[일반생물학실험]확산, 원형질 분리, 용혈현상

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

세포가 살아있는 동안에는 세포막을 경계로 하여 끊임없는 물질의 이동이 일어나고 있다. 이러한 물질 이동 현상 중 비교적 작은 분자량을 지닌 물질의 이동은 주로 다음 세 가지 메커니즘에 의해 일어난다. 즉, 기체나 액체의 분자가 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 확산(diffusion), 반투과막(차등투과막)을 통해 용매 분자만이 확산되고 용질 분자는 확산되지 않는 삼투(osmosis), 그리고 에너지를 소모하며 농도 구배에 관계없이 물질이 이동하는 능동 수송(active transport)등이 그것이다. 본 실험에서는 여러 가지 세포에서 이와 같은 물질의 이동방법 중 주로 삼투현상에 의한 물질의 이동을 관찰해 보았었다.

 

2. 삼투현상(Osmosis)

삼투현상은 액체의 농도차이로 인해 발생하는데, 반투막을 경계로 저장용액의 용매가 고장용액으로 이동하는 현상이다. 다른말로 침투현상이라고도 한다.

소금물을 가지고 쉽게 설명해보면, 2%짜리 소금물과 5%짜리 소금물이 있다고 가정하자. 용액인 소금물에서 소금은 용질이고, 물은 용매이다. 그리고 여기에서 농도가 낮은 2% 소금물은 저장액(저장용액), 농도가 높은 5% 소금물은 고장액(고장용액)이다. 그리고 반투막은 용매인 물은 통과시키나, 용질인 소금은 통과시키지 않는 막이다. 만일 어떤 큰 통의 가운데에 반투막을 설치하고 한쪽에 2%소금물, 다른 한쪽에 5%소금물을 넣어두게 되면 삼투현상을 볼 수 있다.

두 소금물의 높이는 처음에 같았으나 시간이 지날수록 저장용액(2%)의 물높이는 계속 낮아지고, 고장용액(5%)의 물높이는 계속 올라가게 된다. 이것은 저장용액의 용매가 고장용액 방향으로 이동한다는 것을 의미한다. 이렇게 저장용액의 용매가 계속 고장용액으로 가게 되면 저장용액의 농도는 높아지고, 고장용액의 농도는 낮아져 결국 두 용액의 농도가 비슷해지면서 삼투현상은 정지한다. 정확히 말하면 농도가 같아져 삼투현상이 정지되기 보다는 고장용액의 물높이가 높아지면서 발생하는 저항압력(역삼투압)이 커지게 되어, 그 압력이 저장용액에서 고장용액으로 가려는 용매의 압력(삼투압)과 같아지면서 삼투현상이 정지-평형상태를 이루게 되는 것이다.

이런 삼투현상이 일어나는 것은 농도차이 때문인데, 삼투현상에서 저장용액의 용매가 일방적으로 고장용액으로 이동하는 것 같지만 사실 저장용액과 고장용액은 계속 용매를 교환하고 있다. 다만 두 용액의 용매가 이동하는 양이 다르기 때문에 차이가 생기는 것이다. 고장용액에서 저장용액으로 가는 용매보다 저장용액에서 고장용액으로 가는 용매가 더 강한 압력을 가지고 있는데 이 압력을 삼투압이라고 한다.

이 삼투압에 의해 물의 높이차이가 발생하며, 물의 높이차이가 생기면 물이 높아진 고장용액에 압력이 걸리게 되는데 이 압력을 역삼투압이라고 한다. 간단히 말해서 농도차이가 나는 두 용액이 반투막으로 막혀 있을 때 저장용액에서 고장용액으로 용매가 이동하는 것이 바로 삼투현상, 저장액에서 고장액으로 용매가 이동하는 힘이 삼투압, 이로 인해 고장용액 쪽에 생기는 저항압력이 바로 역삼투이다.

그럼 왜 용매는 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동하는가? 그 이유는 용질의 방해 때문이다. 원래 유체(기체, 액체)는 확산이라는 현상을 통해 농도를 맞추려는 성질이 있어 계속 이동하려고 한다. 이때에 반투막은 방해물 같은 작용을 하는데, 반투막의 내부는 그물과도 같아 크기가 작은 용매는 그 그물을 쉽게 통과하여 반대편으로 이동하지만 크기가 큰 용질은 그물에 걸려 이동을 못한다. 그런데 용질이 자기만 그물에 걸리는게 아니라 용매의 이동까지도 방해한다. 

두 용액의 용질 농도가 다르다면 농도가 낮은 용액의 용매는 반대편으로 이동할 때에 용질의 방해를 덜 받지만, 농도가 높은 용액의 용매는 용질의 방해를 상대적으로 더 많이 받기 때문에 반투막을 경계로 한 용매의 이동하는 힘이 다르게 되어 삼투압이 발생한다. 결국 농도차이로 인해 생기는 삼투압에 의해 고장액->저장액으로의 용매이동 양보다 저장액->고장액으로의 용매이동 양이 많으므로 고장액의 높이가 높아지거나, 혹은 부피가 커질 수밖에 없다.

 

3. 원형질 분리(Plasmolysis)

식물세포를 그 세포액보다도 삼투압이 높은 용액 속에 담그면 세포액의 수분이 밖으로 빠져나와 그 때까지 세포벽에 밀착되어 있던 원형질이 세포벽에서 떨어져 수축하는 현상이다. 죽은 세포에서는 볼 수 없으므로 식물세포의 생사를 판별하는 데 흔히 이용된다.

원형질분리는 원형질막이 반투성을 가졌기 때문에 일어나므로 죽은 세포에서는 볼 수 없다. 따라서 식물세포의 생사를 판별하는 데 흔히 이용된다. 또, 원형질분리가 막 일어나기 시작하는 외액(外液)의 농도를 조사하면 그 세포의 삼투압을 알 수 있다.

분리한 원형질 모양은 세포 종류나 외액의 조성에 의하여 철형(凸形)이 될 때와 요형(凹形)이 될 때가 있는데 이것에서 세포벽과 원형질막과의 부착력, 원형질막의 표면장력 등을 추정할 수 있다. 또한, 동물세포에는 세포벽이 없으므로 높은 삼투압의 용액 내에서는 세포 전체가 수축하고 원형질분리 현상을 볼 수가 없다.

 

4. 용혈현상(Hemolysis)

적혈구가 붕괴하여 헤모글로빈이 혈구(血球) 밖으로 용출하는 현상이다. 용혈현상은 정상적인 동물체의 혈관 내에서도 일어난다. 동물의 적혈구는 대체로 수명이 120일 정도 된다. 적혈구는 수명이 지나면 지라에서 파괴되고 이를 새로 만들어진 적혈구가 대체한다. 그러나 적혈구가 지나치게 많이 파괴되어 지라에 저장되지 못한 헤모글로빈이 혈액으로 방출되면 이 헤모글로빈이 파괴되어 황달이 발생하기도 한다.

적혈구가 지나치게 많이 파괴되는 경우 혈액의 산소 운반 능력이 떨어져 빈혈 현상이 발생한다. 이처럼 적혈구의 파괴 현상을 유발하는 것은 면역 반응이나 독소 등 여러 가지가 있다. 그 중 겸형적혈구빈혈(sickle cell anemia)은 유전적 원인으로 낫 모양의 적혈구를 생산하여 이러한 적혈구가 쉽게 파괴되어 생기는 빈혈이다.

용혈현상이 동물의 정상적 생리 현상으로 나타나기도 하지만 동물체 밖에서도 일어난다. 혈액을 장기 저장하는 경우나 저장 상태가 좋지 않을 경우 적혈구가 파괴되는 용혈현상이 발생한다. 또한 혈액에 물을 넣는 경우 적혈구의 삼투압이 높아져 적혈구가 터지거나, 주사기로 혈액을 강제로 흡입하거나 밀어낼 경우 물리적인 힘에 의하여 적혈구가 파괴되어 용혈현상이 일어나기도 한다. 수술 시 적혈구만 모아서 환자의 혈액에 투여하는 경우가 있다. 이럴 때 혈액을 원심분리하여 적혈구만 모으는 데 지나치게 높은 속도로 원심분리를 할 경우 적혈구가 용혈되기도 한다.

 

5. 실험 요약

Cellophane dialysis tubing을 이용한 첫 번째 실험은 삼투현상을 관찰한 실험으로 반투과막인 cellophane을 기준으로 안쪽과 바깥쪽의 농도를 다르게 해주어 삼투현상을 관찰해 보았었다. 이렇게 삼투현상을 관찰할 수 있는 장치를 osmometer라고 한다. 또한 서로 농도가 다른 solution을 이용하여 농도에 따른 삼투현상의 차이도 관찰할 수 있었다. 결과적으로 농도가 높을수록 삼투압이 높아지는데 이때 용매의 움직임이 이상기체의 움직임과 비슷하기 때문에 비례상수로 R(기체상수)가 쓰인다. 두 번째, 세 번째 실험도 모두 삼투현상에 그 원리를 두고 있다.

두 번째 실험은 NaCl을 이용한 원형질 분리현상의 관찰로써 세포막의 반투과성(엄밀히 말해 세포막은 순수한 반투과성뿐만 아니라 선택적 투과성도 갖고 하지만 여기서 이는 무시한다.)을 이용한 것이다. 세포막의 반투과성에 의해 세포 외부의 농도를 높여주면 삼투현상에 의해 세포내부의 용매가 세포외부로 빠져나갈 테고 그로인해 세포는 쪼그라들게 된다. 이로 인해 세포막이 세포벽에서 떨어져 세포벽 안으로 쪼그라들게 되는데, 이것을 원형질 분리 현상이라고 한다.

세 번째 실험 적혈구를 이용해 삼투현상을 관찰하는 것이었다. 체액의 NaCl의 농도는 0.9%이므로 0.9%의 NaCl을 등장액, 즉 0.9%의 NaCl을 slide glass에 넣어줬을 때 적혈구는 원반모양을 유지했었다. 하지만 10% NaCl의 경우 고장액이므로 적혈구안쪽의 용매가 외부로 빠져나가 적혈구가 쪼그라든다. 마지막으로 증류수의 경우 저장액이므로 적혈구 내부로 용매가 유입되고 적혈구가 내부의 수압을 이기지 못해 터지게 된다. 이것이 용혈현상(hemolysis)으로 적혈구가 땡땡해 지거나 구멍이 나서 터져버리면 관찰이 안 되는 경우도 있다.

 

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 양파, 1N HCl, 10% NaOH 용액, 70% ethanol, 30%

2) 60% sucrose 용액(0.01% congo red함유), 현미경(compound microscope)

3) Cellophane dialysis tubing, 250㎖ beader 1개, 여과지, slide glass & cover slip

4)  실, Lancet, 1㎖ pipette, clamp & stand

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 삼투현상(Osmosis)

① Cellophane dialysis tubing을 사용할 때에는 사용하기 전에 증류수에 담가두어 막이 부드러워지도록 한다.

 

2) 원형질 분리(Plasmolysis)

① 원형질 분리가 잘 일어나지 않으면 NaCl을 추가적으로 더 넣어준다.

② 원형질 분리가 일어난 후 다시 증류수를 넣어줬을 때 원상복구가 잘 되지 않으면 증류수를 과량 넣어준다.

 

3) 용혈현상(Hemolysis)

① 혈액을 다루는 실험이므로 실험도구와 신체의 혈액 채취 부위를 청결히 한다.

 

실험 결과

1. 삼투현상(Osmosis)

시간(분)	5	10	15	20	25	30	35	40
60%	3.63	3.18	3.23	2.98	2.78	2.53	2.28	1.98
30%	3.58	3.38	2.73	2.28	1.78	1.28	0.68	0.18

 

2. 원형질 분리(Plasmolysis)

원형질 분리를 관찰할 수 있었으며 증류수로 NaCl을 씻어낸 후에는 세포막이 원상복귀되는 현상(원형질 분리복귀)도 관찰할 수 있었다.(레포트 맨 뒤에 그림첨부)

 

3. 용혈현상(Hemolysis)

1) 혈액+0.9% NaCl(등장액)

체내의 NaCl 농도인 0.9%와 같은 등장액에 적혈구가 존재하므로 적혈구는 정상적인 형태로 관찰되었다.

그림1. 등장액에서 현미경으로 관찰한 모습을 핸드폰 카메라로 찍은 사진

2) 혈액+10% NaCl(고장액)

적혈구가 체내 NaCl 농도인 0.9%보다 높은 농도의 용액 즉 고장액에 있으므로 적혈구내 수분이 외부로 빠져나가 찌그러진 모양을 나타내는 것이 관찰되었다.

그림2. 고장액에서 현미경으로 관찰한 모습을 핸드폰 카메라로 찍은 사진

 

3) 혈액+증류수(저장액)

증류수는 NaCl의 농도가 0%로 저장액이므로 적혈구 내부로 용매가 들어와 적혈구가 부풀어 결국 터져버리는 용혈현상(hemolysis)가 일어난다. 결과적으로 적혈구가 다수 파괴되었기 때문에 간간히 보이는 터진 적혈구 외에 적혈구는 거의 관찰되지 않았다.

그림3. 저장액에서 현미경으로 관찰한 모습을 핸드폰 카메라로 찍은 사진

토의 사항

1. 실험 고찰

삼투현상을 관찰한 실험1의 결과 data를 분석하였다. 삼투압을 구하는 식으로 알려진 π=iCRT(단, π는 삼투압, i는 이온화된 후 용액 내의 총 입자 수 또는 용액에 녹인 전체 입자 수, C는 몰농도, R은 기체상수, T는 온도이다.)에 따르면 60%의 sucrose는 30%의 sucrose보다 2배가량 높은 삼투압을 갖기 때문에 올라간 높이 또한 2배가량 높아야한다.(∵30%와 60%의 %농도를 몰농도로 환산해도 2배의 차이가 난다.) 하지만 실험진행에 정교함이 떨어져 데이터를 보면 알 수 있듯이 삼투압에 의해 용매가 이동하여 용액의 높이가 상승한 현상은 보여도 농도와 삼투압간의 비례관계는 찾아보기 힘들다.

그러나 위 결과를 통하여 위에서 예로 든 소금물의 경우와 같이 삼투현상이 정지-평형 상태를 이루게 되는 과정을 볼 수 있다. 앞서 말한 것과 같이 삼투현상에서 평형상태라는 것은 정적 평형상태가 아닌 동적평형상태로 역삼투압과 삼투압간의 경쟁으로 용매가 양뱡향 모두로 이동하며 일어난다. 데이터를 보면 시간이 지날수록 5분간의 상승높이가 줄어들고 있는데, 이것은 sucrose의 농도가 줄어들면서 삼투압이 줄어들고 동시에 수면이 높아짐으로써 역삼투압이 강해지기 때문이다.

두 번째 실험의 경우 데이터를 보면 알 수 있듯이 세포막만이 반투과성 막으로 작용하며 원형질 분리가 일어난다. 식물세포의 삼투현상에는 크게 세가지가 있는데 각각 등장액에 넣었을 경우와 고장액에 넣었을 경우, 저장액에 넣었을 경우로 나뉜다. 이번 실험에서 해보았듯이 고장액에 넣었을 경우 원형질 분리가 일어나며, 등장액에서는 변화가 없고 저장액에서는 외부의 용매가 세포 내부로 들어와 팽팽한 팽윤상태가 된다. 이번 실험에서는 원형질 분리를 관찰한 후에 외부환경을 다시 등장액 조건으로 바꿔줌으로써 원형질 분리복귀(deplasmolysis)도 관찰할 수 있었는데, 원형질 분리가 일어난 이후 이것을 저장액이나 등장액에 넣어 외부환경을 원상복귀 시켜주면 원형질 또한 원래 보습대로 돌아가는 현상을 말한다.

세 번째 실험은 적혈구를 이용한 실험으로 고장액에서는 적혈구가 쪼그라들었고, 등장액에서는 정상, 저장액에서는 내부로 용매가 들어와 터져버리는 용혈현상이 일어났다. 이를 토대로 동물세포의 삼투현상을 간단히 요약해보면, 고장액에서는 위축, 등장액에서는 변화 없음(단, 이때 동물세포의 무변화는 정적 평형이 아니라 동적 평형이다.), 저장액에서는 용혈현상이 일어난다.

 

참고 문헌

1. 웅진학습백과사전, 웅진출판, 1998, pp.238~239.