6장 용질의 수송

6.1 수동수송과 능동수송

- 분자의 자발적인 ‘기울기에 따른’ 이동을 수동수송이라 한다 평형상태에서는 추진력을 가하지 않으면 용질의 순이동은 일어나지 않는다.

- 농도나 화학적 기울기에 반하여 어떤 물질이 수송될 때 능동수송이라 한다.

- 어떤 용질의 화학적 퍼텐셜은 농도, 전기적 정수압 퍼텐셜, 그리고 표준 조건 하의 화학적 퍼텐셜의 합으로 정의 됨

(6.1)   [eqn: tilde{mu _{j}} ``````=``` mu _{j} ^{＊} ````````+```````RT`ln`C _{j```} ``````+``````z _{j} FE`````+```` bar{V _{j}} P]

μj: 용질 j의 화학 퍼텐셜을 몰 당 줄(Jmol-1)의 단위로 표시

μj*: 표준 조건 하에서의 화학적 퍼텐셜 (무시될 수 있음)

R: 기체상수

T: 절대온도

Cj: j의 농도 (또는 활동도)

zjFE: 전기적 분획, 용해된 이온에만 적용 (z는 이온의 정전기적 전하량

- 1가 양이온에서는 +1, 1가 음이온에서는 -1, 2가 양이온에서는 +2임.

F: 페러데이 상수 (1mol 양성자에 미치는 전하량과 동일)

E: (바닥 상태를 기준으로 한) 용액의 총 전기적 퍼텐셜

VjP: j의 화학적 퍼텐셜에 부분 몰 부피인 j(Vj)와 압력(P)이 기여함을 표시

- j의 부분 몰 부피는 계에 소량 가해진 물질 j의 몰 당 부피의 변화)

■ 투과가 가능한 막을 가로지르는 설탕 확산의 예

- 세포 내에서의 설탕의 화학적 퍼텐셜:

(6.2)  [eqn: tilde{mu _{s}}`^{i}``````=```` mu _{s} ^{＊} ```+``RT`ln`C _{s} `^{i}]

(농도 성분)

s: 설탕, I: 내부, o: 외부

- 세포 외부의 설탕의 화학적 퍼텐셜:

(6.3)  [eqn: tilde{mu _{s}} ` ^{i} ``````=```` mu _{s} ^{＊} ```+``RT`ln`C _{s} ` ^{o}]

- 세포 내부와 외부 용액 사이의 설탕의 화학적 퍼텐셜의 차이:

# 설탕이 내부로 수송되기 위해서는 세포의 외부에서 제거(-)되고, 내부로 첨가(+)되어야 한다. 자유에너지의 변화는 다음과 같다.

(6.4)  [eqn: TRIANGLE tilde{mu _{"s"}} ``=`` tilde{mu _{"s"}} ` ^{I} ```- tilde{mu _{s}} ` ^{o}]

- 위의 식에 6.2와 6.3을 대입하면 다음과 같다.

(6.5)  [eqn: TRIANGLE ` tilde{mu _{s}} ```=```( mu _{s} `` ^{＊} ```+RT`lnC _{s} `` ^{i} `)``-``( mu _{s} ` ^{＊} ``RT`lnC _{s} ` ^{o} )# ````````````````````=`RT(lnC _{s} ` ^{i} `-`ln`C _{s} ` ^{o} )# ````````````````````=`RT`ln {C _{s} ` ^{i}} over {C _{s} ` ^{o}}]

- 만약 화학적 퍼텐셜의 위 차이가 음의 값을 가지면 설탕은 자발적으로 내부로 확산될 수 있다.

- 즉 용질 확산 추진력(△μ)은 농도 기울기의 크기 (Csi/Cso)와 관련된다.

■ 전하를 띤 용액의 확산 (ex: K ion)

- 전하를 띤 용질의 경우는 화학적 퍼텐셜의 전기적 성분도 고려되어야 함

- 전하를 띤 K나 Cl들은 독립적으로 확산되기 때문에 각자는 이들 자신의 화학적 퍼텐셜을 갖는다. 따라서 내부로 K의 확산 시 다음과 같이 정의된다.

(6.6)  [eqn: TRIANGLE tilde{mu } ` _{K} ```=``` tilde{mu } ` _{K} ^{i} ````-``` tilde{mu } `` _{K} ^{o}]

(6.8)  [eqn: TRIANGLE ` tilde{mu } ` _{K} ```=``RT`ln {LEFT [ K ^{+} RIGHT ] ^{i}} over {LEFT [ K ^{+} RIGHT ] ^{o}} ``F(E ^{i} ``-E ^{o} )]

(여기서 z는 K가 +1가 이온이므로 1임)

- 위 표현의 크기와 부호는 막을 가로지르는 K의 확산 추진력과 그 방향을 지시함.

- 즉 이온의 확산은 농도 기울기와 전기적 퍼텐셜의 차이에 모두 반응한다.

# 위 방정식은 적절한 전압(전기장)이 두 분획 사이에 가해진다면 농도 차이에 불구하고, 이온이 수동적으로 수송될 수 있음을 시사한다.

[eqn: TRIANGLE tilde{mu }]   [eqn: tilde{mu }]

6.2 막 장벽을 가로지르는 용질의 수송

- 만일 두 KCl 용액이 생물막에 의해 분리되어 있을 경우에는 이온이 막을 통과하여 이동해야 하기 때문에 확산은 더욱 복잡하다.

- 막이 어떤 물질의 이동을 허용하거나 제한하는 정도를 “막투과성”이라 한다.

- 막투과성은 대체로 막에서 용질의 확산계수로 표현될 수 있다. 이론적으로 특정한 조건에서 막을 통해 용질이 통과하는 속도를 결정함으로써 투과성을 측정할 수 있다.

- 막은 확산을 늦추며 평형에 도달하는 속도를 감소시킨다. 하지만 평형조건을 변화시킬 수는 없다. 평형은 △μ = 0 일 때 일어난다.

1) 반대 전하를 띠는 이온들이 서로 다른 속도로 막을 가로질러 이동할 때에 확산 퍼텐셜이 발생한다.

- 확산의 결과 발생하는 막 퍼텐셜을 “확산 퍼텐셜”이라 한다.

2) 네른스트 방정식은 평형 상태에서 막 퍼텐셜 및 이온의 분포와 관련된다.

- 막을 가로지르는 어떤 용질의 분포가 평형에 도달했을 때 외부에서 내부로 그리고 내부에서 외부로의 수동적인 유량, J는 동일하다 (J: 단위 시간당 단위 막면적을 통과하는 용질의 양)

[eqn: J _{o` -> `i} ```=```J _{i` -> `o}]

- 유량은 △μ와 관련되며, 따라서 평형상태에서 전기화학적 퍼텐셜은 동일해진다.

[eqn: tilde{mu_j}`^o```=``tilde{mu_j}``^i]

- 어떤 주어진 이온에서는 다음과 같다.

[eqn: mu _{j}^＊```+``RT lnC_j`^o``+``z_j`FE^o```=``mu_j^＊``+``RT lnC_j`^i``+z_j`FE^i]

- 위 식을 정리하면 평형 상태 하의 두 구획 사이에서 전기적 퍼텐셜의 차이는 다음과 같다.

[eqn: E ^{i} ``-`E ^{o} ``=` {RT} over {z _{j} `F} ` LEFT ( ln {C _{j} ^{``o}} over {C _{j} ` ^{i}} RIGHT )]

- 이 전기적 퍼텐셜의 차이를 그 이온의 “네론스트 퍼텐셜 (△Ej)”이라 한다.

[eqn: TRIANGLE E_j```=``E^i``-`E^o]

- 즉 다음과 같이 표현할 수 있다.

△[eqn: E _{j} ```=` {RT} over {z _{j} `F} ` LEFT ( ln {C _{j} ^{``o}} over {C _{j} ` ^{i}} RIGHT )]

∴ [eqn: TRIANGLE E _{j} ```=`` {2.3RT} over {z _{j} `F} LEFT ( log {C _{j` ^{}} ^{``o}} over {C _{j} ^{``i}} RIGHT )]

- 네른스트 방정식으로 알려진 이 관계는 평형 상태에서 두 구획 간의 특정 이온의 농도 차이는 두 구획 간의 전압차에 의해 평형을 이룬다는 것을 나타냄.

- 25℃의 단일가 양이온에서 네른스트 방정식은 아래와 같이 단순화된다.

[eqn: TRIANGLE E _{j} ```=``5.9mV`````log {C _{j} ^{``o}} over {C _{j} ^{```i}}]

∴ 10배 차이의 농도는 59mV (Co/Ci=10/1; log10=1)라는 네른스트 퍼텐셜과 동일해진다. 즉 59mV의 막 퍼텐셜이 존재할 경우 수동적인 확산에 의해서 수송되는 이온의 기울기는 10배로 유지될 수 있다.

- 모든 살아있는 세포는 내부와 외부에 이온이 불균등하게 분포하기 때문에 막 퍼텐셜을 나타낸다. 그러므로 세포 내에 미세전극을 삽입하여 세포의 내부와 외부 용액의 전압차를 측정함으로써 막 퍼텐셜을 쉽게 결정할 수 있다.

3) 네른스트 방정식을 사용하여 능송수송과 수동수송을 구별할 수 있다.

① K는 세포질과 액포에 수동적으로 축적된다.

② Na는 세포질에서 세포 외부 공간이나 액포로 능동적으로 펌핑되어 배출된다.

③ 중간대사에 의해 발생하는 과도한 양성자도 세포질에서 능동적으로 배출된다 - 이를 통하여 세포질의 pH는 중성으로 유지되는 반면에 액포와 세포 외부의 매질은 pH 단위 1-2 정도의 차이가 날 정도로 산성이 된다.

④ 음이온은 모두 능동적으로 세포질로 흡수된다.

⑤ Ca은 세포막과 액포막 모두에서 세포질 외부로 능동적으로 수송된다

4) 양성자 수송은 막 퍼텐셜을 주로 결정한다.

6.3 막수송과정

◦ 채널, 운반체 그리고 펌프라는 3가지 유형의 막수송 단백질이 용질의 수송에 관여한다.

1) 채널 수송단백질이 막을 통한 이온과 물의 확산을 촉진한다

◦ 채널은 분자나 이온이 막을 가로질러 확산할 수 있는, 막에서 선택적인 구멍으로 활용되는 막관통 단백질이다.

◦ 채널을 통한 수송은 언제나 수동적이며, 수송의 특이성은 선택적인 결합보다는 주로 구멍의 크기와 전하량으로 결정됨.

- 따라서 채널 수송은 대개 이온이나 물에만 국한됨.

2) 운반체는 특정한 물질을 결합하고 수송한다.

◦ 운반체 단백질은 채널과는 달리 막을 완전히 관통하는 구멍은 없다.

- 수송 물질은 우선 운반체 단백질의 특정 부위에 결합한다. 따라서 고도의 선택서을 갖는다.

- 결합이 일어나면 단백질에 구조적인 변화가 일어나 수송물질을 막의 다른 부위의 용약으로 방출시킨다.

- 그러므로 채널에 비해 운반 속도는 백만배 정도 느려 초당 100-1000개의 이온이나 분자들을 수송한다.

3) 1차 능동수송은 대사에너지나 화학적 에너지와 직접 연관된다.

◦ 능동 수송을 위해서는 운반체는 에너지를 방출하는 다른 반응과 짝지어 전체의 자유에너지 변화가 음의 값을 가져야 한다.

◦ 1차 능동수송을 수행하는 막단백질을 펌프라 한다.

- 대부분의 펌프는 H+이나 Ca2+과 같은 이온을 수송하지만 커다란 유기물질도 수송할 수 있다.

◦ 이온펌프에는 전기발생적 수송과 전기적 중성 수송 등 2가지가 있다.

4) 2차 능동수송 과정은 전기화학적 퍼텐셜 기울기에 저장된 에너지를 사용한다.

◦ 어떤 용질의 역행수송과 다른 용질의 순행수송을 짝짓는다면 전기화학적 퍼텐셜의 기울기에도 불구하고 용질은 막을 가로질러 능동적으로 수송될 수 있다, 이와 같이 운반체에 의해 중개되는 공동수송을 2차 능동수송이라 한다.

◦ H+ 수송에 의해서 발생하는 양성자 구동력은 2차 능동수송에서 전기화학적 퍼텐셜의 차이에 역행하여 많은 다른 물질들을 수송하는 데 활용된다.

◦ 2차 능동수송에는 공동수송과 역수송이 있다.

- 공동수송은 막을 통하여 같은 방향으로 수송되는 것을 말하며, 역수송은 순행수송되는 양성자가 반대 방향으로 용질의 능동(역행)수송을 추진하는 연계수송을 말한다.

- 두 가지 2차 수송에서 양성자와 동시에 수송되는 이온이나 단백질은 전기화학적 퍼텐셜의 차이에 역행하여 이동된다.

- 이와 같은 수송을 추진하는 에너지는 ATP 가수분해보다는 양성자구동력에 의해서 이루어진다.

6.4 막수송 단백질

1) 키네틱스 분석을 통하여 수송메커니즘을 밝힐 수 있다.

◦ 기질 농도를 증가시켜도 운반체에 의해 중개되는 수송과 또한 채널 수송의 최고속도 (Vmax)는 초과할 수 없다.

- 용질의 농도가 아니라 운반체의 농도가 속도를 제한한다.

- 따라서 Vmax는 막에서 작동하는 특정 운반체 단백질의 분자수를 나타낸다.

◦ 최대 수송 속도의 반을 나타내는 용질의 농도 상수 Km은 특정한 결합 부위의 특성을 반영한다.

- Km 값이 낮다는 것은 수송물질에 대한 수송 부위의 특이성이 높다는 것을 의미함.

- Km 값이 높다는 것은 용질에 대한 수송 부위의 특이성이 낮다는 것이며, 특이성이 낮기 때문에 실제로 Vmax에 결코 도달하지 못하는 경우가 흔하다. 이런 경우에는 키네틱스 만으로는 운반체와 채널을 구분할 수 없다.

2) 다수의 수송단백질 유전자를 클로닝하였다.

3) 특이적인 수분채널의 유전자가 동정되었다.

4) 원형질막의 H+-ATP 가수분해효소는 몇 개의 기능적인 도메인을 갖는다.

5) 액포의 H+-ATP 가수분해효소는 액포 내로 용질을 축적시킨다.

◦ 액포로 물이 유입되기 위해서는 액포의 삼투압이 충분히 높게 유지되어야 한다.

◦ 액포의 H+-ATP 가수분해효소 (V-ATP 가수분해효소; V-ATPase)는 원형질막의 H+-ATP 가수분해효소와는 구조적 기능적으로 다르다.

◦ 액포의 ATP 가수분해효소가 ATP를 가수분해할 때에는 인산화된 중간산물을 형성하지 않기 때문에 원형질막의 ATP가수분해효소의 저해제인 바나드산염에 감수성을 나타내지 않는다.

- 액포의 ATP 가수분해효소는 원형직막 ATP 가수분해효소를 저해하지 않는 항생제 바필로마이신과 고농도의 질산염에 의해 특이적으로 저해된다.

◦ 액포의 ATP 가수분해효소는 750 KDa의 분자량을 가지며, 최소 10개의 소단위로 구성된 거대 효소복합체이다.

- 이들 단량체는 주변의 촉매복합체인 V1과 내부 막채널복합체인 V0로 구성된다.

◦ 액포의 ATP 가수분해효소는 세포질에서 액포로 양성자를 수송하며 액포막의 가로질러 양성자 구동력을 발생시킬 수 있는 전기발생적 양성자 펌프이다.

- 액포의 H+-ATP 가수분해효소는 액포막을 가로지른 양성자의 커다란 농도(pH) 기울기를 만들게 된다. 이 기울기로 액포액의 pH가 5.5인 반면에 세포질 pH는 7.0-7.5 사이가 된다.

6) 식물 액포들은 2차 양성자 펌프인 H+-피로인산 가수분해효소에 의하여 에너지를 공급받는다.

◦ 다른 유형의 양성자 펌프인 H+-피로인산 가수분해효소 (H+-PPase)는 V-ATP 가수분해효소와 함께 액포막을 가로질러 양성자 기울기를 형성한다.

◦ 프라보노이드, 안토시아닌 그리고 대사 2차 산물들과 같은 고분자 대사산물들은 액포에 격리된다. 이들은 ATP-결합 카세트 (ABC) 수송단백질에 의하여 액포로 수송된다.

7) 칼슘 펌프, 역수송 그리고 채널은 세포 내부의 칼슘을 조절한다.

◦ 칼슘은 농도가 강력하게 조절되는 중요한 이온이다.

◦ 칼슘이 세포벽과 아포플라스트에는 밀리몰로 존재하는 데 반하여 세포질에는 마이크로몰로 유지된다.

- 세포 내에서 칼슘은 양성자 기울기의 전기화학적 퍼텐셜을 이용하여 액포 내로 칼슘을 축적하는 “Ca2+-H 역수송단백질”을 통하여 흡수된다.

6.5 뿌리에서의 이온 수송

1) 용질은 아포플라스트와 심플라스트 모두를 통하여 이동한다.

2) 뿌리를 통하여 수송되는 이온은 심플라스트와 아포플라스트 공간을 모두 거친다.

3) 물관부 유조직 세포는 물관부 적재에 참여한다.