화학 삼투

요약 어떤 이온이 전기화학적 구배에 따라 반투과성막을 투과해 이동하려는 현상.

'화학 삼투(chemiosmosis)는 어떤 이온이 전기화학적 구배(electrochemical gradient)에 따라서 반투과성막(semipermeable membrane)을 통과해 이동하려는 현상을 말한다. 화학 삼투는 1961년 피터 미첼(Peter Dennis Mitchell, 1920~1992) 박사에 의해서 제안되었다. 화학 삼투를 통해서 이온을 이동시키는 힘의 크기와 방향은 2가지 요소에 의해서 결정된다. 첫 번째는 반투과성막을 기준으로 한 두 공간의 이온 농도 차이이며, 두 번째는 반투과성막을 기준으로 한 두 공간의 전위차(electrical potential)이다. 두 요소의 합에 의해서 나타나는 최종적인 힘이 전기화학적 구배이며, 이에 따라 전하를 띤 물질이 이동하는 현상이 곧 화학 삼투이다.

생물체를 구성하는 생체막의 주성분인 인지질 이중층(lipid bilayer)은 전하를 띤 이온을 투과시키지 않는 특성을 갖는다. 이에 따라 세포막에는 전하를 띤 물질이 따로 이동할 수 있는 통로 단백질이 박혀 있으며, 이를 통해 물질이 이동한다. 이때 물질의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하려는 힘과, 전기적 성질에 따라 반대 전하를 띤 공간으로 이동하려는 전기적 힘이 동시에 작용하여 생체막을 사이로 양쪽 공간에서 전기화학적 구배가 발생한다.

화학 삼투의 대표적인 예시가 양성자(H⁺, 수소 이온)의 이동이다. 세포소기관의 하나인 미토콘드리아는 외막과 내막의 이중막 구조로 이루어진다. 미토콘드리아 내부에서는 내막을 사이에 두고 전기화학적 구배에 따라 내막 안쪽의 공간인 '기질'에서 내막과 외막 사이의 '막 사이 공간'으로 양성자의 이동이 일어나는데, 이처럼 양성자가 화학 삼투에 의해서 이동하려는 힘을 양성자 구동력(proton-motive force)이라고 한다. 미토콘드리아의 내막에는 ATP 합성 효소(ATP synthase)가 박혀 있으며, ATP 합성 효소는 화학 삼투에 따른 양성자 구동력을 이용하여 ADP와 무기인산을 결합시켜 ATP를 합성한다.