[강신종 쌤의 '재미있는 과학이야기'(18)] 세포막

세포막이 세포 안과 밖을 구분하고
물질대사와 물질교환을 조절하죠

세포 안과 밖의 경계로 세포를 둘러싸는 얇은 막을 ‘세포막(cell membrane)’이라고 한다. 세포막은 외부와의 물질 교환 등 주위 환경과 상호 작용을 하고 있으며 외부의 신호를 감지하는 등 세포의 기능 유지에 필수적인 역할을 하고 있다.

내부와 외부를 연결한다

유동 모자이크 모델에 의하면 “세포막의 주성분인 인지질은 친수성(親水性)인 머리와 소수성(疏水性)인 꼬리 부분을 동시에 갖고 있다. 머리 부분은 친수성 부분이라 세포의 바깥쪽인 물() 쪽을 향하고 있으며, 꼬리 부분은 소수성이라 세포의 안쪽에서 서로 마주보며 배열되는 이중층 구조를 갖는다. 다양한 종류의 단백질이 인지질의 이중층에 박혀 있으며, 단백질은 물질 수송, 세포 안팎으로의 신호 전달 등 다양한 기능을 담당하고 있다.”

‘촉진 확산’은 이온이나 분자의 크기가 큰 수용성 물질들이 세포막에서 이동하는 과정을 나타내는 말이다. 이 과정에서 단백질이 이런 특수물질만을 통과시키는 역할을 한다. 구체적으로는 포도당, 아미노산, Na+, K+ 등이 ‘촉진 확산’을 통해 세포막을 통과하게 된다. 에너지(ATP)를 사용하는 물질의 이동 방법으로 보면 된다.

촉진확산과 단순확산

크기가 매우 작은 기체 분자나 지용성 물질은 세포막 인지질의 이중층을 직접 통과하여 확산할 수 있는데, 이를 ‘단순확산’이라 한다. ‘단순확산’은 인지질의 이중층을 직접 통과하므로 에너지(ATP)를 사용하지 않는 물질의 이동 방법이다. 폐포와 모세혈관 사이에서 일어나는 산소나 이산화탄소의 교환이 여기에 해당된다.

세포막은 효소로도 작용하고, 세포 내부의 물질대사에 관여하며, 세포 외부의 화학 물질들을 인식하여 세포 내부로 신호를 전달하는 등 주위 환경과의 물질 교환을 조절하는 것 이외에도 여러 기능을 통해 생명 시스템 유지에 중요한 역할을 한다.

과산화수소(H2O2)에 이산화망가니즈(MnO2)를 조금 떨어뜨리면 과산화수소는 산소 기체와 물로 분해된다. 이때 이산화망가니즈는 촉매(catalyst)로의 역할을 했다. 촉매는 정반응의 활성화 에너지(Ea)를 감소시켜 반응 속도를 빠르게 해주는 물질이다.

돼지 간이나 감자는 과산화수소를 산소와 물로 빠르게 분해되도록 촉진하는 물질을 포함하고 있으며 이를 ‘카탈레이스(catalase)’라고 한다. 즉 과산화수소에 감자를 썰어 넣으면 과산화수소는 물과 산소로 빠르게 분해된다. 이 반응은 감자 안의 ‘카탈레이스’에 의해 반응 속도가 빨라진 것이다.

세포는 물질대사를 통하여 에너지를 얻는다. ‘영양물질을 몸 안에서 분해 또는 합성하여 생체 성분이나 생명 활동에 쓰이는 물질이나 에너지를 생성하고 필요하지 않은 물질을 몸 밖으로 내보내는 작용’을 물질대사(物質代謝)라 한다.

동화작용과 이화작용

물질대사에는 ‘동화작용(同化作用)’과 ‘이화작용(異化作用)’이 있다. 광합성을 통해 포도당을 합성하는 반응처럼 크기가 작은 물질이 큰 물질로 합성되는 과정을 ‘동화작용’이라 한다. 이와는 반대로 ‘이화작용’은 소화나 호흡과 같이 크기가 큰 물질을 작은 물질로 분해하는 과정이며, 이를 통하여 항상 에너지를 방출한다.

‘동화작용’과 ‘이화작용’에서는 생체 촉매인 효소가 작용하는데, 효소는 물질 대사가 빠르게 일어나도록 도와준다. 밥, 국수, 빵과 같은 음식은 모두 녹말을 포함하고 있다. 녹말은 아밀로스(amylose)와 아밀로펙틴(amylopectin) 등 두 가지로 구성되어 있다. 녹말을 오랫동안 씹으면 침 속의 소화 효소인 ‘아밀레이스’에 의해 이당류인 엿당(C12H22O11)이나 아밀로펙틴 같은 작은 크기의 당류로 분해되어 단 맛을 느끼게 된다. ‘아밀레이스’는 녹말의 분해 반응이 빠르게 진행되도록 도와주는 생체 효소 역할을 수행한 것이다.

강신종 < 용화여고 교사 >