세포막과 물질 이동

세포막의 두께는 약 5~10 nm에 불과하지만, 세포에 무엇이 드나들지는 이 막이 정합니다.

기름과 단백질로 된 벽

물에 기름을 몇 방울 떨어뜨리면 섞이지 않습니다. 세포막도 같은 원리로 지어져 있습니다. 세포막은 인지질 이중층입니다. 인지질 분자마다 인산이 든 머리는 물을 좋아하고, 지방산 꼬리 두 개는 물을 싫어합니다. 머리는 세포 안팎의 물 쪽을 향하고, 꼬리는 가운데에 숨습니다. 이 기름층에 단백질이 박혀 있는데, 일부는 막을 완전히 꿰뚫습니다. 동물 세포에서는 콜레스테롤도 섞여 있습니다. 바깥 표면에는 지질과 단백질에 붙은 탄수화물이 덮여 있어서 세포가 필요한 물질을 알아보고 붙잡는 것을 돕습니다.

선택적 투과성

세포막은 어떤 물질은 통과시키고 어떤 물질은 막습니다. 그래서 선택적 투과성이 있다고 합니다. 산소와 이산화 탄소처럼 전하가 없는 작은 분자는 기름층 가운데를 그대로 빠져나갑니다. 비타민 A, D, E, K 같은 지용성 물질도 마찬가지입니다. 나트륨, 칼륨, 칼슘, 염화 이온처럼 전하를 띤 입자는 혼자서 기름층을 건너지 못하고, 당과 아미노산도 그렇습니다. 이들은 단백질의 도움이 필요합니다.

높은 곳에서 낮은 곳으로: 수동 수송

방에서 향수병을 열면 냄새가 방 전체로 퍼집니다. 이것이 확산입니다. 분자가 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직이며, 에너지가 들지 않습니다. 농도 차이가 클수록, 온도가 높을수록, 분자가 가벼울수록, 거리가 짧을수록 확산은 빨라집니다. 세포 안에서도 물질은 확산으로 세포 기질 속을 움직입니다.

촉진 확산에서도 물질은 농도가 낮은 쪽으로 움직이지만, 단백질을 거쳐 지나갑니다. 통로 단백질은 한 가지 이온이나 물만 지나가는 물길을 만듭니다. 물이 지나가는 통로를 아쿠아포린이라고 합니다. 운반 단백질은 분자를 붙잡은 뒤 모양을 바꿔 반대편에 내려놓습니다. 통로가 훨씬 빨라서 1초에 수천만 개를 통과시키고, 운반 단백질은 1초에 약 천~백만 개를 옮깁니다.

삼투: 물의 이동

삼투는 녹아 있는 물질은 막고 물만 통과시키는 막을 사이에 둔 물의 확산입니다. 물은 녹아 있는 입자가 더 많은 쪽으로 움직이는데, 그쪽에 자유로운 물이 더 적기 때문입니다. 세포 밖 액체에 녹은 입자가 안보다 적으면 저장액이라 하고, 물이 세포 안으로 들어갑니다. 적혈구를 맹물에 넣으면 부풀다가 터질 수 있습니다. 바깥에 입자가 더 많으면 고장액이라 하고, 물이 빠져나가 적혈구가 쭈그러듭니다. 등장액에서는 물의 순이동이 없습니다. 식물 세포는 맹물에서도 세포벽 덕분에 터지지 않습니다. 물이 벽을 미는 힘인 팽압이 식물을 꼿꼿하게 합니다. 물이 모자라면 세포막이 벽에서 떨어지는 원형질 분리가 일어나고 식물은 시듭니다. 아래 식물 세포 모형에서 이 물을 담는 액포를 볼 수 있습니다.

거슬러 올라가기: 능동 수송

때로는 세포가 물질을 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 거슬러 옮겨야 합니다. 여기에는 보통 ATP에서 얻는 에너지가 들고, 이것을 능동 수송이라고 합니다. 가장 잘 알려진 예가 나트륨-칼륨 펌프입니다. 한 번 돌 때마다 ATP 하나를 써서 나트륨 이온 3개를 세포 밖으로 내보내고 칼륨 이온 2개를 안으로 들입니다. 그래서 바깥은 나트륨이, 안은 칼륨이 많은 상태가 유지되고, 세포 안쪽은 조금 음전하를 띱니다. 신경 세포와 근육 세포는 이 차이에 의존합니다. 나트륨 농도 차이에 쌓인 에너지는 다시 포도당과 아미노산 같은 물질을 세포 안으로 끌어들이는 데 쓰이며, 이것을 2차 능동 수송이라고 합니다.