세포막

세포막(cell membrane)은 세포의 표면을 둘러싸고 있는 막으로 세포 내부와 외부를 서로 구분해준다. 세포막은 기본적으로 세포의 형태를 유지하고 외부의 자극으로부터 세포를 보호한다.¹⁾ 세포막이 내부와 외부를 구분하는 것은 구조적으로 인산염이 붙은 친수성(hydrophilic) 부분과 지방산이 붙은 소수성(hydrophobic) 부분을 동시에 갖고 있어 열역학적으로 안정한 이중층이 구성되기 때문이다.

인지질은 지질을 구성하는 지방산의 길이와 불포화도의 정도에 따라 다양하게 구성되어 있고, 친수성 부분도 인지질에 따라서 다양하게 구성된다. 세포막을 구성하는 지질로는 주요 지질인 인지질 외에 당지질과 스테롤(sterol)이 있다. 지질 두께는 7.5~10nm 정도이며 단백질 55%, 지질 중 인지질 25%, 콜레스테롤 13%, 그 외에 지질 4%, 그리고 탄수화물이 약 3% 정도로 구성되어 있다.

세포막을 광범위하게 이해하려면 분자 생물학, 생물리 화학, 분자 유전학, 생리학, 세포 생물학, 미생물학, 생화학, 계산 생물학 등의 여러 분야에 걸친 접근법이 필요하다. 원핵생물의 세포막 원핵 생물은 진성 박테리아와 고세균으로 분류되며 양자 모두 단세포 유기체이다. 원핵 생물의 세포는 세포막이 간단하게 조직되어 있고, 박테리아의 세포질의 경계는 플라즈마 막에 의하여 정해진다. 플라즈마 막은 반투과성 막 단백질과 지질 이중층을 형성하는 지질로 구성되어 있으며 이러한 구성 성분은 비공유성 힘에 의하여 안정되어 있다. 그러나 안정함에도 불구하고 변형이 가능하기에 세포벽으로 견고함을 얻는다. 플라즈마 막은 모든 세포가 가져야 할 기본적 구조적 특징을 가진다. 모든 세포에 필요한 특이성을 플라즈마 막이 제공한다.

세포벽은 세포 바깥 형틀은 공유 결합으로 연결된 상당히 견고한 구조로 교차 연결된 펩티도글라이칸으로 구성되어 있다. 펩티도글라이칸은 세포벽 단백질과 올리고당으로부터 형성되어 있다. 세포벽은 세포막이 아니다. 그것은 막 지질을 포함하지 않기 때문이다. 고세균의 막은 기본적으로 지질 이중층으로 구성되어 있지만 지질의 머리와 꼬리 부분이 다른 세포의 지질과 다르다. 이것들의 탄화수소의 사슬은 이중 결합이 존재하지 않는다. 화학적으로 반응성이 존재하는 이중 결합이 없다는 점이 이러한 고세균이 극한 환경 상태에서 살아남게 해준다. 또한 가지 달린 사슬을 지질에 포함하여 넓은 온도 범위에서도 액정상태로 막을 안정화시킨다. 이들의 탄화수소 사슬은 글리세롤의 2와 3번 위치에 에터로 연결되어 박테리아와 진핵 생물의 지질과 다른 것이다.²⁾

세포막 구조()

목차

세포막에 존재하는 단백질에는 가장 대표적인 것이 수송단백질이고, 그 밖에 구상단백질과 당단백질 등이 있다. 세포막의 유동성은 막에 존재하는 콜레스테롤의 양과 지질의 종류에 따라 차별적으로 나타나는데, 실제적으로 콜레스테롤 분자도 스테로이드(steroid) 구조체가 매우 지용성이기 때문에 지질에 속한다. 이들은 인지질 이중층의 세포막에 녹아 있는 상태로 존재한다고 할 수 있다고 할 수 있으며, 체액의 수용성 구성 물질에 대한 세포막의 투과성 정도를 결정하는 데 큰 역할을 한다.

세포막은 인지질 이중층 구조로 인하여 반투과성을 지닌다. 크기가 작거나 혹은 소수성 일부 물질은 세포 내외로 수송이 가능하다. 그렇지 않은 대부분의 물질들은 세포막에 존재하는 특정 수용체 또는 수송단백질들의 도움을 받아 능동적으로 또는 수동적으로 통과하게 된다.³⁾

능동수송은 분자에 따라 아데노신삼인산 형태로 존재하는 에너지를 소모하는 수송 형태이며 수동수송은 에너지를 소모하지 않는다. 막 속에 존재하는 특별한 효소가 세포 안으로의 물질 투과를 조절하기도 한다.

수동수송의 예로 비극성 분자, 작은 극성 분자, 그리고 산소, 이산화 탄소 등은 막에 존재하는 단백질의 매개가 필요 없는 확산을 통해 운반된다. 또한 극성이나 전하를 갖는 작은 분자들 또는 이온들은 각각에 합당한 막단백질이 매개하는 촉진확산의 방식으로 운반된다. 물 분자는 확산의 형태로 혹은 일반적인 삼투형태로 수송된다.

능동수송 과정은 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로, 즉 농도 기울기에 역행하여 수송되는 것으로 아데노신 삼인산(ATP)의 가수분해에 의한 에너지가 필요하다. 세포는 필연적으로 외부 환경의 삼투 농도(osmotic concentration)에 민감할 수밖에 없다. 세포막은 어느 정도의 압력은 버틸 수 있으나 삼투 농도가 낮은 환경에 노출되면 세포 내부로 물이 유입되어 세포가 터지게 된다. 이러한 현상을 극복하기 위하여 생물체는 세포끼리 모여 튼튼한 다세포 구조를 형성할 수 있으며, 단세포 생물은 약한 세포막을 보호하기 위하여 튼튼한 세포벽을 세포막 외부에 두른다. 식물들의 세포벽은 셀룰로스(cellulose)로 구성되어 있으며 세균들은 펩티도글라이칸(peptidoglycan), 고균들은 슈도펩티도글리칸(pseudopeptidoglycan) 같은 물질로 구성된 세포벽을 갖는다.

세포막의 탄수화물은 단백질이나 지질에 연결되어 당단백질(glycoprotein) 혹은 당지질(glycolipids)의 형태로 존재하며 이들 분자의 당(glyco)에 해당하는 부분은 친수성을 가지므로 대부분 세포의 바깥쪽으로 돌출되어 매달려 있다. 세포막 바깥쪽 표면에 붙어있는 탄수화물은 상대적으로 산소 원자를 많이 포함하고 있어 대부분의 경우에 전기적 음성을 띠고, 이러한 영향으로 세포가 전체적으로 음전하를 띠고 있게 하여 다른 음전하를 띤 물질을 배척하게 된다. 한 세포의 당질층은 다른 세포의 당질층과도 서로 결합을 하여, 세포와 세포를 연결해주는 역할도 한다.⁴⁾

1. Singleton P (1999). Bacteria in Biology, Biotechnology and Medicine(5th ed.). New York: Wiley.
2. Philip L. Yeagle, The Membranes of Cells, 3rd edition, Elsevier Inc, 2016.
3. Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. (2002). Molecular Biology of the Cell(4th ed.). New York: Garland Science.
4. Brandley BK, Schnaar RL (July 1986). Journal of Leukocyte Biology. 40(1): 97–111.