장성 (Tonicity)

한 줄 정의: 세포를 둘러싼 용액이 세포 안팎의 물 이동을 통해 세포의 부피를 얼마나 부풀리거나 오그라들게 만드는지를 나타내는 상대적인 농도 성질입니다.

쉽게 풀면

말린 미역을 맹물에 담그면 통통하게 부풀어 오르지만, 소금물에 담그면 오히려 쪼그라드는 것을 본 적이 있을 겁니다. 세포도 마찬가지입니다. 세포막은 물은 비교적 자유롭게 통과시키지만 녹아 있는 물질(용질)은 잘 통과시키지 못하는 반투과성 막입니다. 그래서 세포 바깥 용액에 용질이 세포 안보다 적으면(저장액) 물이 세포 안으로 들어와 세포가 부풀고, 반대로 바깥 용액에 용질이 더 많으면(고장액) 물이 세포 밖으로 빠져나가 세포가 쪼그라듭니다. 안팎의 농도가 같으면(등장액) 물의 순이동이 없어 세포 크기가 그대로 유지됩니다. 이렇게 용액이 세포 부피에 미치는 상대적인 효과를 "장성"이라고 부릅니다.

왜 중요한가

장성은 세포 배양액, 수액, 안약, 점안액 등 사람이나 세포에 직접 접촉하는 용액을 설계할 때 반드시 고려해야 하는 성질이기 때문에 세포생물학뿐 아니라 약학, 임상의학 논문에서도 자주 언급됩니다. 용액의 장성이 맞지 않으면 세포가 부풀어 터지거나 쪼그라들어 실험 결과 자체가 왜곡될 수 있어, 세포 실험을 설계하거나 결과를 해석할 때 배양액의 장성을 확인하는 것이 기본적인 검증 절차로 다루어집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"적혈구를 고장액(hypertonic solution)에 노출시키자 세포 부피가 유의하게 감소하며 거치형(crenated) 형태로 변형되었다."

이 문장은 적혈구 바깥의 용액 농도가 세포 안보다 높아서 물이 세포 밖으로 빠져나갔고, 그 결과 세포 표면이 오그라들며 표면에 돌기가 생기는 특징적인 모양으로 변했다는 뜻입니다. 세포 배양이나 수액 투여 실험에서 용액의 장성을 정확히 맞추는 것은 세포 손상을 막기 위한 필수 조건입니다.

"저장액에 배양된 식물세포에서는 세포벽이 원형질막의 팽윤을 제한하여 팽압이 형성되는 것이 관찰되었다."

식물세포는 동물세포와 달리 세포벽이 있어 저장액에서도 터지지 않고 팽압을 형성한다는 점을 다룬 예문이다.

"등장성 식염수를 이용한 정맥 수액 투여는 적혈구 용혈을 유발하지 않으면서 체액량을 보충하는 표준적인 방법이다."

임상에서 수액의 장성을 체액과 맞추는 것이 안전한 투여를 위한 기본 원칙임을 설명하는 문장이다.

조금 더 깊게 보면

장성은 용액에 녹아 있는 전체 용질의 농도를 뜻하는 삼투질농도(osmolarity)와 구분되는데, 요소처럼 세포막을 자유롭게 통과할 수 있는 용질은 삼투질농도에는 기여하지만 세포막을 사이에 둔 실질적인 물 이동에는 큰 영향을 주지 않아 유효삼투질농도로는 반영되지 않습니다. 그래서 장성을 정확히 논의할 때는 전체 용질 농도가 아니라 세포막을 통과하지 못하는 용질만의 농도, 즉 유효삼투질농도를 기준으로 등장액·저장액·고장액을 구분하는 것이 원칙입니다.

주의할 점

장성(tonicity)은 단순히 용액의 전체 농도(삼투질농도, osmolarity)와 같은 개념이 아닙니다. 용질이 세포막을 얼마나 잘 통과하느냐에 따라 같은 삼투질농도라도 장성이 다르게 나타날 수 있습니다. 예를 들어 세포막을 자유롭게 통과하는 요소(urea) 용액은 삼투질농도가 높아도 결국 세포 안팎에서 균형을 이루어 등장액처럼 작용합니다. 물이 이동하는 근본적인 원리는 세포막의 구조와 물질 이동에서 설명하는 삼투 현상에 기반합니다.