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세포는 세포막으로 둘러싸여 있다. 그것은 인지질에 드문드문 단백질이 끼워진 구조를 이루고 있다. 세포가 살아 있다는 것은 세포에 들락이는 물질을 조절할 수 있는 능력이 있다는 것을 의미하며, 그 물질 중에는 전하를 띤 이온들도 있다. 그것들은 세포막을 직접 드나들지 못하고, 그 대신 세포막에 있는 단백질을 통해 들어오고 나간다. 그 단백질을 ‘채널단백질’이라 하고, 그것을 통해 이온이 출입하는 것을 ‘이온채널’이라 한다.
채널단백질은 자극에 의해 여닫힌다. 예컨대 자극제공분자가 채널단백질의 특정부위에 결합하면 단백질의 모양이 변하면서 채널을 여는 방식이다. 채널이 한 번 열리면 매 초당 수백만 개의 이온이 쏟아져 지나갈 수 있는데, 얼마나 빠르게 그리고 어느 방향으로 이온이 이동하느냐는 세포 안팎의 이온 농도에 달려 있다. 즉 이온 농도가 세포 안보다 바깥이 훨씬 더 높다면 이온은 세포 밖에서부터 세포 내로 들어오는 것이다.
그런데 이온채널은 이온을 선택해서 통과시킨다. 예컨대 칼륨이온(K+)이 통과하는 칼륨채널로 그보다 작은 나트륨이온(Na+)은 지나가지 못하는 것이다. 이러한 이온채널의 특이성은 로드릭 멕키논 교수에 의해 밝혀졌다. 세포 밖의 이온들은 물분자에 의해 둘러싸여 존재한다. 산소 원자와 수소 원자가 결합한 물분자는 산소 쪽은 (-)전하, 수소 쪽은 (+)전하를 띠며 비교적 강력한 극성을 보인다. Na+또는 K+가 포함된 물질이 강력한 극성을 지닌 물분자를 만나면 산소 쪽과 결합하는데, 이온과 물분자 사이의 결합 길이는 이온마다 조금씩 다르다. 그런데 물분자는 채널을 지나가지 못한다. 그래서 세포 밖의 이온들이 채널을 지나가려면 그것들을 떨어내야 한다.
깔때기 모양을 하고 있는 채널 속에는 산소 원자들이 있다. 칼륨채널 속 산소 원자들은 K+하고만 결합하게끔 거리가 벌어져 있다. K+가 칼륨채널에 들어가면 채널 속 산소 원자와 K+의 결합 길이, 채널 밖 산소 원자와 K+의 결합길이가 일치할 것이므로 K+는 채널 속 산소원자들을 물분자의 산소원자들로 알고 결합하면서 채널을 지나간다. 그러나 들어오려는 이온이 Na+이라면 그 거리들이 일치 하지 않아 Na+는 물분자에서 떨어져 나오지 못하고 칼륨채널 밖으로 튕겨나간다.
만약 이온채널이 정상적으로 작동하지 못하면 이온의 출입이 원활하지 못해 세포에 심각한 문제를 야기한다. 현대 최고의 이론물리학자 스티븐 호킹이 앓고 있다는 루게릭병의 주요 원인도 신경 세포의 이온채널을 제대로 여닫지 못하기 때문인 것으로 알려졌다. 루게릭병은 아직 불치의 병이다. 이온채널에 대해 우리는 많을 것을 알고 있지만 아직도 알아야 할 부분이 그만큼 많은 것이다.
-퍼브스 외 3인 <생명>에서
