세포막의 구조 — 유동모자이크 모델

세포막을 "세포를 감싸는 벽" 정도로 생각하는 학생들이 많은데, 사실 세포막은 벽돌담이라기보다는 계속 출렁이는 액체 표면에 가깝습니다. 지질과 단백질이 고정돼 있지 않고 막 평면을 따라 자유롭게 돌아다니거든요. 이런 성질까지 담아서 세포막 구조를 설명하는 모델을 유동모자이크 모델(fluid mosaic model)이라고 부릅니다. 앞서 지질 편에서 배운 인지질이 여기서 어떻게 실제 구조로 이어지는지 살펴보겠습니다.

유동모자이크 모델 — 인지질 이중층에 콜레스테롤과 막단백질이 박혀 있고, 당사슬은 바깥쪽 면에만 있다 — 송쌤생명과학 자체 제작

인지질 이중층이 저절로 만들어지는 이유

인산기를 포함한 친수성 머리는 물과 접하는 바깥쪽으로, 지방산으로 이루어진 소수성 꼬리는 서로 마주 보며 안쪽으로 배열됩니다. 이 방향성 덕분에 인지질은 별도의 에너지 공급 없이도 수용액 속에서 이중층을 스스로 만들어냅니다 — 세포가 힘들여 조립하는 게 아니라, 인지질의 화학적 성질 자체가 이 구조를 향해 자발적으로 움직이는 셈입니다.

온도에 따라 달라지는 막의 유동성

온도가 높을수록 인지질의 움직임이 활발해지면서 막의 유동성이 커집니다. 동물세포막에서는 콜레스테롤이 이 유동성을 조절하는데, 재밌는 건 온도에 따라 정반대로 작동한다는 점이에요. 고온에서는 지질의 움직임을 붙잡아 유동성을 낮추고, 저온에서는 지질이 서로 뭉쳐 굳는 걸 막아서 유동성을 유지시킵니다.

쌤 한마디: "콜레스테롤은 막을 딱딱하게 만든다"까지만 외우고 넘어가면 절반만 아는 겁니다. 저온에서는 반대로 유동성을 지켜주는 역할을 한다는 것까지 같이 알아야 완전한 답이 됩니다.

막에 박혀 있는 단백질들

막단백질은 크게 두 종류로 나뉩니다. 막을 관통해서 소수성 부위가 지질 이중층 속에 파묻혀 있는 내재성 단백질(integral protein), 그리고 막을 관통하지 않고 표면에 느슨하게 붙어 있는 표재성 단백질(peripheral protein)입니다. 이 단백질들이 하는 일도 다양해서, 물질을 통과시키는 수송체, 막 표면에서 반응을 촉매하는 효소, 신호물질을 받아들이는 수용체, 세포끼리 붙잡아주는 접합 단백질, 다른 세포를 알아보는 인식 단백질(당단백질)까지 역할이 갈립니다.

막의 양면은 서로 다릅니다

당지질·당단백질에 붙은 당사슬은 세포막의 바깥쪽 표면에만 존재합니다. 이 당사슬이 세포마다 다른 "이름표" 역할을 하는데, 면역세포가 자기 세포와 남의 세포를 구분하는 것도, ABO 혈액형이 갈리는 것도 다 이 당사슬 덕분입니다. 즉 인지질 이중층은 겉보기엔 대칭적으로 보여도 실제로는 안쪽과 바깥쪽 성분이 다른 비대칭 구조라는 것도 기억해두면 좋습니다.

그래서 아무거나 다 통과하지는 않습니다

산소나 이산화탄소처럼 작고 소수성인 분자는 인지질 이중층을 그냥 통과합니다(자유확산). 하지만 이온이나 포도당처럼 극성을 띠거나 큰 분자는 반드시 막단백질(통로 단백질, 운반체 단백질)을 거쳐야만 지나갈 수 있어요. 이 선택적 투과성 덕분에 세포는 안팎의 물질 출입을 조절할 수 있는 건데, 확산·삼투·촉진확산·능동수송처럼 실제로 물질이 막을 넘나드는 구체적인 방식은 다음 글에서 이어서 다루겠습니다.