[생리학] 6. 세포와 세포외 환경 사이의 상호작용 (3) 운반체-매개 수송

6. 세포와 세포외 환경 사이의 상호작용

 

6.3 운반체-매개 수송

포도당은 특별한 단백질 운반체에 의해 원형질막으로 수송됩니다. 농도구배 아래에서 이동하는 운반체-매개 수송을 촉진확산(facilitated diffusion)이라고 하며, 농도구배에 반하여 발생하는 운반체-매개 수송을 능동수송(active transport)이라고 하며, 에너지를 필요로 합니다.

 

 

포도당, 아미노산, 기타 유기 분자들은 단순 확산으로 원형질막의 지질층을 통과하기에는 너무 크고 극성(polar)입니다. 그러므로, 이러한 분자들의 수송은 막 속에 있는 단백질 운반체(protein carrier)에 의해 발생합니다. 이 운반체의 존재는 ① 특이성, ② 경쟁, ③ 포화와 같은 특성으로 확인할 수 있습니다.

효소 단백질처럼,운반체 단백질은 특정 분자와만 상호결합합니다. 예를 들어, 포도당 운반체는 포도당하고만 상호작용하고 다른 유사한 단당류와는 상호작용하지 않습니다. 아미노산 수송의 경우도 마찬가지로, 특정 아미노산 운반체는 특정 아미노산만을 운반합니다. 동일한 운반체에 의해 운반된 두 개의 아미노산은 서로 경쟁하기 때문에, 두 개의 아미노산이 동시에 존재할 때 각각의 아미노산 수송률은 감소하게 됩니다. 수송된 분자 X의 농도가 증가할수록 그에 따라 수송률도 증가하지만, 최고조에 이르면 운반체가 X 분자로 포화되어 있기 때문에 더 이상 운반되지 못합니다. 

 

(1) 촉진확산(facilitated diffusion)

혈액으로부터의 포도당 수송은 촉진확산에 의해 발생합니다. 촉진확산은 단순확산과 유사하며 ATP를 필요로 하지 않습니다. 단순한 비극성 분자, 물, 무기 이온 등의 단순확산과는 달리, 포도당의 촉진확산은 운반체-매개 전달의 특성, 즉 특이성, 경쟁성 및 포화성을 나타냅니다. 수송운반체는 두 개의 단백질 소단위로 구성되며 막 속에 채널을 형성합니다. 이 채널을 통해 포도당은 농도구배를 따라 고농도에서 저농도로 이동합니다. 포도당 촉진확산을 위한 수송운반체는 GLUT로 표시하며 많은 유형이 있습니다. 예를 들어, 골격근의 포도당 운반체는 GLUT4입니다.

자극받지 않은 근육 GLUT4 단백질은 세포질 소포를 에워싸는 막 속에 존재합니다. 하지만, 운동이나 인슐린에 의한 자극에 의해, 이 소포들은 원형질막과 융합합니다. 이때 수송운반체들은 원형질막에 삽입됩니다. 그러므로, 더 많은 포도당이 운동이나 인슐린 자극이 일어나는 동안 혈장에서 골격근으로 들어갈 수 있습니다.

 

(2) 능동수송

세포의 모든 수송은 단순확산이나 촉진확산으로 설명할 수 없습니다. 예를 들어 소장(작은창자)과 신세뇨관(kidney tubule)의 상피세포막은 포도당을 저농도에서 고농도로 운반합니다. 이와 유사하게, 모든 세포들은 세포 밖으로 Ca²⁺ 농도를 배출함으로써 세포 내 Ca²⁺ 농도가 세포 외 농도보다 1,000~10,000배 낮게 유지합니다. 이러한 농도구배로 인해 Ca²⁺가 조절 신호 물질로 사용됩니다. 원형질막 Ca²⁺ 채널의 개방과 그로 인한 Ca²⁺의 빠른 확산은 신경전달물질 방출과 근육 수축을 유발합니다.

능동수송은 분자와 이온이 저농도에서 고농도로, 즉 농도구배에 역행하는 수송입니다. 이 수송은 ATP의 소모를 필요로 하며, 만약 세포가 시안화물(cyanide)로 인해 독성화되면, 능동수송은 중단됩니다. 반대로, 독성 물질에 의한 ATP 생성이 차단되어 세포가 죽더라도 수동수송은 계속 발생합니다.

 

(3) 집단수송

폴리펩티드, 단백질, 그리고 다른 분자들은 너무 커서 운반체를 사용하여 막을 통과하기가 어렵습니다. 예를 들어, 호르몬이나 신경전달물질은 세포외 유출(exocytosis)을 통해 분비됩니다.
그리고 세포내 유입(endocytosis)은 세포외 유출의 역과정입니다. 수용체-매개 세포 내 유입의 경우 단백질-결합 콜레스테롤은 콜레스테롤 수송단백질과 원형질막의 단백질 수용체 간의 상호작용에 의해 세포 내로 수송됩니다. 콜레스테롤은 이 작용에 의해 혈액에서 제거됩니다. 집단수송(bulk transport)은 세포외 유출과 세포내 유입에 의해 발생하며, 많은 분자들이 동시에 움직이는 수송입니다. 세포 내 유입에 의해 세포로 유입된 분자들은 세포 내 유입 소포의 막에 의해 세포질로부터 분리됩니다.