03 세포막과 효소

세포막의 구조

(1) 세포막의 특성

① 생명 활동이 일어나고 있는 세포질 바깥쪽을 둘러싸고 있는 막이다.

② 세포와 세포 외부 환경 사이의 물질 출입을 선택적으로 조절한다.

③ 세포 밖의 환경에서 오는 신호를 세포 안으로 전달한다.

④ 세포의 형태를 유지하고, 세포를 보호한다.

⑤ 주성분은 인지질과 단백질이다.

• 인지질: 인산을 포함하는 머리 부분은 친수성, 2개의 지방산으로 이루어진 꼬리 부분은 소수성이다. 세포 안쪽과 바깥쪽은 모두 수용성 환경이므로 친수성 머리는 양쪽으로, 소수성 꼬리는 서로 마주보며 배열되어 2중층을 형성한다.
• 단백질: 대부분 친수성과 소수성 부분을 함께 가지고 있어서 인지질 2중층에 파묻혀 있거나 관통하거나 표면에 붙어 있다.

 

막단백질의 기능

세포막에서 인지질은 막의 기본 구조를 형성하고, 막단백질은 다음과 같은 여러 기능을 수행한다.

• 세포 인식: 탄수화물이 붙어 있는 막단백질은 다른 세포의 인식에 관여한다.
• 물질 수송: 수송 단백질은 막을 통한 물질의 이동에 관여한다.
• 신호 전달: 수용체 단백질은 세포 밖의 특정 화학 물질을 인식하여 세포 안으로 신호를 전달한다.
• 효소 작용: 막에 있는 효소 단백질은 세포의 물질대사에 관여한다.

 

(2) 유동 모자이크막: 세포막의 인지질과 막단백질은 모두 특정 위치에 고정되어 있지 않고 유동성을 가진다.

세포막의 유동성 확인 실험

 

세포막의 선택적 투과성

(1) 반투과성 막의 특징: 막의 구멍보다 크기가 작은 용매나 용질은 통과할 수 있지만, 크기가 큰 물질은 통과할 수 없는 막이다. 예) 셀로판 막 등

(2) 세포막의 투과성

① 세포막은 반투과성 막과 유사한 특징을 갖는다.

② 다양한 막단백질이 물질 수송에 관여하므로 세포의 종류와 환경 조건에 따라 막 투과성이 달라진다.

③ 세포막을 통한 물질 이동은 물질의 종류와 특성에 따라 선택적으로 일어나는데, 이를 선택적 투과성이라고 한다.

• 산소나 이산화 탄소와 같이 크기가 작고 극성이 없는 물질은 인지질 2중층을 쉽게 통과한다.
• 포도당, 아미노산과 같이 극성을 띠거나 이온과 같이 전하를 띠는 물질은 인지질 2중층을 직접 통과하기 어려워 막단백질에 의해 이동한다.

 

세포막을 통한 물질 출입

(1) 확산

① 확산의 특징: 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물질이 이동하며, 분자 운동에 의해 일어나므로 에너지(ATP)가 사용되지 않는다.

② 확산의 종류

단순 확산과 촉진 확산의 비교

 

(2) 삼투

① 삼투의 특징

• 용질은 통과하지 않고 물(용매)은 통과할 수 있는 반투과성 막을 사이에 두고 물(용매)의 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 물(용매)이 이동하는 물질 이동 방식이다.
• 삼투는 물(용매)의 확산에 의해 일어나므로 에너지(ATP)가 사용되지 않는다.
• 삼투가 일어날 때 물(용매)의 이동에 의해 반투과성 막이 받는 압력을 삼투압이라고 하며, 삼투압은 반투과성 막을 경계로 용액의 농도 차가 클수록 크다.

삼투

② 동물 세포와 식물 세포에서 일어나는 삼투: 세포벽의 유무로 인해 동물 세포와 식물 세포에서 삼투에 의해 일어나는 현상이 서로 다르다.

식물 세포의 삼투압, 팽압, 흡수력의 관계

(3) 능동 수송

① 세포막을 사이에 두고 물질의 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 에너지를 사용하여 물질을 이동시키는 물질 이동 방식이다.

예) Na⁺-K⁺ 펌프에 의한 이온 이동, 세뇨관에서 일어나는 포도당의 재흡수, 해조류의 아이오딘(I) 흡수, 소장에서 일어나는 일부 양분 흡수, 뿌리털의 무기염류 흡수 등

② 세포막에 존재하는 운반체 단백질에 의해 일어나며, 특정 물질의 농도가 세포 안과 밖에서 서로 다르게 유지되는 데 이용된다.

Na⁺-K⁺ 펌프

 

(4) 세포내 섭취와 세포외 배출

① 세포내 섭취의 특징

• 세포막을 통과할 수 없는 단백질과 같은 세포 밖의 큰 물질을 세포막으로 감싸서 세포 안으로 끌어들이는 물질 이동 방식이다.
• 세포내 섭취에는 미생물이나 세포 조각과 같이 크기가 큰 고형 물질을 세포막으로 감싸서 세포 안으로 이동시키는 식세포 작용과 액체 상태의 물질을 세포막으로 감싸서 세포 안으로 이동시키는 음세포 작용이 있다.

예) 백혈구가 세균이나 감염된 세포를 제거하는 식세포 작용(식균 작용)

• 세포내 섭취가 일어날 때는 에너지가 사용된다.

② 세포외 배출의 특징

• 분비 소낭이 세포막과 융합하면서 분비 소낭 속의 물질(세포 내에서 생성된 효소, 호르몬, 노폐물 등)을 세포 밖으로 내보내는 물질 이동 방식이다.

예) 이자 세포에서 인슐린과 글루카곤의 분비, 뉴런의 축삭 돌기 말단에서 신경 전달 물질 분비

• 세포외 배출이 일어날 때는 에너지가 사용된다.

 

리포솜의 활용

효소의 기능과 특성

(1) 활성화 에너지와 효소의 기능

① 활성화 에너지는 어떤 물질이 화학 반응을 일으키기 위해 필요한 최소한의 에너지이다. 반응물이 활성화 에너지 이상의 충분한 에너지를 가지고 있어야만 화학 반응이 일어난다.

② 활성화 에너지가 낮아지면 반응을 일으킬 수 있는 분자 수가 많아져 반응 속도가 빨라진다.

③ 효소는 반응물인 기질과 결합하여 활성화 에너지를 낮춤으로써 물질대사의 속도를 빠르게 하는 생체 촉매이다.

 

(2) 효소의 특성

① 효소는 기질과 결합하는 활성 부위를 갖는다.

② 효소가 활성 부위와 입체 구조가 맞는 특정 기질과 결합하여 효소·기질 복합체를 형성하면 반응의 활성화 에너지가 낮아진다.

③ 효소는 반응에서 소모되거나 변형되지 않으며, 반응이 끝난 후 생성물과 분리된 효소는 새로운 기질과 결합하여 다시 반응에 이용된다.

④ 효소는 반응열의 크기에 영향을 주지 않는다.

⑤ 효소는 활성 부위와 입체 구조가 맞는 특정 기질에만 결합하여 작용하는데, 이를 기질 특이성이라고 한다.

예) 효소인 수크레이스의 활성 부위에 설탕은 결합하지만 엿당은 결합하지 못하므로 수크레이스는 설탕은 분해하지만 엿당은 분해하지 못한다.

 

(3) 효소의 구성과 종류

① 효소의 구성: 효소 중에는 단백질로만 이루어져 활성을 나타내는 효소와 단백질과 함께 비단백질 성분인 보조 인자가 있어야 활성을 나타내는 효소가 있다.

• 아밀레이스, 펩신과 같은 소화 효소는 단백질 성분만으로 활성을 나타낸다.
• 대부분의 효소는 단백질 성분인 주효소와 비단백질 성분인 보조 인자가 함께 있어야만 활성을 나타낸다. 주효소와 보조 인자가 결합하여 완전한 활성을 가지는 효소를 전효소라고 한다.
• 주효소는 효소의 단백질 부분이므로 온도와 pH의 영향을 받아 입체 구조가 변하면 효소·기질 복합체의 형성이 어렵다.
• 보조 인자는 효소의 비단백질 부분으로 온도와 pH의 영향을 적게 받으며, 보조 인자에는 조효소와 금속 이온이 있다.

 

② 효소의 종류: 생물체 내에서 일어나는 물질대사의 종류가 다양하므로 물질대사에 관여하는 효소의 종류도 다양하다. 효소는 작용하는 반응의 종류에 따라 6가지로 분류된다.

(4) 효소의 활성에 영향을 미치는 요인

① 온도와 pH: 효소에서 활성이 최대가 되는 온도와 pH를 각각 최적 온도와 최적 pH라고 한다.

• 최적 온도가 될 때까지 온도가 높아질수록 기질이 더 활발하게 효소 활성 부위에 충돌하여 효소·기질 복합체가 더 많이 형성되므로 반응 속도가 빨라진다. 온도가 최적 온도보다 높아지면 효소 활성 부위의 입체 구조가 변성되어 효소·기질 복합체의 형성이 어려워져 반응 속도가 급격히 느려진다.
• 고온에서 효소 활성 부위의 입체 구조가 변성되어 기능을 잃은 효소는 온도를 낮추어도 기능이 회복되지 않는다.

• 최적 pH에서 반응 속도가 가장 빠르고, 최적 pH를 벗어나면 반응 속도가 느려진다.
• 효소 활성이 나타나는 pH 범위를 벗어나면 효소 활성 부위의 입체 구조가 변성되어 효소·기질 복합체의 형성이 어려워져 반응이 일어나지 않게 된다.

 

② 기질의 농도: 효소의 농도가 일정할 때 기질 농도가 증가함에 따라 초기 반응 속도는 비례하여 증가하지만, 기질 농도가 어느 수준 이상에서는 초기 반응 속도가 일정하게 유지된다.

• S₁일 때: 기질과 결합하지 않은 효소가 존재하므로 S₁보다 기질 농도가 증가하면 효소·기질 복합체의 농도가 증가하여 초기 반응 속도가 증가한다.
• S₂일 때: 모든 효소가 기질과 결합한 상태이므로 S₂보다 기질 농도가 증가해도 초기 반응 속도는 증가하지 않는다. 이 상태에서 효소를 첨가하면 초기 반응 속도가 증가한다.

 

온도와 pH가 효소의 활성에 미치는 영향

③ 저해제: 효소와 결합하여 효소·기질 복합체의 형성을 저해함으로써 효소의 촉매 작용을 방해하는 물질로, 효소에 결합하는 부위에 따라 경쟁적 저해제와 비경쟁적 저해제로 구분된다.

• 경쟁적 저해제: 저해제의 입체 구조가 기질과 유사하여 효소의 활성 부위에 기질과 경쟁적으로 결합하여 효소의 활성을 저해한다. 기질의 농도가 높아지면 저해 효과가 감소한다.
• 비경쟁적 저해제: 활성 부위가 아닌 효소의 다른 부위에 결합하여 활성 부위의 구조를 변형시켜 기질이 결합하지 못하게 한다. 기질의 농도가 높아지더라도 저해 효과는 줄어들지 않는다.

참고자료: EBS 수능특강 생명과학2