Chapter 4 A Tour of the Cell ( 세포로의여행 ) Oct. 16, 2015 Lectures by Dr. Jong B. Lee
ORGANIC COMPOUNDS ( 유기화합물 ) 모든생물의몸은세포로구성되어있으며, 모든생명현상은세포활동의종합적결과라고할수있다. 따라서, 세포는생명체의형태적단위일뿐만아니라기능적단위이기도하다. 그러므로생물의생장, 유전, 진화등을이해하기위해서는먼저세포의특성을이해하여야한다. 생물은하나하나의세포가독립된생물로되어있는단세포생물과많은세포로구성되어있는다세포생물로나눌수있다. 다세포생물은구조와기능이같은종류의세포가모여서조직을이룬다. 세포 (Cell) 는일반적으로 1 개의핵을가지고있으며외계와세포질막과세포벽에의해서구분되어지는원형질덩어리를세포라한다. 이와같은세포는매우작기때문에현미경이발달한후에비로소그존재가알려지게되었으며연구의대상이될수있었다.
ORGANIC COMPOUNDS ( 유기화합물 ) 1665 년 Robert Hooke: 죽은식물의조직인코르크 (cork) 의구조를현미경하에서관찰하여벌집과같이작은구획으로갈라져있음을보고, 이것을최초로 cell 이라고하였다. Hooke 가관찰한것은세포가아니라이미죽은세포로서세포내용물질이없어진식물세포의세포벽만관찰한것이다. 1831 년 Robert Brown: 세포내에서가장중요한핵을발견하였다. 1835 년 de Jardin, 1846 년 von Mohl: 세포내의물질을통틀어원형질 (protoplasm) 이라고하였다. 1838 년 Mathias Schleiden: 모든식물이세포로구성되어있음을알았고 1839 년 Theodor Schwann: 모든생물체는세포를바탕으로한다고하였다. 즉이러한세포설은모든생물은기본적공통성이있음을강조하였다. 1858 년 Rudolf Virchow: 세포는반드시세포로부터유래된다고함으로써생명의영속성과진화에관한문제가제기될수있는바탕을제공하였다 ( 세포설의완성 )
생명현상이세포를기본으로한다는사실 단세포생물 : 아메바, 짚신벌레 현미경하에서아메바를바늘로찔러세포의내용물이밖으로흘러나오면죽게된다. 동물 : 심장을떼어내면그동물은죽는다. 그러나떼어낸심장을적당한조건에두면상당기간박동운동을할수있다. 이때심장의각세포들은활발하게호흡을하면서수축운동을하는세포의운동이정지하면서심장의박동은중단된다. 이와같이생명현상은세포를기본단위로하고있으며세포가생명의기능적인단위임을알수있다.
1900 년경 S. 라몬이카할 ( 오른쪽 ) 이그린눈의망막세포에분포된신경세포 ( 왼쪽 )
세포세계에대한소개 현미경으로세포의구조와기능을연구한다 원생생물인 Trichodina 의광학현미경사진 광학현미경 (light microscope, LM): 0.2 마이크로미터 전자현미경 (electron microscope, EM): 0.2 나노미터 ( 큰원자의크기까지가능 ) 주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM) 투과전자현미경 (transmission electron microscope, TEM)
현미경으로세포의구조와기능 The most powerful electron microscopes can magnify up to 100,000 times and distinguish between objects 0.2 nanometers apart. Light microscopes are still very useful for studying living cells.
Electron Microscope (EM, 전자현미경 ) The electron microscope (EM, 전자현미경 ) uses a beam of electrons, which results in 100-fold better resolution than light microscope. 분해능력 : 0.2 nanometer Two kinds of electron microscopes reveal different parts of cells. Scanning electron microscopes (SEMs, 주사전자현미경 ) examine cell surfaces. Transmission electron microscopes (TEMs, 투과전자현미경 ) are useful for studying the internal structure of a cell.
현미경으로세포의구조와기능 Light Micrograph (LM) TYPES OF MICROGRAPHS Scanning Electron Micrograph (SEM) Transmission Electron Micrograph (TEM)
섬모의주사전자현미경사진 주사현미경 (SEM)
섬모의투과전자현미경사진 투과현미경 (TEM)
세포의크기는기능에따라다양 세포의크기는매우다양하며생물의종류에따라다르며동일생물체내에서도조직에따라다르다. 실제큰새의알은수 cm 나되는난세포이며, 박테리아의경우 1.0um 밖에되지않는다. 대체로광학현미경으로관찰이가능하며수 um 에서수십 um 정도인것이많다. 사람의적혈구는지름이약 7.5um 이며, 백혈구는 8-10um 인데이와같은크기가세포로서는보통이다. 큰세포로는동물의난자를들수있다 세포의크기와비슷한대상
자연의법칙에의하여세포의크기가정해진다 세포의최대크기는영양을취하고노폐물을처리할수있도록표면적이충분히확보되는한도에의해결정된다. 큰세포는작은세포에비하여표면적이넓으나, 같은모양일때그체적에대한표면적의비가작은세포보다더낮다. 체적이같은세포라도그크기에따라표면적이달라진다
세포는크게두개의군으로나눌수있다 The countless cells on Earth fall into two basic categories: Prokaryotic cells ( 원핵세포 ) - Bacteria and Archaea ( 고세균류 ) o 원핵세포는약 35 억년전에나타났음 Eukaryotic cells ( 진핵세포 ) protists ( 원핵생물 ), plants, fungi, and animals. o 진핵세포는약 21 억년전에나타났음
All cells have several basic features They are all bounded by a thin plasma membrane ( 원형질막 ). Inside all cells is a thick, jelly-like fluid called the cytosol ( 시토졸혹은키토졸 ), in which cellular components are suspended. All cells have one or more chromosomes ( 염색체 ) carrying genes made of DNA. All cells have ribosomes ( 리보솜 ), tiny structures that build proteins according to the instructions from the DNA.
원핵세포 (prokaryotic cell) 는크기가작고구조가단순 크기 : 2-8 μm, 진핵세포의약 1/10 DNA: 코일모양으로뭉쳐있어핵양체 (nucleus-like) 를형성하고있으며막으로둘러싸여있지않다 원형질막 : 세포질을감싸고있음 원핵세포벽 : 원형질막바깥층으로매우단단한화학복합체로세포를보호하고그모양을유지하도록도와준다 피막 : 접착성인외막으로세포벽을싸고있다 선모 (pili) 편모 (flagella) 원핵세포
진핵세포는기능에따라막으로분할되어있다 동물, 식물, 원생생물, 균류 원핵세포보다훨씬복잡하다 핵 (nucleus): 2중막으로둘러싸여주변의세포질과유전물질의분리상태를유지 세포질안에는막으로둘러싸여있으며, 각각의고유기능을가지고있는세포소기관들이있다 막성소기관 : 핵, 소포체, 골지체, 미토콘드리아, 리소좀, 퍼옥시좀 세포대사 (cellular metabolism) 는막성세포소기관에서일어난다 세포벽 : 셀룰로오스나키틴으로구성 DNA: 환형보다는선형염색체에배열, 단백질이밀접하게결합되어있음
동물세포 / 식물세포 Unlike animal cells, plant cells have Chloroplasts ( 염록체 ), which convert light energy to the chemical energy of food in the process of photosynthesis, and Protective cell walls. Only animal cells have lysosomes ( 리소좀 ), bubbles of digestive enzymes surrounded by membranes. 리소좀 : 세포질내의과립이며가수분해효소를함유
동물세포
식물세포
내막계를이루고있는소기관 핵은세포의유전자조절중심기관이다 고등생물의세포는반드시한개의핵을가지고있어서진핵세포 (eukaryotic cell) 라하며핵은세포의생활을지배한다할수있다 o 핵의구성 : 핵막, 핵액, 염색체, 인 ( 핵소체 ) 으로구성되어있다. o 핵의수 : 한개의세포에는한개의핵을가지고있으나다핵세포는 2 개이상의핵이존재 o 위치 : 세포의중앙 o 형태 : 구형내지타원형, 소시지, 나선상, 환상 o 크기 : 수 m 에서 20-30 m 핵과조면소포체
세포핵 nuclear Envelope ( 핵막 ) Nucleus ( 인 ( 핵소체 )) 2 m
세포핵 A living cell seen under a light microscope, showing nucleus and cytoplasm Cytoplasm ( 세포질 ) Plasma Membrane ( 원형질막 ) Nucleus ( 세포핵 ) Plasma membrane Organelle ( 세포기관 ) fibers 40 m 5 m
세포핵 핵막소공 인 ( 핵소체 ) 염색질
핵원형질 인 ( 핵소체 )
핵막 (nuclear membrane) 핵질과세포질을가르는얇은 2 중막으로되어있다. 여기에여러개의핵공 (nuclear pore) 이뚫려져있다. 2 중막의두께는약 300Å (1Å =10-10 m = 0.1nm) 핵공 (nuclear pore): 직경 300-700Å 핵공은단백질분자가통과할수있다. 핵공을통하여물질이안팎으로통과할수있다. 2 중막바깥쪽막이흔히세포질쪽으로돌출하여그돌출부가소포체와연결되어있다.
염색질 (chromatin) 염색사부분에 DNA 가존재 DNA 가 histon 과결합하여핵단백질로존재 염색체의상세한형태에관해서는세포분열중기와후기에서잘관찰되어왔다. 따라서옛날에는염색체가세포분열시에만나타나고분열이끝나면없어진다고오인되기도하였다. 간기 (interphase) 에는염색체가풀어져서길게늘어난상태로존재하는데이와같은상태의염색체를염색질 (chromatin) 이라한다. 구성 : DNA, 단백질및 RNA ( 유전및세포분열에서다룸 ) nucleus nuclear envelope condensed chromosomes 25 m 25 m
인 (nucleus) 150-30Å 의과립과직경 60-120Å 의가늘고긴 fibril 과저전자밀도의기질로되어있다. 간기핵은 1 개또는그이상의인 (nucleolus) 을가지고있다. 형 태 : 일반적으로구형 구성 : 뉴클레올로네마 (nucleolonema) 와부정형의기질. 구성물질 : RNA와단백질 기능 : RNA합성과단백질합성에관계한다는것으로추정하고있다.
핵액 (nuclear sap) 단백질합성장소로추정 단백질, RNA 및가수분해효소 핵질의대부분을차지하며, 핵내에서바탕이되는부분이다. 전자현미경으로관찰하면불규칙한모양의미세한입자 (20 30nm) 의상으로보인다. 화학적조성은아직밝혀지지않았다. 단백질이기본, RNA 와여러가지가수분해효소가들어있다.
세포소기관은내막계로연결되어있다 내막끼리서로연결되어있는것도있고그렇지않은경우도있지만내막은서로세포질그물망을형성하여내막계를이루고있다. 세포소기관중소포체 (endoplasmic reticulum, ER: 그리스어로세포안에있는그물처럼연결된망 ) 는내막계가서로연결되어있음을보여주는가장좋은예이다. 소포체에는조면소포체와활면소포체가있으며, 조면소포체의막은핵막의바깥쪽막과연결되어있고소포체내의공간은소포체막에의하여세포질과분리되어있다. 그래서소포체막과핵막은세포내부를두부분으로분리한다. 세포를구획으로나누는것은내막계의주기능이다.
조면소포체에서막성분과단백질을만든다 조면소포체 (rough endoplasmic reticulum, rough ER): 과립이있어거칠게보이는것. 리보좀이박혀있어막을만드는기능과세포가분비하는단백질을만드는기능 막의바깥면에리보솜이부착. 리보솜이소포체바깥쪽에붙어두개의막에의해채널이형성 세포밖으로분비될단백질을만들고있는세포에서나타남 ex) 분해효소, 호르몬 폴리펩티드가합성되면소포체로들어간다 당이폴리펩티드와연결되어소포체에서나갈준비 소포체는이것을수송소포라고하는작은주머니로포장 분비단백질을가진수송소포가소포체에서나와골지체로이동 골지체에서최종형태로가공된단백질이원형질막을통해세포밖으로분비 조면소포체에서의분비단백질의합성및포장
활면소포체는기능이다양하다 활면소포체 (smooth endoplasmic reticulum, smooth ER): 무과립소포체는초면소포체와연결되어있으며, 이는리보좀이없이관으로이루어진망상구조로막에있는효소가그기능을담당한다. 지질 ( 지방산, 인지질, 스테로이드등 ) 을합성 세포와근육수축을위한칼슘이온의저장 분비및저장세포에풍부 소장의활면소포체 지질분해산물을흡수하는경로에서중요한역할을한다 간세포의활면소포체 화학물질을해독시키는산화효소를포함 글리코겐이포도당으로분해되는단계중한단계를담당하는효소포함 정소, 난소, 부신피질등에많이분포한다
활면소포체
골지체에서세포생성물이마무리되고분류되어이동한다 조면소포체에서나온소낭 (vesicle) 이모여기원된것 골지시스터나 ( 식물체에서딕티오좀 (dictyosome) 이라불린다 ) 를포함 분비기능을갖는세포에발달해있다 조면소포체로부터오는다양한단백질을단계적으로변형시키는데관여 형태 : 막으로납작하게둘러싸인여러개의주머니가겹쳐있으며, 소포계, 활면막, 골지액포등으로이루어져있다. 망상, 환상, 봉상, 입상 활면소포체에들어있던물질이여기서농축되고저장된다. 저장된물질은적당한조건이되면세포밖으로분비된다.
골지체
골지체 (Golgi apparatus) (A) (B) membranebounded vesicles golgi apparatus endoplasmic reticulum ( 세포질망상구조, 소포체 ) nuclear envelope (C) 1 m
리소좀 (Lysosome) 백혈구내리소좀의모양 단일막의주머니모양 식물세포에서의존재에대해서는이견이있지만, 동물세포에서는거의모든유형의세포에서발견 조면소포체 (RER) 에서합성되어골지체에의해포장된강력한가수분해효소 ( 약 40 종 ) 가들어있어세포내소화 ( 백혈구의식균작용, 올챙이의꼬리분해등 ) 에관여한다. 효소의효과적작용을위해산성조건이필요한데, 세포질로부터자기내부로양성자를펌프해들여옴으로써산성조건을만듬 ( 세포가터지더라도세포질에대한손상이방지됨 ) 자기소화작용 (autophagy): 세포내의손상되었거나노화된세포기관들이분해액포로흡수되어리소좀의효소에의해가수분해된다.
리소좀의형성과기능
비정상적인리소좀은치명적인질환을유발한다 리소좀축적증 : 리소좀의가수분해효소중한개의효소가결핍되어생기는병으로분해되지못한물질이리소좀에축적되어비정상적인크기로커진리소좀으로다른세포의기능을수행할수없게한다. 이질환은대부분소아초기에치명적이다. 폼페병 : 리소좀에글리코겐소화효소가결핍되어글리코겐이간세포에축적되는병 테이삭스병 : 리소좀의지방분해료소가결핍되어뇌신경세포에지방함유량이높아지고세포가손상되어신경계기능을마비시킨다.
액포는세포의기능을유지하고관리한다 액포 (vacule) 는막으로둘러싸인주머니로내막계에속하며, 크기와모양이다양하고, 여러가지기능을한다. 물을흡수하여식물세포의크기가커지도록하고, 생명유지에필요한화학물질이나세포의물질대사에의한부산물을저장할수있다 식물세포의중심액포 원생생물의수축포
내막계의요약 세포내에서수많은구획을이룬다. 중요한역할은물질을한방향으로보낸다는점이다. 막구조의세포기관 : 세포막, 핵막, 미토콘드리아, 소포체, 골지체, 리소좀, 엽록체 막이없는구조물 : 인, 리보좀, 중심체, 염색체 2 중막인구조물 : 핵막, 미토콘드리아, 엽록체
내막계를이루고있는소기관
에너지전환에관여하는소기관 엽록체는태양에너지를화학에너지로바꾼다 고등식물세포와조류에만있으며비교적납작한난형의형태를하고 있으며 2 중막으로싸여있다. 직경 ; 5 8 m, 두께 ; 2 4 m. 하나의식물세포에는 50 개이상의엽록체. 이중막, chlorophyll 이있어녹색. Photosynthesis ( 광합성 ). 광인산화 <ATP>. 엽록체속 : 엽록소 (chlorophyll) 가있어광합성작용 o 스트로마 (stroma): 균등의기질 o 그라나 (grana): 얇은막 (thylakoid) 라고하는막으로된넓적한낭 들이층상구조를하고있으며엽록소는이들막에들어있다. o 효소 : 스트로마 식물세포는엽록체외에백색체와잡색체가들어있다 ( 여러가지색 )
엽록체
옥수수엽육세포의엽록체
엽록체 (Chloroplasts) chlorophyllcontaining membranes outer membrane inner membrane cell wall vacuole
엽록체 (Chloroplasts)
엽록체의내부구조
엽록체의내부구조 Mesophyll cells ( 엽육세포 ) Chloroplast ( 엽록체 ) Outer membrane Inner membrane Stroma Granum Thylakoid Chloroplast Lamella
엽록체의내부구조 Light-absorbing pigments Thylakoids Granum Thylakoid One Granum Lumen Stroma ATP synthase
미토콘드리아는섭취한음식에서화학에너지를얻는다 Bacteria 를제외한산소호흡을하는모든세포는반드시미토콘드리아를갖고있다. 이중막구조이며크리스타구조 ( 표면적을넓히는주름잡힌구조 ) 이다 세포호흡에관계하는여러효소가들어있어세포내호흡을통해생명활동에필요한에너지를생산한다 자체적인 DNA 와리보솜이있어단백질합성을할수있고스스로증식할수있다 형태 : 0.2 5 m 크기의과립상 막으로둘러싸여있고영양물질을산화하는효소를갖고있다 외막 : 단백질과지질이주성분, 두께 50Å 내막 : 60-70Å 막간층 : 외막과내막사이 60-80Å Cristae : 안쪽으로함입된것 막의구성 : 인지질, 단백질 미토콘드리아내 : 호흡효소군, TCA cycle, ATP 생성
미토콘드리아
세포뼈대와관련구조 세포는내부에뼈대를가지고있다 대부분의세포소기관은세포를구조적으로지지할수있는구조를갖추고있다. 또한진핵세포에는가는섬유로된그물형태의지지구조가있는데이를통틀어세포뼈대 (cytoskeleton) 라한다. 세포뼈대
세포뼈대와관련구조 세포뼈대는세가지주요섬유로이루어져있다 미세섬유 (microfilament) : 가장가는섬유, 주성분액틴 (actin) 미세소관 (microtubule) : 가장굵은섬유, 튜불린이라고하는구형의단백질로만들어진, 속이비어있는원통형관이다. 중간섬유 (intermediate filament) : 중간두께, 섬유모양의단백질이밧줄과같은구조를하고있다 세포뼈대를이루는섬유
섬모와편모는미세소관이휘어지면서움직인다 진핵세포의편모와섬모의구조
섬모와편모는미세소관이휘어지면서움직인다 섬모와편모에서미세소관이휘어지는기작
진핵세포의표면과연접 세포는세포표면에의해보호되고, 지지되고, 서로연결된다 식물세포와세포연접
동물세포표면과세포연접
진핵세포의세포소기관은기능에따라네종류로나뉜다
모든생명체는동일한기본구조를가지고있다 과연외계인이존재할까?
연습문제 1. 원핵세포의핵양체부위는진핵세포의핵과어떻게다른가? 2. 다음소기관중공통적이지않은것은무엇인가? 리보좀 (ribosome), 리소좀 (lysosome), 미토콘드리아, 엽록체, 퍼옥시솜. 3. 조면소포체 (rough endoplasmic reticulum) 를거칠게만드는것은무엇때문인가? 4. 활면소포체 (smooth endoplasmic reticulum) 의 3 가지기능은무엇인가? 5. 단백질 - 분비세포에서소포체와골지체의관계는무엇인가? 6. 리소좀에이상이생겼을때, 과녕어떻게특정물질은세포에과잉으로축적되는가? 7. 광합성은무슨일을하는가?