원형질막

진핵 세포의 세포 안과 세포 밖을 구분해주는 막

목차

원형질막은 진핵 세포의 세포 안과 세포 밖을 구분해주는 막으로서 외부에서 주어지는 스트레스로부터 세포 내부를 보호하는 한편 이온, 유기 물질, 영양소 등은 선별적으로 투과를 조절하는 기능을 수행한다. 이는 사실상 세포 또는 생명 현상의 가장 기본적인 유지 조건이기도 하다. 이와 같은 기능을 수행하기 위하여 원형질막은 지질 이중 막 (lipid bilayer)을 기본으로 하여 구성되어 있으며 기타 단백질, 탄수화물 등이 수식화 또는 보완 기능을 수행한다 (그림 1). 이러한 기능 이외에도 세포 부착 (cell adhesion), 신호 전달, 이온 전달 등의 경로를 거쳐 다른 세포 또는 세포외 기질 (extracellular matrix) 등과 상호 작용하는 데도 관여한다. 세포의 형태를 유지하는 세포 골격 (cytoskeleton) 또한 원형질막에 고정(anchorage)된다. 박테리아 등의 원핵세포는 원형질막 바깥에 세포벽 (cell wall)이 따로 존재한다 (1, 2).  

그림 1. 원형질막의 구조. 양친매성 (amphiphilic)의 지질 이중층 (lipid bilayer)을 기반으로 하여 여러 종류의 당지질, 콜레스테롤, 당단백질, 각종 단백질로 이루어져 있어 세포 안팎을 구분해 주며 선택적 물질 이동을 가능하게 한다 (출처, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Cell_membrane). 

원형질막은 세포에 필요한 물질을 선택적으로 투과시키고 불필요하거나 위험한 물질을 투과시키지 않으며 불필요하게 축적된 물질을 세포 밖으로 내보내는 필터 역할을 수행한다. 그리하여 세포 안팎의 전위차, 농도 차, pH 등을 유지한다. 원형질 막에서는 아래와 같은 기전이 작동되어 그러한 특이적 투과를 가능하게 한다. 

CO₂, O₂ 등의 작은 이온 등의 물질은 농도 및 자유 에너지 차에 의하여 확산되어 세포 안팎 간에 이동한다. 원형질막은 어떠한 물질이나 이온이 자유롭게 확산되지 못하게 작용할 수 있으므로 그때에는 세포 안팎 간에 삼투압차가 발생하여 물 분자가 삼투 현상 (osmosis)을 통해 투과하게 된다. 물 분자는 확산을 통하여 세포 안팎 간에 이동하되 특이한 단백질 통로 (channel) 즉 aquaporin 통로를 통하여서 이동한다. 포도당의 경우는 포도당 운반체 (glucose transporter)을 통해서 세포 안팎 간에 이동한다. 이러한 형태의 확산을 촉진 확산 (facilitated diffusion)이라고 한다. 

세포가 에너지를 사용하여 자유에너지 차에 무관하게 이온이나 단백질을 세포 안팎으로 강제로 이동하는 방법이다. 예를 들면 Na⁺-K⁺ ATPase의 경우 ATPase의 활성에 의해 생성된 ATP를 이용하여 Na⁺, K⁺를 서로 반대 방향으로 동반 이동시킨다. 

원형질막 일부가 변형되면서 함몰되어 그 안에 포획된 물질을 세포 안으로 이입시키는 과정으로서 에너지를 소모하는 능동적 과정이다. 고형 성분 (solid substance)을 이입하는 것이 식세포작용 (phagocytosis), 액형 성분 (liquid substance)을 이입하는 것이 음세포작용 (pinocytosis)이라고 한다.  

세포내 이입과 반대로 세포 내 물질을 세포 바깥으로 내보내는 작용으로 골지체로부터 직접 세포외 분출되는 경우도 있고 골지체로부터 형성된 분비 과립 (secretory vesicle)을 통하여 세포외 분출되기도 한다. 

원형질막은 주로 지질, 단백질 및 탄수화물로 이루어져 있으며 지질은 양친매성 (amphiphilic)인 인지질 (phospholipid), 당지질 (glycolipid), 콜레스테롤이 주성분이고 그 중 인지질이 대부분을 차지한다. 인지질의 꼬리 부분을 형성하는 지방산의 포화도 및 탄소 쇄의 길이에 따라 인지질의 성질이 결정된다. 즉 지방산의 포화도가 높으면 용융 온도 (melting temperature)가 상승하고 불포화도가 높으면 용융온도가 저하되어 용해도가 증가한다. 단백질은 세포 간 신호 전달, 운반체, 채널 형성, 수동적 또는 능동적 이동에 중요한 역할을 하며 원형질막 전체를 관통하는 integral protein, 원형질막의 한쪽에만 부착되어 있는 peripheral protein, 지질에 고정된 lipid anchored protein 등으로 나누어 진다. 탄수화물은 당화단백질 (glycoprotein) 및 당화지질 (glycolipid)의 구성 성분으로 작용하며 세포안쪽 막에는 없고 세포 바깥쪽 막의 단백질, 지질을 수식한다 (그림 1). 

원형질막이 어떤 형태로 생겼는지에 대해 정확한 정보는 알려진 바 없다. 그러나 위에 설명한 원형질막의 구성에 따라 1972년 Singer & Nicolson은 유체 모자이크 모델 (fluid mosaic model)을 제시하였다. 이 모델에 따르면 원형질막은 2차원의 엑체로 된 판 구조이며 그 2차원내에서 단백질과 지질이 비교적 자유롭게 이동할 수 있다. 이 모델은 여러 현상을 잘 설명할 수 있으나 이 모델과는 달리 여러 단백질이 분명한 구조가 분명한 구조를 유지하고 있는 예도 많다.  

진핵 세포 (eukaryotic cell), 지질 이중막 (lipid bilayer), 세포 벽 (cell wall). 

1)   Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015.p748-750.

2)   Alberts B et al. Molecular Biology of the Cells. 6^th edition. Garland Science 2015.p572-574.