글로벌 세계 대백과사전/생물II·식물·관찰/생명과 물질/생물체를 만드는 물질/생물체의 유기물
생물체에는 물을 비롯하여 여러 가지 무기물이 존재한다. 이들 무기물은 암석의 주성분이 물에 녹아서 생긴 것인데, 생물체에 받아들여 진 뒤 배출되고 있으며, 단백질·당질·지질 등의 유기물과는 달리 세포내에서 그다지 변화하지 않고 이용되는 경우가 많다.
무기질은 유체(遺體)를 연소시킨 후에 남는 재를 분석하거나, 식물에서는 수경 재배나 모래 재배에 의해 생물체 내에 받아들인 것을 조사해 보면 알 수 있다. 그러나 생물체 내에 들어간 여러 가지 물질의 대부분이 생명에 도움을 준다고는 할 수 없으며, 수은처럼 유해한 것도 있다.
무기질에는 초본 식물의 세포 표면에 있는 이산화규소(시리카)나 조개껍질·뼈 등의 칼슘염 같은 단단한 고형물도 있는데, 대부분의 경우에는 이온으로 존재하며, 액체 속에 유리된 상태, 또는 단백질과 결합된 상태로 여러 가지 작용을 나타낸다.
무기 이온의 작용에는 삼투압을 생성시키는 경우처럼 물에 녹아 있는 미소립자의 열운동에 기초한 일반적인 것과 O2를 운반하는 헤모글로빈이나 헤모시아닌처럼 각각 단백질과 결합한 철·구리 이온 같은 특정한 이온 작용이 있다.
무기 이온의 삼투압과 농도
편집無機 ion－渗透壓－濃度적혈구는 일종의 삼투압계라고 생각할 수 있다. 예를 들어 포유류의 적혈구는 0.9% 식염(염화나트륨)수와 등장(等張)이며, 보다 저장(低張)한 액체나 물 속에서는 부풀어 파열한다. 또 반대로 고장(高張)한 10% 용액 등에서는 쪼그라들어 주름잡힌 상태가 된다.
이는 적혈구만이 아니라 동물 조직의 세포에서도 마찬가지로, 등장액 속이 아니면 세포의 형태가 유지될 수 없다.
등장이라는 것은 반투성 세포막으로 차단된, 두 액체에 녹아 있는 물질의 삼투압이 같다는 뜻이다. 그때 무기 이온의 존재비(比)가 실제 세포질이나 혈액 등의 조직과 같을 필요는 없다. 또한 무기물만이 아니라 당질이나 단백질 등의 유기물도 등장액을 만들 수 있다.
물질의 농도로는 원자수나 분자수를 계산할 수 있는 그램 원자나 분자(몰)가 일반적으로 쓰이는데, 무기물인 경우에는 전리(電離) 상태나 이온가(價) 수가 문제가 된다. 원자가가 2가 이상에서는 이온가 수로 그램 원자나 그램 분자를 나눈 값을 당량(E)으로 쓴다.
예를 들어 식염(NaCl)이나 염화 칼슘(CaCl2) 1몰 용액이 완전히 전리했다고 하면 식염에서는 Na+과 Cl- 를 합쳐 2몰, 염화 칼슘에서는 Ca2+과 2Cl-, 합쳐서 3몰의 자당액에 해당되는 삼투압을 생성하게 된다.
그러나 세포 안팎에서는 이온 교환이 행해지기 때문에 이론적으로는 등장이라 할지라도 생리적으로 등장이 된다고는 한정할 수 없다. 예를 들어 Ca2+가 들어가면 Na+가 대신 두 개 나온다. 즉, Ca2+의 1당량은 그램 원자(40.1g)를 2로 나눈 값이 Na+ 1당량(23g)에 해당하는 계산이 된다. 세포 안팎의 무기질은 소량이기 때문에 거의 이온으로 전리되고 있다고 생각할 수 있으며, 밀리 당량(mE)이라는 1000분의 1 단위로 나타낸다.
또 세포 안팎에서는 삼투압이 같아도 실제 이온 분포에는 현저한 차이가 있으며, 내액에는 K+와 HPO2-(제2인산 이온), 외액에서는 Na+와 Cl-가 주로 함유되어 있다. 그리고 양이온과 음이온의 각 당량의 총합은 항상 같다.
산－염기 평형과 무기 이온의 완충 작용
편집세포의 활동에는 등(等)삼투압 외에 H+ 농도도 대부분 같이 유지되는 것이 중요하다. 다시 말해서 세포 안팎 모두 거의 중성으로 유지되고 있으며, 산성에도 염기성에도 급격히 변화하지 않도록 조절되고 있다.
이와 같은 작용을 완충 작용이라 한다. 분자 내에 염기성기(基)(－NH3+)와 산성기(－COO－)를 가진 아미노산이나 단백질에도 완충 작용이 있지만, 주된 완충 작용은 무기질에 의해 행해진다. 세포 밖의 완충계는 주로 중탄산 완충계(H2CO3/NaH-CO3), 세포내는 주로 인산 완충계(NaH2PO4/-Na2HPO4 또는 KH2PO4/K2HPO4)이다.
각각의 무기 이온의 작용
편집Na+와 K+
편집세포에서의 이들 두 가지 이온을 보면 세포내에서는 K+이 많고, 세포 밖에서는 Na+이 많아지도록 유지되고 있다. 이 부등 분포는 신경이나 근육 등의 작용의 기본적인 구조로서 중요하다. 혈액 속의 Na+/K+은 부신 피질 호르몬에 의해 조절된다.
Ca2+와 HPO42-
편집이들은 뼈의 주성분이 된다. 또 Ca2+는 세포 밖에서는 세포간 접착에 관여하고, 세포의 분비 활동에 필요한 조건이 되고 있다. 인산은 핵산이나 ATP 등 여러 가지 유기물의 성분이며, 또한 물질 교대와 에너지 교대에 깊은 연관이 있다.
기타 이온
편집Mg2+는 클로로필의 성분으로, Fe2+는 헤모글로빈 및 시토크롬, 카탈라아제 등 효소의 성분으로, 또 Cu·Zn·Mn(망간)·Mo(몰리브덴) 등의 금속 이온도 각기 효소의 성분이 되어 여러 가지 물질 교대에 관계한다. I(요드)처럼 호르몬 성분이 되는 것도 있다.