세포막 Plasma membrane

세포막(細胞膜; plasma membrane, cell membrane)은 세포의 안팎을 가르며 물질 교환이 이루어지는 경계이다. 사람의 세포에서는 지질 이중층에 여러 단백질이 결합하고, 바깥쪽 표면에는 당사슬이 뻗어 있다. 이 경계에서 영양소와 이온이 이동하고, 수용체가 신호를 받아들이며, 이웃 세포나 세포외기질과의 접촉이 이루어진다.

막의 한쪽에는 세포질액이, 다른 쪽에는 세포외액이 있다. 두 액체는 모두 물을 바탕으로 하지만 이온과 용질의 조성이 다르다. 세포막이 물질마다 다른 통과 경로와 속도를 제공하고, 수송 단백질이 일부 물질을 농도차에 거슬러 옮기면서 이 차이가 유지된다. 막을 통과하는 물질의 양에는 세포 안에서 그 물질을 만들거나 소비하는 반응도 영향을 준다.

세포막의 두께는 흔히 약 5–10 nm로 설명한다. 여기서 1 nm는 1 μm의 천분의 일이다. 일반 광학현미경에서 보이는 세포의 윤곽과 그 막의 미세구조는 관찰 규모가 다르다. 전자현미경의 절편 영상이나 분자 구조 분석에서는 각각 다른 방법으로 막의 층과 구성 성분을 살핀다. 교재 그림의 큰 단백질과 또렷한 두 줄은 그 구조를 설명하기 위한 표현이다.

세포 안의 소포체·골지체·리소좀에도 막이 있다. 이들을 함께 부를 때는 생체막이라 하고, 세포 전체의 바깥 경계를 특정할 때 세포막이라 한다. 사람의 세포막을 둘러싼 당질층이나 세포외기질은 지질 이중층의 바깥에 놓인다. 식물의 세포벽 역시 세포막 바깥에 있는 별도 구조이며, 사람의 세포에는 세포벽이 없다.

인지질(phospholipid)에는 물과 상호작용하는 친수성 부분과 물속에서 서로 모이는 소수성 부분이 함께 있다. 이를 양친매성이라 한다. 세포막에 많은 글리세로인지질은 글리세롤 골격에 지방산 두 가닥과 인산을 포함한 머리 부분이 연결되어 있다. 스핑고미엘린은 인지질이면서 스핑고신을 바탕으로 하는 별도 골격을 갖는다.

물이 있는 환경에서 막을 이루는 지질들은 소수성 부분을 안쪽으로 모으고 친수성 부분을 물 쪽으로 둔다. 이중층의 바깥 면은 세포외액에, 안쪽 면은 세포질액에 접한다. 두 층 사이에는 소수성 사슬들이 마주한다. 이중층의 한 겹을 단엽(leaflet)이라 부르며, 세포질 쪽 단엽과 세포외 쪽 단엽을 구별한다.

지질 이중층은 이온과 여러 수용성 분자가 지나갈 때 높은 에너지 장벽을 제공한다. 물에 둘러싸여 안정한 이온이 소수성 내부로 들어가려면 주변 환경을 크게 바꾸어야 하기 때문이다. 산소나 이산화탄소처럼 작은 비극성 분자는 지질층을 비교적 쉽게 통과한다. 같은 크기라도 전하와 극성이 다르면 막을 지나는 성질이 달라진다.

막의 지질은 옆자리로 이동하고 회전하며 사슬의 모양을 바꾼다. 한 단엽에서 다른 단엽으로 인지질이 넘어가는 이동은 친수성 머리가 소수성 내부를 지나야 하므로 훨씬 제약된다. 세포에서는 지질 이동에 관여하는 단백질들이 두 면의 조성을 조절한다. 막을 따라 옆으로 움직이는 일과 두 층 사이를 건너는 일은 이렇게 경로가 다르다.

새 글리세로인지질의 합성에는 소포체 막의 효소들이 관여한다. 생성된 지질은 막 사이의 소포 수송이나 지질 전달 단백질 등을 통해 분배된다. 세포막의 성분은 합성·이동·회수·분해를 거치며 교체된다.

지방산 사슬의 길이와 불포화 정도, 콜레스테롤의 함량, 온도는 지질의 배열과 움직임에 영향을 준다. 시스 이중결합이 있는 사슬은 굽어 있어 이웃 사슬과 촘촘하게 포개지기 어렵다. 같은 조건에서 이러한 불포화 사슬은 막의 유동성을 높이는 쪽으로 작용한다. 실제 막에는 여러 지질과 단백질이 섞여 있으므로 한 성분의 양만으로 전체 성질이 정해지지는 않는다.

콜레스테롤은 인지질의 소수성 사슬 사이에 자리한다. 온도가 높은 조건에서는 주변 사슬의 움직임을 제한하고, 낮은 조건에서는 사슬들이 규칙적으로 밀집하는 것을 방해한다. 막의 투과성과 배열에도 관여한다. 그 효과의 크기와 방향은 온도와 주변 지질의 조성에 따라 달라진다.

1970년 프라이와 에디딘(L. D. Frye, M. Edidin)은 생쥐와 사람의 배양세포를 융합하고 두 세포에서 유래한 표면 항원을 서로 다른 형광 표지로 추적했다. 37°C에서 융합 뒤 40분 이내에 관찰한 이핵세포의 90%를 넘는 비율에서 두 표지가 섞였다. 측정한 것은 특정 표면 항원의 분포였다. 원논문의 공개 초록은 막 평면에서의 이동과 기존 항원이 내부를 거쳐 다른 자리에 나타나는 경로를 가능한 기전으로 함께 남겼다.

싱어와 니컬슨(S. J. Singer, G. L. Nicolson)은 1972년 유동 모자이크 모형(fluid mosaic model)을 제시했다. 지질 이중층과 막단백질의 배치, 막 평면에서의 이동을 함께 설명하는 모형이다. 이후 단일 분자 추적에서는 분자가 일정한 영역에 머물다 인접 영역으로 옮겨가는 움직임도 관찰되었다. 막단백질의 결합 상대와 세포골격은 이동 범위를 제한할 수 있다.

유동성은 막의 성분이 움직일 수 있다는 성질이고, 투과성은 특정 물질이 막을 얼마나 잘 건너는지를 나타내는 성질이다. 한 막에서도 지질의 측방 이동, 물의 통과, 이온의 통과는 서로 다른 측정값으로 나타난다. 형광 표지가 옆으로 퍼지는 실험에서는 측방 재배치를, 이온 전류를 재는 실험에서는 막을 가로지르는 전하의 이동을 본다.

세포막의 두 단엽은 조성이 서로 다르다. 사람 적혈구의 막에서는 포스파티딜콜린과 스핑고미엘린이 바깥쪽에, 포스파티딜에탄올아민과 포스파티딜세린이 안쪽에 상대적으로 풍부하다. 이런 비대칭성은 막 표면의 전하와 단백질의 결합에 영향을 준다. 지질별 분포는 세포의 종류와 상태에 따라서도 달라진다.

포스파티딜세린(phosphatidylserine; PS)은 음전하를 띠는 인지질이다. 평소 주로 세포질 쪽에 놓이지만 혈소판이 활성화되면 바깥쪽에 노출되어 응고 반응이 진행되는 표면을 제공한다. 2010년 스즈키 준(Jun Suzuki) 등의 연구는 칼슘 의존성 PS 노출에 TMEM16F가 관여한다는 결과와 스콧 증후군 환자에서 확인한 해당 유전자 변이를 보고했다.

지질의 비대칭성을 유지하는 이동과 두 면의 지질을 섞는 이동에는 서로 다른 단백질이 관여한다. 플리페이스(flippase) 가운데 ATP를 사용하는 효소는 특정 인지질을 세포질 쪽으로 옮긴다. 스크램블레이스(scramblase)는 지질이 두 방향으로 이동할 경로를 제공한다.

세포외 쪽에는 당단백질과 당지질의 당사슬이 뻗어 당질층(glycocalyx)을 이룬다. 이 층에는 세포 표면에 결합한 다른 당단백질과 프로테오글리칸도 포함된다. 수분을 머금고 세포 표면을 보호하며, 분자 결합과 세포 사이의 접촉에 관여한다. 당사슬의 종류와 배열은 세포마다 같지 않다.

분비 경로를 거치는 막단백질의 당사슬은 소포체·골지체의 내강 쪽에서 붙거나 가공된다. 그 막이 소포를 거쳐 세포막에 합쳐지면 내강을 향하던 면이 세포 바깥을 향한다. 막이 운반되는 동안 두 면의 방향이 유지되므로, 세포 표면의 당사슬 분포와 소포체·골지체 안의 가공 위치가 이어진다.

분자들은 열운동으로 여러 방향으로 움직인다. 양쪽 농도가 다르고 통과할 경로가 있으면, 전체로는 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 더 많이 이동한다. 이 순이동을 확산(diffusion)으로 설명한다. 평형에서도 개별 분자의 운동은 이어지며, 두 방향의 이동이 같아져 순이동이 사라진다.

전하가 없는 용질은 농도차로 이동 방향을 설명할 수 있다. 이온에는 전기적 힘이 더해진다. 세포 안쪽에 K⁺가 많으면 농도차는 바깥쪽 이동을 유리하게 하지만, 안쪽의 전위가 더 음성이면 전기적 힘은 K⁺를 안쪽으로 끌어당긴다. 두 효과를 합친 전기화학적 기울기(electrochemical gradient)가 이온의 수동적 순이동 방향을 정한다.

지질층을 직접 지나는 단순확산과 단백질을 거치는 촉진확산은 모두 수동수송이다. 촉진확산에는 이온 통로와 포도당 운반체처럼 성질이 다른 단백질들이 관여한다. 통로는 선택적인 통과 경로를 제공하고, 운반체는 물질을 결합한 뒤 형태를 바꾸어 반대쪽에 노출한다. 어느 경우든 수동수송의 순이동은 해당 물질의 기울기를 따른다.

같은 농도차에서도 막의 면적이 넓거나 해당 물질의 투과성이 높으면 이동량이 커진다. 통로가 닫히거나 운반체의 수가 줄면 흐름은 작아진다. 운반체에는 결합과 형태 전환에 걸리는 시간이 있어 기질 농도를 계속 높여도 수송 속도가 한없이 커지지 않는다. 농도차는 이동의 구동력을, 통과 경로의 성질과 수는 이동 속도를 설명하는 데 쓰인다.

물도 세포막을 사이에 두고 양쪽으로 이동한다. 물이 통과할 수 있고 다른 압력 조건이 같다면, 막을 통과하기 어려운 용질이 더 많은 쪽으로 물의 순이동이 생긴다. 이를 삼투(osmosis)라 한다. 물의 화학적 퍼텐셜 차이로 설명하는 현상이며, 삼투압은 그 순이동을 막는 데 필요한 압력이다.

삼투농도는 용액 속 입자의 수를 기준으로 한다. 용질의 질량이 같아도 분자량과 해리 정도가 다르면 입자 수가 달라진다. 삼투몰농도(osmolarity)는 용액 부피당, 삼투몰랄농도(osmolality)는 용매 질량당 입자 수를 나타낸다. 각각 Osm/L, Osm/kg처럼 분모가 다른 단위를 쓴다.

긴장도(tonicity)는 그 용액에 놓인 세포의 부피가 어떻게 변하는가와 연결된다. 이때는 막을 쉽게 통과하지 못해 지속적인 삼투 효과를 내는 용질이 중요하다. 같은 삼투농도라도 용질이 막을 통과하는 속도가 다르면 시간이 지난 뒤 세포 부피는 다를 수 있다. 특정 용액을 등장성·고장성·저장성이라 부를 때는 기준 세포와 막의 투과성이 함께 들어 있다.

세포 밖이 고장성이면 물이 빠져나가 세포가 수축하고, 저장성이면 물이 들어와 부피가 커진다. 세포벽이 없는 동물세포는 충분히 팽창하면 막이 파열될 수 있다. 등장성에서는 지속적인 부피 변화가 작다. 그때도 개별 물 분자가 양방향으로 드나드는 운동은 이어진다.

아쿠아포린(aquaporin)은 물이 빠르게 통과할 수 있게 하는 막단백질이다. 1992년 CHIP28 단백질을 정제해 지질 소포에 재구성한 연구에서는 물 투과성의 증가를 확인했다. 이 단백질은 이후 AQP1으로 불렸다. 통로의 존재는 물이 이동하는 속도에 영향을 주며, 물의 순이동 방향은 양쪽의 삼투·압력 조건에 따라 정해진다.

능동수송은 물질을 그 물질의 전기화학적 기울기에 거슬러 옮기는 과정이다. 이런 이동에는 자유에너지를 공급하는 다른 과정과의 결합이 필요하다. 일차 능동수송은 ATP 가수분해 같은 반응과 직접 연결되고, 이차 능동수송은 다른 물질이 기울기를 따라 이동하는 과정과 연결된다.

Na⁺/K⁺-ATPase는 ATP 한 분자의 가수분해에 결합해 Na⁺ 세 개를 세포 밖으로, K⁺ 두 개를 안으로 옮긴다. 세포 안의 Na⁺ 농도를 낮게, K⁺ 농도를 높게 유지하는 데 관여한다. 한 주기에서 양전하가 순수하게 하나 바깥으로 이동하므로 전기발생성(electrogenic) 수송이기도 하다. 세포의 막전위에는 이 펌프의 직접적인 전하 이동과 펌프가 유지한 이온 농도차가 함께 관계된다.

소장 흡수상피세포의 관강 쪽 막에는 Na⁺와 포도당을 함께 들이는 SGLT1이 있다. Na⁺가 자신의 전기화학적 기울기를 따라 들어오는 과정이 포도당 유입과 결합된다. 이 경로에서는 포도당이 자신의 농도차를 거슬러 축적될 수 있다. 세포 안으로 들어온 포도당은 기저외측의 GLUT2를 통해 농도차를 따라 빠져나가는 경로를 갖는다.

이때 Na⁺/K⁺ 펌프는 주로 기저외측 막에서 세포 안의 Na⁺를 내보낸다. 포도당을 들이는 막, 포도당을 내보내는 막, Na⁺ 기울기를 유지하는 막의 단백질 배치가 연결되어 상피를 가로지르는 수송이 된다. SGLT1의 수송 단계에서 ATP를 직접 분해하지 않아도, 그 구동력을 유지하는 과정에는 ATP가 사용된다.

공동수송(symport)과 교환수송(antiport)은 결합된 물질들이 각각 같은 방향, 반대 방향으로 움직인다는 뜻이다. 일차·이차 능동수송은 에너지가 결합되는 방식을 가리킨다. 같은 운반체도 단백질의 이름, 물질들의 방향, 구동력이라는 서로 다른 기준으로 기술할 수 있다.

막전위(membrane potential)는 막 양쪽의 전위 차이다. 보통 세포 바깥을 기준으로 안쪽 전위를 적는다. −70 mV라는 값은 안쪽이 바깥보다 70 mV 낮다는 뜻이다. 여러 신경세포의 설명에서 쓰는 대표값이며 세포 종류와 상태에 따라 달라진다. 세포막 가까이의 작은 전하 분리로 전위 차이가 생겨도 양쪽 용액의 대부분은 거의 전기적 중성을 유지한다.

K⁺만 통과하는 막을 가정하면, K⁺가 농도차를 따라 바깥으로 이동할수록 안쪽의 상대적 음전위가 커진다. 어느 전위에서는 밖으로 향하는 농도 효과와 안으로 향하는 전기적 효과가 균형을 이룬다. 그 이온의 순이동이 없어지는 전위를 평형전위(equilibrium potential)라 한다. 평형전위는 이온마다 안팎의 농도비와 전하에 따라 다르다.

네른스트 식(Nernst equation)은 한 이온의 전기화학적 평형전위를 나타낸다. 안쪽 전위에서 바깥쪽 전위를 뺀 값을 기준으로 E = RT/(zF) × ln([이온]밖/[이온]안)으로 쓴다. R은 기체상수, T는 절대온도, z는 이온의 전하수, F는 패러데이 상수이다. 농도 대신 활동도를 쓰는 것이 엄밀한 형태이며 아래 계산은 묽은 용액의 농도로 근사한다.

37°C의 K⁺에 대해 세포 안 140 mmol/L, 밖 5 mmol/L를 가정하면 E는 약 −89 mV가 된다. 이 수치는 식의 작동을 보이는 계산 예시다. 막전위가 −70 mV라면 이 조건의 K⁺ 순이동은 열린 K⁺ 통로를 통해 바깥으로 향하고, −100 mV라면 안쪽으로 향한다. 동일한 농도차에서도 실제 막전위에 따라 순이동 방향이 달라진다.

실제 세포막은 여러 이온을 서로 다른 정도로 통과시킨다. 휴지막전위에는 이들의 농도차와 상대적 투과성, 전기발생성 수송이 함께 관여한다. 활동전위에서는 전압 의존성 통로의 개방·불활성화와 이온 전류가 시간에 따라 달라진다. Na⁺/K⁺ 펌프는 지속적인 이온 기울기 유지에 기여하며, 빠른 전위 변화는 그때 열려 있는 통로를 통한 전류와 직접 연결된다.

막단백질은 지질층을 가로지르거나 한쪽 면에 결합한다. 막관통 부위의 소수성 부분은 지질 사슬과 접하고, 수용성 부분은 세포질이나 세포외액에 노출된다. 통로 안쪽에는 이온이나 물과 상호작용하는 부위가 있다. 같은 막단백질이라도 수송, 촉매, 신호 수용, 접착에 관여하는 구조와 결합 상대가 다르다.

칼륨 통로의 선택성에는 이온이 지나는 좁은 구간의 원자 배열이 관여한다. 1998년 도일(D. A. Doyle) 등은 세균 Streptomyces lividans에서 유래한 KcsA 통로의 결정 구조를 보고했다. 3.2 Å 해상도의 분석에서 네 소단위체가 통로를 이루고, 선택성 필터의 주사슬 카르보닐 산소들이 K⁺와 상호작용하는 배치를 확인했다.

K⁺는 물속에서 주변에 물 분자를 거느린다. 필터를 통과할 때는 이 수화 환경의 일부를 단백질의 산소 원자와의 상호작용으로 바꾼다. Na⁺는 K⁺보다 작지만 같은 배치에서 동일하게 안정화되지 않는다. 통로의 선택성에는 이온의 크기와 함께 수화 상태, 결합 위치, 에너지 변화가 관여한다. 공개 구조 데이터 RCSB PDB 1BL8에서 이 통로의 분자 모형을 살필 수 있다. 세균에서 분리한 통로를 결정 분석해 얻은 분자 구조다.

세포 표면 수용체는 바깥의 리간드(ligand; 결합 상대 분자)와 결합한 변화를 세포 안쪽으로 전달한다. 리간드 개폐성 이온 통로에서는 결합이 통로의 개방 확률을 바꾼다. G단백질 연결 수용체에서는 세포질 쪽 G단백질이 신호 전달에 참여하고, 효소 연결 수용체에서는 수용체 자체 또는 결합한 효소의 활성이 달라진다.

수용체에 결합한 신호 분자가 세포 안으로 직접 들어오지 않아도 세포 내부 반응이 바뀔 수 있다. 수용체가 결합하는 물질, 세포 안에 있는 전달 단백질, 신호의 지속시간이 반응을 결정하는 조건에 포함된다. 일부 지용성 신호 분자는 막을 통과해 세포 안의 수용체에 결합한다. 수용체의 위치는 신호 분자의 성질과 전달 경로에 따라 다르다.

세포내섭취(endocytosis)에서는 세포막이 안쪽으로 굽고 분리되면서 바깥 물질을 담은 소포가 만들어진다. 소포 안의 화물은 막으로 둘러싸여 있으므로 세포질액과 곧바로 섞이지 않는다. 막을 가로지르는 분자 수송과, 막이 둘러싼 공간 자체를 옮기는 소포 수송은 이 점에서 경로가 다르다.

식작용(phagocytosis)은 큰 입자나 미생물 등을 감싸 들이는 과정이고, 음세포작용(pinocytosis)은 세포외액과 그 안의 물질을 들이는 여러 경로를 포함한다. 수용체 매개 세포내섭취에서는 특정 화물이 수용체에 결합해 모인다. 클라트린은 일부 경로에서 소포 형성에 관여하는 외피 단백질이다.

들어온 화물과 수용체는 엔도솜에서 분류될 수 있다. 일부 수용체와 막 성분은 세포 표면으로 돌아가고, 일부 화물은 리소좀으로 이어지는 경로에서 분해된다. 이 과정은 표면의 수용체 수와 신호가 지속되는 시간에도 영향을 준다. 막단백질의 작용은 단백질이 존재하는지에 더해 어느 구획에 놓여 있는지와도 연결된다.

세포외배출(exocytosis)에서는 소포막이 세포막과 융합해 소포 내부를 바깥 공간에 연결한다. 분비 단백질이나 신경전달물질이 이런 경로로 방출된다. 소포막의 성분은 세포막에 합쳐지고, 세포내섭취를 통해 다시 회수될 수 있다. 분비와 회수가 이어지면서 막의 면적과 성분 구성이 조절된다.

세포막에서 관찰하는 변화에는 지질과 단백질의 측방 이동, 통로를 통한 이온 흐름, 수송체의 물질 이동, 소포의 형성과 융합이 함께 있다. 형광 추적은 표지한 분자의 위치를, 전류 기록은 전하의 이동을, 구조 분석은 분자의 입체 배치를 보여 준다. 각각의 측정 대상에 따라 같은 세포막의 서로 다른 과정이 기록된다.