[일반생물학실험]세포막을 통한 물질의 이동 1부

실험 목적

세포막을 통한 물질의 이동(확산, 삼투, 수동수송, 능동수송 등) 현상을 이해하고, 세포의 생리적인 변화를 관찰한다.

실험 이론 및 원리

1. 세포(cell)

생명의 기본 단위인 세포(cell)는 생존에 필요한 구조와 분자 구성물을 포함하고 있으며 이 안에서 세포는 양분을 취하고 에너지를 얻으며, 그 자체의 분자를 합성하고, 유기적 형태로 생장하고, 환경으로부터의 자극에 반응하며, 스스로 증식하게 된다. 이러한 정교한 생명 과정이 일어나기 위해서 세포는 생명에 필수적인 물질을 지속적으로 흡수하고 대사 노폐물은 방출하는 작용이 필요하다. 이때에 세포에서 방출되거나 흡수되는 물질은 원형질막(plasma membrane)을 통과해야만 한다.

 

2. 세포막(cell membrane)

1) 세포막의 구조

세포막은 세포질을 둘러싸서 외부환경과 경계를 짓는 얇은 막이며, 선택적 투과성을 갖는다. 세포막의 구조에 대해서는 현재 유동 모자이크 모델이 인정받고 있다. 즉, 인지질 이중층에 단백질이 모자이크 모양으로 분포하여 고정되지 않은 채 유동 상태로 있다.

세포막의 주된 구성성분은 지질과 단백질이며 그 밖의 탄수화물을 미량으로 함유하고 있다. 세포막에 있는 지질들은 주로 인지질과 콜레스테롤이며, 인지질 분자들은 꼬리와 꼬리를 마주하며 쌍으로 배열한다. 단백질은 인지질 층의 표면에 붙어 있는 외재성 단백질과 인지질 층에 끼여 들어가 있는 내재성 단백질이 있는데, 이것들은 인지질의 유동성 때문에 위치가 수시로 변한다. 외재성 단백질은 효소, 항원 등으로 활동하고 내재성 단백질은 주로 물질 수송을 담당한다.

 

2) 막 투과성

세포가 생명활동을 수행함에 있어서 세포 내외 환경 간에 끊임없는 물질이동이 일어난다. 따라서 물질투과의 경계를 이루는 세포막이 갖는 물질운반(membrane transport) 기능은 매우 중요한 것이다. 물질이 막을 통과할 수 있는 정도를 막의 투과성(permeability)이라고 정의할 때 원형질막은 어떤 물질에 대해서는 더 투과성이 높기 때문에 선택적 투과성(selective permeability)을 갖는다고 한다. 원형질막에 의한 물질의 출입은 많은 요인에 의해 영향을 받지만 가장 중요한 것은 그 물질의 크기, 극성, 그리고 전하이다. 실제로 세포막은 수용성 물질보다 지용성 물질을, 분자량이 작을수록, 원자가가 낮은 이온일수록 투과성이 높다.

 

3. 세포막을 통한 물질의 이동

1) 확산(diffusion)

어떤 물질이 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하여 전체적으로 농도가 균일하게 되는 현상(확산평형)이다.

① 단순 확산

용질의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 현상으로 농도 차에 의해 자연스럽게 이동하는 방법이기 때문에 에너지를 필요로 하지 않고 분자가 작을수록, 온도가 높을수록 빨라진다.

- 브라운 운동 : 액체에 부유된 작은 입자들이 액체 속에 들어있는 분자와 충돌함으로써 나타나는 불규칙한 움직임을 현미경으로 관찰할 수 있다. 이러한 진동성 운동은 분자 운동의 간접적인 증거가 되었고, 이러한 현상을 브라운 운동이라고 한다.

② 촉진 확산

농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로의 확산이라는 점은 단순확산과 동일하며 따라서 역시 에너지가 필요 없는 확산이다. 그러나 물질의 이동이 세포막에 있는 단백질 터널의 도움을 받아 일어난다. 촉진확산은 전기를 띠고 있는 이온이나 비교적 분자량이 큰 물질들이 이동하는 방법으로 대표적인 예로는 포도당, K+, Na+ 등이 있다. 단순 확산에 비하여 훨씬 빠른 속도로 일어나며, 세포막을 통과할 수 없는 물질을 선택적으로 받아들이는 역할을 한다.

 

2) 삼투현상(osmosis)

반투과성 막을 통한 용매의 확산 현상이다. 삼투를 일으키는 힘을 그 용액의 삼투압이라고 하며, 삼투압은 농도와 온도에 따라 변한다.

① 용액 중 용매는 통과시키고 용질은 통과시키지 못하는 막을 반투과성막이라 하며, 대부분의 세포막은 반투과성 막(셀로판 막, 달걀의 속껍질, 세포막 등)이다. 삼투는 이러한 반투과성 막을 통하여 용매가 이동하는 확산현상이다.

② 용매의 이동은 두 용액의 농도가 같아질 때까지 계속된다. 이때, 농도가 낮은 쪽의 용매 분자가 농도가 높은 용액 쪽으로 투과하려는 힘을 삼투압이라고 한다.

③ 용질의 농도에 따라 용액은 등장액(isotonic solution), 고장액(hypertonic solution), 저장액(hypotonic solution)으로 분류한다.

 

3) 능동수송

세포막의 수송 단백질이 물질 대사에서 얻은 에너지(ATP)를 소비하면서 농도 경사를 거슬러서 물질을 흡수하거나 배출하는 현상이다.  Na+－K+ 펌프, 세뇨관 세포에서의 포도당의 재흡수 등이 이에 해당한다.

 

4) 대량수송

에너지를 필요로 하는 운반으로서 막주머니를 이용하는 방법이다. 대량수송에는 물질을 안으로 받아들이는 세포내 유입(endocytosis)과 밖으로 배출하는 세포외 배출(exocytosis)이 있다.

① 세포내 유입(endocytosis)

세포막을 통과하기에 큰 물질을 세포막으로 둘러싸서 세포 안으로 받아들이는 현상으로, 이때 식포 속의 내용물이 고형물이면 식세포 작용, 물이나 용액이면 음세포작용이라고 한다. 음세포작용의 예로는 AIDS virus가 세포에 감염되는 것을 들 수 있으며, 단세포생물이 음식물을 섭취하거나 백혈구가 세균을 퇴치하는 것은 식세포 작용의 좋은 예이다.

② 세포외 배출(exocytosis)

소화된 먹이의 찌꺼기나 노폐물을 세포 밖으로 내보내는 현상이다. 그 예로는 호르몬(hormone), 신경전달물질(neurotransmitter), 소화효소, 노폐물 배출 등이 있다.

 

4.  실험 가설

1) 카민미네랄 용액을 떨어뜨리면 카민미네랄 입자가 세정액의 액체 분자들과 충돌하면서 끊임없이 움직일 것이다.

2) 적혈구를 저장액에 넣으면 용혈작용이 일어날 것이다.

3) 적혈구를 고장액에 넣으면 쭈그러들 것이다.

4) 식물세포는 세포벽이 있어 저장액이나 고장액에 담가 두어도 전체 모양은 크게 변하지 않을 것이다.

5) 식물세포를 고장액에 넣으면 원형질 분리가 일어날 것이다.

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 확산(브라운 운동)

∙광학현미경	∙슬라이드글라스	∙커버글라스
∙이쑤시개	∙세정액	∙스포이드
∙카민미네랄

 

2) 삼투현상

∙광학현미경	∙슬라이드글라스	∙커버글라스
∙면도칼	∙여과지	∙스포이드
∙이쑤시개	∙비커	∙양파
∙란셋	∙사혈기	∙소독솜
∙5% NaCl 용액	∙0.9% NaCl 용액	∙증류수
∙요오드용액

실험 방법

1. 확산(브라운 운동)

1) 세정액 한 방울을 슬라이드글라스 위에 떨어뜨린다.

2) 이쑤시개의 끝에 카민미네랄 아주 적은 양을 묻힌 후, 세정액 방울 한쪽에 이쑤시개 끝을 대고 손가락으로 살살 쳐서 카민미네랄 입자가 세정액에 떨어지도록 한다.

3) 커버글라스를 덮고 여과지를 이용하여 주변 물기를 제거한다.

4) 광학현미경의 저배율부터 시작하여 400배까지 관찰하여 한 입자의 이동경로를 추적하여 브라운 운동을 확인한다.

5) 50분 후 카민미네랄 입자의 확산된 정도를 관찰한다.

 

2. 삼투현상

1) 적혈구의 용혈작용 관찰

① 0.9% NaCl 용액과 5% NaCl 용액 및 증류수를 각 슬라이드글라스에 한 방울씩 떨어뜨린다.

② 손가락 끝을 소독솜으로 소독한 후 란셋으로 찔러 나온 피를 슬라이드글라스의 각 용액에 한 방울씩 떨어뜨린다.

③ 이쑤시개를 이용하여 잘 섞어준 후 커버글라스를 덮는다(용액마다 다른 이쑤시개를 사용한다).

④ 여과지로 여분의 물기를 제거 후 광학현미경을 이용하여 저배율에서 고배율의 순서로 형태를 관찰한다.

⑤ 용액마다 세포의 모양에 각각 어떠한 변화가 생겼는지 관찰한다.

 

2) 양파표피의 원형질분리 관찰

① 양파의 비늘줄기를 벗겨 3장의 표피조각(5×5mm)을 만든다.

② 한 장의 표피조각을 슬라이드글라스 위에 올려놓고, 증류수 한 방울을 떨어뜨린 후 5분 후에 요오드용액으로 염색한다.

③ 커버글라스를 덮은 후 여과지로 여분의 물기를 제거하고 광학현미경으로 관찰한다.

④ 다른 한 장의 표피조각을 2번째 슬라이드글라스 위에 올려놓고, 5% NaCl 용액 한 방울을 떨어뜨린다.

⑤ 5분 후에 요오드용액으로 염색한 후 커버글라스를 덮고 여과지로 여분의 물기를 제거하고 광학현미경으로 관찰한다.

⑥ 또 다른 한 장의 표피조각을 3번째 슬라이드글라스 위에 올려놓고, 0.9% NaCl 용액 한 방울을 떨어뜨린다.

⑦ 5분 후에 요오드용액으로 염색한 후 커버글라스를 덮고 여과지로 여분의 물기를 제거하고 광학현미경으로 관찰한다.

⑧ 용액마다 세포의 모양에 각각 어떠한 변화가 생겼는지 관찰한다.

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