[일반생물학실험] 세포막을 통한 물질수송

실험 목적

1. 세포막을 통한 물질의 이동 유무를 분자구조 성질과 관련하여설명할 수 있다.

2. 삼투현상과 능동수송의 현상을 구분하여 말할 수 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

식초에 담가 둔 달걀, 기체 확산 실험용 유리관(한쪽 끝이 막힌 것이 실험하기에 좋음), 스탠드, 비이커, 핀셋, 고무밴드, 스포이트, 1% 녹말용액, 10% 포도당 용액, 요오드-요오드화 칼륨 용액, 네임펜, 가위, 베네딕트 용액, 알콜램프, 시험관집게

실험 방법

1. 실제 실험에 앞서 세포막을 통한 물질의 이동을 예측해 보자.

① 달걀을 둘러싼 세포막을 통해 분자들의 이동은 어떻게 일어날 것으로 예상하는가?

분자	분자식	세포막의 투과 여부	그렇게 예상한 이유
녹말	(C6H12O6)n	X	포도당이 여러 개 붙어서 크기가 매우 크다
포도당	C6H12O6	O	녹말의 단위체로서, 크기가 작다.
요오드 이온	I3-	X	분자 자체도 큰 편인데다가, 전하를 띠고 있어 수화가 많이 되어 뭉쳐다니는 크기가 크다.
물	H2O	O	수소와 산소가 결합한 것으로, 작다.

② 물질들을 다음 ‘초기상태’와 같이 넣는다면 위에서 예상한 세포막 투과여부에 따라 각 물질들이 어떻게 분포하게 될지 기호로 나타내 보자.

③ 녹말은 요오드와 반응하여 청남색을 나타낼 것이다. 여러분의 예상 결과에 따라 달걀 세포막 안쪽과 바깥쪽의 색깔이 어떻게 분포할 것으로 예상하는가?

요오드와 녹말 모두 달걀을 둘러싼 세포막을 투과할 수 없으므로 안쪽의 색깔은 무색일 것이고, 바깥쪽의 색깔은 요오드 용액 색깔을 띨 것이다.

④ 물은 달걀 세포막의 안과 바깥쪽의 대부분을 차지하는 물질이다. 만일 물이 선택적 투과막을 통해 양쪽 방향으로 확산될 수 있다고 한다면, 여러분은 물이 달걀 세포막 안쪽과 바깥쪽 중 어느 방향으로 더 많이 확산될 것이라고 예상하는가?

물은 달걀 세포막의 안쪽으로 확산될 것이다. 달걀 세포막 안에는 녹말과 포도당이 들어있지만, 세포막 밖에는 요오드 몇 방울만 들어있다. 나중에는 포도당이 빠져나가서 농도차가 거의 없어지긴 하지만, 그 전까지는 세포막 내부의 포도당농도가 높기 때문에 세포막 안으로 물이 들어올 것이다. 또, 녹말의 삼투작용도 생각해 볼 수 있다.

⑤ 물의 이동 방향을 예측하기 위하여 어떤 정보가 필요할까? 또한 막을 통한 물의 이동방향을 확인하기 위한 방법을 생각해 보자

달걀막의 선택적 투과성, 포도당의 농도, 녹말의 농도, 물기둥의 높이, 요오드의 농도가 필요하다.

삼투압을 구하고, 물기둥의 높이로 인해 작용하는 압력을 구해 비교한다.

초기상태에서 물이 막내부로 들어오려는 삼투압은 C(녹말)RT+C(포도당)RT-C(요오드)RT이고, 이 압력이 물기둥에 의한 압력보다 크다면 물은 달걀막 내부로 들어올 것이다.

 

2. 예상을 확인하기 위한 실험을 수행해 보자.

①식초에 담가 둔 달걀의 껍질을 안쪽 세포막이 찢어지지 않도록 주의하여 핀셋을 이용하여 제거한다. 이때 달걀의 내용물은 스포이트를 이용하여 제거한다.

② 10% 포도당 용액 ( 30 )㎖와 1% 녹말 용액 ( 30 )㎖를 기체확산 실험용 유리관에 넣는다.

③ 기체확산 실험용 유리관 끝을 달걀 세포막으로 막고 고무밴드로 묶는다. 이 때 달걀 세포막이 찢어지지 않도록 주의한다.

④ 200㎖ 비이커에 물 50㎖를 넣고 0.2㎖의 요오드-요오드화칼륨을 넣는다.

⑤ 기체확산 실험용 유리관을 물이 담긴 비이커에 거꾸로 넣어 담그도록 위치를 잡어 스탠드에 고정시킨다.

⑥ 고정시키자마자 물의 위치를 네임펜으로 표시해 준다.

⑦ 15~20분 후 달걀 세포막 안쪽과 바깥쪽의 색의 변화를 관찰한다.

⑧ 달걀 세포막 바깥 쪽(비이커 내)의 용액을 이용하여 베네딕트 반응을 시켜본다.

 

실험 결과

1. 실험 결과를 아래 표에 기록해 보자.

	달걀 세포막 안쪽(유리관 내)		달걀세포막 바깥쪽(비이커 내)
	요오드 반응	베네딕트 반응	요오드 반응	베네딕트 반응
초기 상태	반응 함	반응 함	반응 안함	반응 안함
최종 상태	반응 함	반응 함	반응 안함	반응 함

 

2. 실험결과를 토대로 어떤 물질이 달걀 세포막을 통해 이동하였고 어떤 물질이 이동하지 않았는지 말해보자.

포도당이 달걀 세포막을 통해 유리관 안에서 유리관 밖으로 이동하여 최종 상태에서 비이커의 용액을 베네틱트반응 시켰을 때 반응하였다. 또, 실험 중 유리관이나 비커 안이 어두운 색으로 변하지 않는 것을 보아, 녹말과 요오드 모두 달걀 세포막을 통과할 수 없음을 알 수 있다.

 

토의 사항

1. 요오드 이온, 포도당 및 녹말의 분자구조를 생각해 볼 때, 달걀 세포막을 통한 이들 분자의 이동의 유무를 설명할 수 있는가?

요오드 이온은 음전하를 띠고 있어, 물의 수소 부분과 인력을 받는다. 그래서 요오드 이온은 물 분자들로 둘러싸이게 되고, 원래의 분자 크기보다 훨씬 큰 입자의 성질을 띠게 된다. 그래서 요오드 이온은 달걀 세포막을 투과할 수 없다.

포도당은 단당류로서, 탄소6개와 산소6개, 수소12개로 이루어져 있는 고리 화합물 이다. 이것은 크기가 꽤나 작아서 달걀 세포막을 투과할 수 있다.

녹말은 엄청나게 많은 포도당의 1,4번 탄소가 탈수축합반응을 하여 만들어진 고분자이다. 녹말의 분자량은 5만~20만 정도로서 크기가 상당히 크기 때문에 달걀 세포막을 투과할 수 없다.

 

2. 세포는 확산에 의해 물을 세포의 안과 바깥쪽으로 이동시킬 수 있는 선택적 투과막에 의해 둘러싸여 있다. ‘삼투현상’으로 알려진 물의 선택적 투과막을 통한 확산은 생물 활동을 하는데 매우 중요한 역할을 한다. 삼투에 의해 세포막을 통한 안쪽 또는 바깥쪽으로의 물의 이동을 결정하는 요소는 무엇일지 토의해 보자.

세포 외부와 내부의 농도 차이에 의해서 물의 이동이 결정된다. ‘농도’라는 것이 결정되려면 일단 세포를 구성하고 있는 ‘물’ 에 녹는 물질이어야 한다. 물에 녹는 물질이 농도를 가지게 되면, 우리는 세포외부와 내부 용질의 몰농도의 총 합을 비교해 보아야 한다. 또한, 이온화되는 물질들은 이온화되는 만큼 삼투압을 더 작용하는데 이것의 효과도 더해주어야 한다. 이는 그 용액의 삼투압에 반트호프 인자를 곱해주어 구할 수 있다.

세포는 단순확산, 촉진확산 등을 통하여 세포 외부와 내부의 농도를 비슷하게 한다. 하지만 능동수송이라는 수송 수단을 이용하여 세포 내부와 외부의 농도경사를 만드는데, 이것이 삼투압을 작용하게 하는 요인이 된다.

 

3. 살아있는 세포는 때로는 농도 경사에 반대하여 물질을 수송해야 하는 경우가 있다. 예를 들어 아미노산과 같은 영양소의 경우 세포내의 농도가 세포밖의 농도보다 높은데도 불구하고 필요한 물질을 밖으로부터 안쪽으로 이동시켜야 한다. 이 때 세포막에서 일어나는 또 다른 형태의 수송인 ‘능동수송’이 있는데 이러한 능동수송 방법과 본 실험에서 수행한 확산을 통한 수송방법을 비교 조사해 보자.

능동수송은 농도 차이를 극복하여 물질을 운반하는 과정으로, 에너지를 사용한다. 보통 펌프라고 불리는 단백질 분자들에 의해 이루어지며, 대체로 ATP를 에너지원으로 한다.

본 실험에서 수행한 확산은 단순 확산인데, 단순확산은 오직 세포막만을 통하여 막 내부와 외부를 이동하는 것이다. 촉진확산은 채널과 캐리어라는 막 단백질을 통해 물질이 운반되는 것인데, 이는 농도 차이를 줄이는 방향으로 진행되며, 에너지를 소모하지 않는다.

 

4. 만약 세포가 세포 안팎으로 물질을 이동하는 것을 조절하지 못한다면 어떤 문제가 발생할지 생각해 보자.

세포가 생장하거나 단백질을 만들 때, 에너지를 만들 때, 그 재료가 될 물질들을 구하기 어려워 대사 속도가 느려질 것이다. 또한, 외부 환경이 변했을 때 대처를 할 수 없어, 항상성을 유지할 수 없을 것이다.

 

5. 본 실험과 관련하여, 어떤 과학자가 세포 내 효소에 작용하는 신약을 개발한다고 할 때, 중요하게 고려해야 할 사항에 대하여 토의해 보자.

세포 내부로 침투해 들어갈 수 있는지의 여부를 조사하고, 침투해 들어갈 수 있도록 신약을 개발하여야 할 것이다. 그러기 위해서는 막 투과성 물질을 이용하여 약을 만들거나, 촉진확산을 통해 유입할 수 있는 물질을 이용해야 할 것이다. 

신약이 작은 분자라면 좋겠지만, 고분자일 경우, 막 투과가 가능한 작은 분자와, 채널이나 캐리어를 통해 운반 될 수 있는 물질들로 쪼갠 후, 세포 내부에서 서로 섞여 작용할 수 있도록 하여야 할 것이다. 또한, 신약은 세포 내 효소에 작용하므로, 세포 내부에 있는 물질과 연관되어 있을 것이다. 이 특징을 이용하여 신약 개발에 힘쓰면 좋을 것이라고 생각한다.

 

참고 문헌

1. 일반생물학 실험 (김생물, 서울대학교 출판사, 2009년)