[생리학] 6. 세포와 세포외 환경 사이의 상호작용 (2) 확산과 삼투현상

6. 세포와 세포외 환경 사이의 상호작용

 

6.2 확산과 삼투현상

세포막을 통한 분자나 이온의 순확산은 항상 더 낮은 농도를 향해 일어납니다. 비극성 분자는 인지질 이중층을 침투할 수 있고 작은 무기 이온들은 막의 채널(channel)을 통과할 수 있습니다. 막을 통한 물의 순확산(net diffusion)은 삼투현상(osmosis)이라고 불립니다.

 

 

용액 속에 용해된 분자와 이온들은 열 에너지로 인해 항상 무작위로 운동 상태에 있습니다. 확산(diffusion)이라고 불리는 이 무작위 운동은 주어진 용적 내에서 분자를 고르게 분포시키는 경향이 있습니다. 따라서 용액의 두 영역 사이에 농도구배가 존재할 때 임의의 분자 운동은 농도구배를 제거하고 분자를 균일하게 분포시키는 경향이 있습니다.
분자의 무작위 움직임은 농도구배가 더 이상 존재하지 않을 때까지 고농도에서 저농도로 분자의 움직임을 유발하는데, 이와 같은 순이동(net movement)을 순확산이라고 합니다.

 

(1) 원형질막을 통한 확산

원형질 막은 주로 이중층의 인지질로 구성되어 있기 때문에 비극성입니다. 지용성 분자는 막의 한쪽에서 다른 쪽으로 쉽게 통과할 수 있습니다. 따라서, 산소가스(O₂)나 스테로이드 호르몬과 같은 비극성 물질은 쉽게 확산됩니다. 극성의 공유 결합을 가지고 있지만 전하를 띠지 않는 CO₂와 같은 작은 분자도 인지질 이중층을 통과할 수 있습니다. 이러한 물질의 순확산은 농도구배가 존재할 때 세포 내 구획과 세포 외 구획 사이에서 용이하게 발생합니다.

산소 농도는 폐에서 조직으로 산소가 운반되기 때문에 세포외액에서 상대적으로 높습니다. 게다가, 산소가 수소와 결합하여 물을 만들기 때문에, 세포 안의 산소 농도는 세포 밖의 산소 농도보다 낮습니다. 세포가 CO₂를 만들기 때문에 CO₂의 농도 구배는 산소와 반대 방향입니다. 따라서, 가스 교환은 세포와 세포환경 사이의 확산에 의해 발생합니다.

비록 물은 지용성은 아니지만, 크기가 작고 전하가 없기 때문에 원형질막을 확산시킬 수 있습니다. 그러나 어떤 막의 경우 특정 채널이 필요합니다. 막을 통한 물 분자의 순확산은 삼투현상이라고 불립니다. 포도당과 같은 극성 물질은 인지질의 이중층을 통과할 수 없으며, 막 속에 특정한 운반체 단백질(carrier protein)이 필요합니다. 막의 인지질 부분은 Na⁺와  K⁺ 같은 전하를 띤 이온을 통과시키지 않지만, 이들은 작은 이온 채널을 통해 통과합니다. 이온 채널(ion channel)은 내재성 단백질(integral protein)로 구성되어 있습니다.

 

(2) 확산속도

확산 속도는 ① 막을 중심으로 한 농도구배, ② 확산 물질에 대한 막의 침투성, ③ 용액의 온도,  ④ 막의 표면적 등에 따라 달라집니다. 막을 중심으로 농도 차이의 크기가 확산의 원동력입니다. 그러나 이러한 농도차에 관계없이 막이 그 물질에 대해 침투성이 없으면 확산이 발생하지 않습니다. 예를 들어, 안정된 상태에 있는 뉴런의 원형질막은 Na⁺보다 K⁺에 20배 더 침투성이 높습니다. 그러므로, K⁺는 Na⁺보다 더 빨리 확산됩니다. 그러나 막 채널의 단백질 구조의 변화는 막의 침투성을 변화시킬 수 있습니다.

 

(3) 삼투현상

삼투현상(osmosis)은 막을 통과하는 물이나 용매의 순확산입니다. 삼투현상이 발생하기 위해서는 막이 선택적인 투과성을 가져야 합니다. 삼투현상에는 두 가지 요건이 있는데 ① 선택적인 투과성 막의 양쪽 용질(solute) 농도에 차이가 있어야 하며, ② 막은 용질에 상대적으로 투과성이 없어야 합니다.
용질의 확산과 마찬가지로 물의 확산은 막의 다른 쪽보다 한 쪽의 물 농도가 높을 때 발생합니다. 삼투현상이 일어나는 동안 물 분자의 순 이동은 높은 물 농도에서 낮은 물 농도로 발생합니다.

 

(4) 혈액 삼투몰농도의 조절

혈장의 삼투몰농도는 다양한 조절 작용으로 매우 좁은 범위 내에서 유지되는데, 예를 들어 사람이 탈수 상태가 되면 총 혈액부피가 감소하기 때문에 혈액이 더욱 농축됩니다. 증가된 혈액 삼투몰농도와 삼투압은 시상하부의 뉴런인 삼투압수용기(osmoreceptor)를 자극합니다. 결과적으로 갈증이 생깁니다. 물 흡수의 증가와 함께 탈수된 사람들이 더 적은 양의 소변을 배설하게 되는데 어떻게 일어나는지 알아보겠습니다.

① 증가된 혈장 삼투몰농도는 뇌 시상하부의 삼투압수용기를 자극한다.

② 삼투압수용기는 뇌하수체 후엽에 있는 축삭(axon)을 자극하는데, 이는 후엽으로 하여금 항이뇨호르몬(antidiuretic hor

-mone, ADH)을 혈액 속으로 방출하도록 합니다.

③ ADH는 신장에 작용하고 수분 보유를 촉진하여 더 적은 양의 농축된 소변이 배설되도록 합니다.

그러므로, 탈수된 사람들은 물을 더 많이 마시고 소변을 덜 배출합니다. 이것은 음성피드백 고리를 통해 혈장 농도의 항상성과 적절한 양의 혈액을 유지합니다. 짠 음식을 먹는 정상적인 혈액량을 가진 사람들은 또한 목이 마르기 때문에 후뇌하수체엽에 더 많은 ADH를 분비합니다. 물을 더 많이 마시고 소변으로 수분을 덜 배설함으로써 음식물 속의 염분이 희석되고 정상적인 혈액농도가 회복됩니다. 소금 섭취가 부족할 때는 정반대의 현상이 발생합니다.