9.세포의 구조와 기능(1): 세포(cell)

 

 

세포(cell)

세포는 살아있는 생명체의 기본 단위다.

 

 

 

원핵세포와 진핵세포

세포는 구조에 따라 원핵세포(procaryote)와 진핵세포(eucaryote)로 나누어진다.

바이러스는 독자적으로 살아갈 수 없는 생물체이므로 이 두 가지 부류에 포함되지 않는다.

 

 

 

1.바이러스(virus)

바이러스의 크기는 30～200 nm 정도로 매우 작으며 다른 세포에 기생한다. 바이러스는 유전정보를 RNA 또는 DNA에 저장하는데 이 핵물질은 캡시드(capsid)라는 단백질 껍질로 덮여 있다. 거의 모든 세포는 바이러스에 의해 감염될 수 있으며 박테리아를 감염시키는 바이러스를 박테리오파지(bacteriophage)라고 한다.

 

 

 

 

(바이러스-인도 변이 바이러스)

 

 

 

 

2.원핵세포(procaryote): 박테리아, 남조류

원핵세포는 세포핵을 둘러싸고 있는 핵막이 없다는 점에서 진핵세포와 큰 차이를 지닌다.

또한 진핵세포에서 특징적인 세포 간 소기관 및 구조물을 가지고 있지 않다.

중요한 예외는 리보솜으로, 진핵세포와 원핵세포에 모두 존재한다. 

 

원핵세포의 크기는 반지름이 0.5～3μm, 질량이 10-12 g 정도이며 모양은 막대기 모양의 간균 (bacillus), 구형의 구균(coccus), 나선형의 나선균(spirillium)의 세 종류가 있다. 

원핵세포는 증식 속도가 빠르고 생화학적으로 다양한 능력을 갖고 있기 때문에 자연계에 널리 퍼져 있다.

 

원핵세포는 3개의 영역을 지닌다. 1)편모와 필리(세포 표면에 붙어있는 단백질)라고 불리는 부속기관 영역, 2)피막, 세포벽, 세포막으로 구성된 세포외막 영역, 3)유전체(DNA)와 리보솜 및 여러가지 세포물질을 포함한 세포질 영역이다. 

 

미토콘드리아, 골지체, 엽록체와 같은 세포 소기관의 대부분의 기능은 원핵세포에서는 세포질이 담당한다. 

 

외막(outer membrane)은 외부 환경 속에서 세포가 원형을 보존할 수 있도록 지지하는 역할을 한다.

 

내막(inner membrane) 또는 세포질 막은 70 Å정도의 두께로 50 %의 단백질, 30 %의 지방, 20 %의 탄수화물로 이루어져 있으며 세포 간극(periplasmic space)에 의해 외막과 분리 되어 있다.

 

세포질막은 외부로부터 세포가 필요로 하는 화학 물질이나 영양분을 선택적으로 수송하고 또한 그 수송 속도를 조절하는 중요한 역할을 하기 때문에 한 부분이라도 유실되면 세포 용혈(cell lysis)이 일어나 결국은 죽게 된다.

 

핵영역(nuclear zone)은 핵막(nuclear membrane)이 없으므로 분명하게 규정하기 어렵다.

 

검은 점 모양의 리보솜(ribosome)은 단백질을 합성하는 장소이다. 크기는 10～20 nm 정도이며 RNA (ribonucleic acid)가 63%, 단백질 37%로 이루어져 있다.

 

저장과립체(storage granule)는 0.5～1μm 정도의 크기로 중요한 대사산물의 저장 장소로 이용되며 다당류, 지방, 황(sulfur)과립체가 축적된다.

블루틴은 세포 내에 생기는 과립형 구조로 몇몇 종의 박테리아에 존재한다.

그 외의 부분은 세포질로 채워져있다. 

 

 

 

(원핵세포-박테리아 대장균)

 

 

 

3.진핵세포(eucaryote):고등생물(식물, 동물)

원핵세포가 일반적으로 그 스스로 생명체인 것에 비해, 진핵세포는 일반적으로 다세포 유기체에서 발견된다.

진핵세포는 일반적으로 원핵세포에 비해 10배 가량 크고, 부피로 따지면 1000배나 크다.

원핵세포와 진핵세포 사이에 가장 큰 차이는, 진핵세포의 경우 특정 세포대사를 하는 세포의 일부분이 세포막에 둘러싸여 있다는 것이다. 가장 중요한 부분은 세포핵이며, 진핵세포의 DNA를 가지고 있는 부분을 세포막으로 경계짓고 있다. '진핵'이란 '진실된 세포핵'이란 뜻이다. 

 

진핵세포는 원핵세포보다 지름이 5～10배 크며 다중막으로 둘러싸인 핵과 세포질 내의 수많은 세포 소기관으로 이루어져 있다. 고등 생물을 구성하는 진핵세포는 세포 표면을 통해 직접 또는 간접적으로 세포간에 협동적인 상호작용을 하므로 원핵세포와는 달리 생화학적인 융통성 및 적응성을 가지지 않아도 된다.

 

핵(nucleus)은 DNA(deoxyribonucleic acid)분자인 염색체(chromosome)를 핵물질로 갖고 있다. 핵의 내부에는 핵인(nucleolus)이 존재하는데 합성된 여러 종류의 RNA분자를 저장하고 있다.

 

미토콘드리아(mitochondria)와 엽록체(chloroplast)는 ATP(adenosine triphosphate)생성에 관여하며 이중막(double layer)을 가진 세포 소기관이다. 자체의 DNA와 단백질 합성 기구를 갖고 있어 스스로 합성된다.

미토콘드리아는 동물과 식물세포에 모두 존재하지만 엽록체는 식물세포에만 존재한다.

미토콘드리아는 직경 1μm, 길이 2～3μm인 원통 모양의 구조로 세포 내에 다수 분포되어 있으며 영양물을 산화(oxidation)하는 효소가 들어 있어 세포의 활동에 쓸 수 있는 활동 에너지(ATP)를 생성한다.

엽록체는 엽록소(chlorophyll)를 함유하는 녹색의 세포 소기관으로 조류(algae)와 식물세포에서 광합성에 기여한다. 엽록소는 빛에너지를 이용하여 탄수화물을 합성한다.

-지구상의 생물들은 태양에너지와 지구상에 존재하는 유기 및 무기물질을 이용하여 생장 및 유지에 필요한 물질을 스스로 생산하여야 한다.

 

리보솜(ribosome)은 세포질에 들어 있는 가장 작은 구조물로 단백질을 합성하는 장소이므로 단백질을 많이 합성하는 세포에는 리보솜이 많이 존재한다.

 

소포체(endoplasmic reticulum)는 세포막에서 세포 안으로 이어지는 복잡한 회선 모양의 막조직으로 리보솜을 가지고 있는 조면소포체(rough endoplasmic reticulum;RER)와 리보솜이 없는 활면소포체(smooth endoplasmic reticulum;SER)가 있다.

 

리소좀(lysosome)은 골지체에서 만들어진 매우 작은 입자로 막과 결합되어 있다. 여러 소화 효소들을 포함하고 있으며 이를 방출하여 여러 영양소와 세포 내로 들어온 외부 물질을 분해한다.

 

골지체(Golgi complex)는 막 집합체로 되어 있는 매우 작은 입자로 분비 작용이 활발한 세포에 많다. RER에서 합성된 단백질은 골지체에서 탄수화물과 결합된다. 일부 단백질은 골지체에 축적되어 세포 표면을 통해 외부로 분비된다.

 

퍼옥시솜(peroxisome)은 막으로 둘러싸인 매우 작은 입자로 식물에서 광호흡(photorespiration)에 관여한다.

글리옥시솜(glyoxysome)은 매우 작은 막결합 입자로 글리옥실산염 순환(glyoxylate cycle)의 효소들을 포함하고 있다.

 

액포(vacuole)는 낮은 밀도의 막으로 둘러싸여 있는 식물세포의 소기관으로 소화, 삼투압 조절, 세포폐기물 저장 등의 역할을 한다. 성숙한 식물세포의 경우 액포가 전체 용적의 약 90 %를 차 지한다. 액포는 액포막(tonoplast)으로 둘러싸여 있으며, 이 막은 물의 흡수와 방출을 빠르게 조절함으로써 식물의 운동을 일으킨다. 액포의 활동에 따라 기공의 개폐운동, 식충식물에서 포충엽의 포획운동, 미모사의 팽압운동 및 꽃의 개화운동 등이 이루어진다. 또한 동물에 비해 배설기관이 분화되지 않은 식물에 있어서는 액포가 물질대사의 결과로 생긴 노폐물의 배설장소일 뿐만 아니라 무기염류, 당, 색소, 유기산, 탄닌, 결정체, 알카로이드, 효소 등이 축적되어 있는 곳이기도 하다.

 

세포막(cell membrane)은 원형질막으로 단백질(protein)과 인지질(phospholipid)로 구성되어 있으며 인지질 이중막(lipid bilayer)을 형성한다. 세포의 내부와 외부의 차이점을 유지시키는 역할을 하므로 세포가 항상성(homeostasis)을 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

-세포막은 '선택적인 장벽'으로 작용하여 세포에 산소와 영양분을 제공하고 세포노폐물을 제거하도록 물질의 통과를 허용한다.

-세포 소기관의 내막들은 많은 효소들이 막 속에 끼어있어 대사과정에 직접 관여하여 각각의 대사기능을 수행한다.

 

세포벽(cell wall)은 원형질막 바깥에 존재하며 세포가 환경에 의해 파괴되지 않고 생존할 수 있도록 보호하고 구조를 유지시켜 주는 기능을 한다. 동물세포는 세포벽을 갖고 있지 않으므로 전단력(shear)에 민감하여 깨지기 쉽다.

 

-생물체에 따라 차이는 있지만 살아있는 세포 내의 수분함량은 70～80 % 정도이다.

 

 

 

(진핵세포-동물세포와 식물세포)

 

 

 

세포의 크기

-세포의 크기는 물질대사를 위한 진화적 적응을 통해 이상적인 크기이다.

-큰 생물은 작은 생물보다 세포가 큰 것이 아니라, 더 많은 세포로 구성되어 있다. (세포의 수)

 

 

 

(세포의 크기)