핵심 해설
이 문제는 세포막을 사이에 두고 형성되는 이온의 불균형, 즉 세포 안팎의 나트륨(Na⁺)과 칼륨(K⁺) 농도 기울기를 유지하는 기전에 대한 기본적인 이해를 묻고 있어요. 모든 세포는 정상적인 생리 기능, 특히 흥분성 세포(신경 세포, 근육 세포)의 활동전위 발생을 위해 세포 내부는 나트륨 이온 농도를 낮게, 칼륨 이온 농도를 높게 유지해야 합니다. 이 농도 기울기는 단순히 확산에 의해 평형을 이루려 하기 때문에, 이를 역행하여 능동적으로 유지해주는 펌프 역할의 단백질이 바로
나트륨-칼륨 ATP분해효소(Sodium-Potassium ATPase, Na⁺/K⁺ pump)입니다.
정답 근거 (Answer Rationale)
정답은
④번 나트륨-칼륨 ATP분해효소입니다. 이 효소는 세포막에 존재하는 통합 단백질(Integral protein)로,
핵심! ATP(Adenosine Triphosphate) 한 분자를 가수분해하여 얻은 에너지를 사용하여 세포 내로 칼륨 이온(K⁺) 2개를 들여보내고, 세포 외로 나트륨 이온(Na⁺) 3개를 내보냅니다. 이 과정은 '1차 능동수송(Primary Active Transport)'의 대표적인 예시이며, 결과적으로 세포 내 Na⁺ 농도는 낮고(
약 10~15mM), K⁺ 농도는 높게(
약 140mM) 유지되어 안정막 전위(Resting Membrane Potential, 약 -70mV) 형성의 기초가 됩니다.
오답 분석 (Distractor Analysis)
①번
혼동 주의! 칼슘 통로 단백질(Calcium Channel): 칼슘 이온(Ca²⁺)의 세포 내 유입을 조절하는 단백질로, 근수축이나 신경전달물질 분비에 관여합니다. 나트륨-칼륨 농도 유지와는 직접적인 관련이 없습니다.
②번 촉진 확산 운반체(Facilitated Diffusion Carrier): 농도 기울기를 따라 물질을 수송하는 수동수송(Passive Transport) 방식입니다. ATP를 사용하지 않고 나트륨-칼륨 농도 기울기를 유지하지 못합니다. 포도당(GLUT)이나 아미노산 수송에 주로 관여합니다.
③번 염화물 통로 단백질(Chloride Channel): 염소 이온(Cl⁻)의 이동을 조절하는 통로로, 주로 억제성 시냅스 후 전위나 세포 부피 조절에 관여합니다.
⑤번 수분 통로 단백질(Aquaporin): 물(H₂O)만 선택적으로 통과시키는 통로 단백질로, 신장의 수분 재흡수나 분비선의 분비액 생성에 필수적입니다. 이온 농도 유지와는 무관합니다.
연관 개념 정리 (Related Concepts)
2차 능동수송(Secondary Active Transport)과 반드시 비교하세요. 나트륨-칼륨 펌프가 만든 나트륨 농도 기울기를 에너지원으로 사용하여 다른 물질(포도당, 아미노산 등)을 함께 수송하는 방식입니다. 예를 들어,
SGLT1(나트륨-포도당 공동수송체)은 세포 밖의 높은 Na⁺ 농도를 이용하여 포도당을 세포 내로 흡수합니다.
개념 정리: 나트륨-칼륨 ATP분해효소 (Na⁺/K⁺ pump)
1. 수송 방식: 1차 능동수송 (ATP 직접 사용)
2. 수송 방향: Na⁺ 3개 세포 밖으로 / K⁺ 2개 세포 안으로
3. 생리적 중요성: 안정막 전위 유지, 세포 부피 조절, 2차 능동수송의 에너지원 제공
한눈에 비교!: 능동수송 vs 수동수송
| 구분 | 능동수송 (Active Transport) | 수동수송 (Passive Transport) |
|---|
| ATP 사용 | 필요 (직접 또는 간접) | 불필요 |
| 이동 방향 | 농도 기울기를 거슬러 (저→고) | 농도 기울기를 따라 (고→저) |
| 예시 | Na⁺/K⁺ 펌프, SGLT | 단순 확산, 촉진 확산, 삼투 |
핵심 처치 포인트: 강심배당체 계열 약물(예: 디곡신, Digoxin)은 이 나트륨-칼륨 ATP분해효소를 억제하여 세포 내 Na⁺ 농도를 증가시키고, 결과적으로 Na⁺/Ca²⁺ 교환기를 통해 세포 내 Ca²⁺ 농도를 높여 심근 수축력을 증가시킵니다. 이 기전은 응급약물학에서도 중요하게 다루어집니다.
암기 팁: "3빠2들(3 out 2 in)" 이라는 숫자로 외워보세요. 나트륨 3개가 빠져나가고(3 out), 칼륨 2개가 들어옵니다(2 in).
국시 빈출 포인트: 이 문제는 기초의학(생리학) 영역에서 자주 출제되는 유형입니다. 단순히 효소 이름을 묻는 것을 넘어, 'ATP를 사용한다'는 능동수송의 특성, '안정막 전위 유지'라는 생리적 의의를 연결하는 통합 문제로도 출제될 수 있습니다.