과 삼투압이 같아져 흡수력이 0이 되기 때문에 물이 더 이상 유입될 수 없다.

원형질 분리 상태(B보다 왼쪽)에서는 팽압이 0이기 때문에 삼투압과 흡수력이 같다.

제가 이 단원이 한 가지 걱정되는 것은 문제가 충분히 어렵게 나올 수 있는데 평가원이 어렵게 내지 않는다는 점입니다(사설,EBS 문제가 평가원 문제보다 어렵습니다. 그 문제들을 적극 참조하세요). 과연 여기서 어렵게 내서 수험생들의 통수를 후릴지는... 미지수입니다.

올해 평가원을 지켜보도록 하죠...

2-3. 능동수송

능동수송은 위에서 소개해드린 확산, 삼투와는 다르게 ATP(에너지)가 소모되는 반응입니다. 능동수송의 정의는 "에너지를 이용하여 물질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 물질을 이동시키는 것" 입니다. 농도 기울기를 거슬러 올라간다는 소리죠? 능동수송은 촉진확산처럼 운반체 단백질을 사용한다는 특성을 갖고 있습니다.

대표적인 예시로는 아래의 Na+ K+ 펌프를 들 수 있습니다.

이 펌프는 세포 외부로 Na+ 3분자를 보내고 세포 내부로 K+2분자를 들여보냅니다.(생1에서 Na+의 농도는 세포 외부가, K+의 농도는 세포 내부가 높다고 배우셨을 겁니다. 기억이 나시는지요?)

2-4. 세포 내 섭취/세포 외 배출

세포 내 섭취와 세포 외 배출은 능동수송과 마찬가지로 ATP, 즉 에너지를 사용하는 반응입니다. 왜냐하면 세포막을 변형시켜서 물질을 출입시키는 것이기 때문이죠. 아래의 그림을 보면 쉽게 이해 될 것입니다.

세포 내 섭취를 통해서는 큰 분자의 단백질을 끌어들이는 것, 또는 백혈구의 식균작용을 예로 들 수 있습니다. 세포 외 배출의 예시로는 호르몬을 분비하는 세포들(ex. 이자세포)이 호르몬을 세포 바깥으로 내보내는 예시를 들 수 있습니다. 그런데, 세포 내 섭취는 세포의 일부를 떼어 내는 것이기 때문에 세포 표면적이 감소하고 세포 외 배출은 분비소낭 막이 세포막과 합쳐지는 것이므로 세포 표면적이 증가합니다.

(음세포와 식세포를 굳이 구분할 필요는 없습니다!-수능에서 구분하락 하지 않습니다!)

-2020학년도 기출문제-

6월

I은 촉진확산 II는 능동수송이라는 사실을 (가)에서 확인할 수 있습니다. ㄱ의 이동방식은 촉진확산이라는 것을 (나)에서 확인할 수 있습니다.

이 단원과 효소 단원에서는 ㄴ선지처럼 분수로 구성된 선지가 많이 나옵니다! 분수 대소비교 헷갈리지 않도록 주의해주셔야 합니다.

ㄷ선지는 단순확산의 예시입니다.

9월

ㄱ이 이동하는 방식은 능동수송이라는 것을 오른쪽 그래프를 통해 알 수 있습니다. (이유: 안팎의 농도가 같을 때가 C인데 시간이 지날수록 C에서 내부 농도가 멀어지기 때문에)

수능

I은 세포 외 배출, II는 능동수송, III는 단순확산입니다. ㄴ선지는 촉진확산에 대한 예시입니다.

아직까지는 어려울 것 없습니다. 다만, 지금부터는 분수 형태의 대소비교 선지가 꽤 나올텐데, 거기서 실수하지 않도록 주의하셔야겠습니다.

오늘 운전면허를 따고 오느라... 시간이 없어서 좀 정신없이 적은 것 같네요. 밤에 보충할 수 있는 내용 보충하도록 하겠습니다. 꼭! 오류는 댓글이나 쪽지로 알려주시길 바랍니다!

오늘도 칼럼 읽어주셔서 감사합니다! 좋아요 많이 눌러주세요! 그럼 이만 ㅇㅅㅇ

-본 칼럼은 언제까지나 칼럼일 뿐, 핵심 개념들을 요약한 정도입니다. 생명과학2를 처음 독학하시는 분들께서는 꼭 상세한 개념도 공부해 주시길 바랍니다.-