1 세포의구조와구성요소 1.1 세포의구조 세포는구조에따라원핵세포 (procaryote) 와진핵세포 (eucaryote) 로나누어진다. 원핵세포와진핵세포의가장큰차이점은염색체를둘러싸고있는막의유무와미토콘드리아 (mitochondria) 나소포체 (endoplasmic reticulum) 와같은세포내소기관의유무이다 ( 표 1.1). 바이러스는독자적으로살아갈수없는생물체이므로이두가지부류에포함되지않는다. 표 1.1 원핵세포와진핵세포의비교 원핵세포 핵막 없음 있음 인 없음 있음 진핵세포 DNA( 염색체 ) 한개, 히스톤등단백질과결합안됨 여러개의염색체로존재. 히스톤등단백질과복합하게결합됨 분열 무사분열 유사분열 원형질막 보통스테롤이없음 보통스테롤이없음 라이보좀 (ribosome) 70S(50S+30S) 80S(60S+40S) 세포내소기관 (organelle) 없음 액포, 딕티오좀, 미소체등다수 호흡계 원형질막부분혹은메소좀 미토콘드리아 크기 일반적으로작음. 보통직경 2μm 이하 보통큼. 2~100μm - 1 -
2 1 장세포의구조와구성요소 1.1.1 바이러스 (virus) 바이러스의크기는 30~200 nm 정도로매우작으며다른세포에기생한다. 바이러스는유전정보를 RNA 또는 DNA에저장하는데이핵물질은캡시드 (capsid) 라는단백질껍질로덮여있다. 거의모든세포는바이러스에의해감염될수있으며박테리아를감염시키는바이러스를박테리오파지 (bacteriophage) 라고한다. sex pilus Periplasmic space Ribosome 1μm flagella 세포내막 ( 원형질막 ) 세포외막 3μm 염색체 그림 1.1 전형적인그람음성박테리아 ( 대장균 ) 의모식도 1.1.2 원핵세포 (procaryote) 원핵세포의크기는반지름이 0.5~3μm, 질량이 10-12 g 정도이며모양은막대기모양의간균 (bacillus), 구형의구균 (coccus), 나선형의나선균 (spirillium) 의세종류가있다. 전형적인그람음성 (Gram negative) 박테리아의모식도를그림 1.1에나타내었다. 원핵세포는증식속도가빠르고생화학적으로다양한능력을갖고있기때문에자연계에널리퍼져있다. 원핵세포는외막, 내막또는세포질막, 핵영역, 리보솜, 저장과립체, 블루틴등으로나누어진다. 외막 (outer membrane) 은외부환경속에서세포가원형을보존할수있도록지지하는역할을한다. 내막 (inner membrane) 또는세포질막은 70 A 정도의두께로 50 % 의단백질, 30 % 의지방, 20 % 의탄수화물로이루어져있으며세포간극 (periplasmic space) 에의해외막과분리되어있다. 세포질막은외부로부터세포가필요로하는화학물질이나
1.1 세포의구조 3 영양분을선택적으로수송하고또한그수송속도를조절하는중요한역할을하기때문에한부분이라도유실되면세포용혈 (cell lysis) 이일어나결국은죽게된다. 핵영역 (nuclear zone) 은핵막 (nuclear membrane) 이없으므로분명하게규정하기어렵다. 검은점모양의리보솜 (ribosome) 은단백질을합성하는장소이다. 크기는 10~20 nm 정도이며 RNA (ribonucleic acid) 가 63 %, 단백질 37 % 로이루어져있다. 저장과립체 (storage granule) 는 0.5~1μm 정도의크기로중요한대사산물의저장장소로이용되며다당류, 지방, 황 (sulfur) 과립체가축적된다. 블루틴은세포내에생기는과립형구조로몇몇종의박테리아에존재한다. 그외의부분은세포질로채워져있다. 원생생물계에속하는박테리아의분류는그림 1.2에나타나있다. 원생생물계 (protist kingdom) 원생생물 (procaryotes) 진핵생물 (eucaryotes) 박테리아 남조류 (blue-green algae) 원생생물 (protozoa) 조류 (algae) 곰팡이 (fungi) 효모 (yeast) 균류 (molds) 그림 1.2 원생생물계의분류도 미생물명명법각각의생물의명칭은 2개의이름으로표시하는이명식 (binomial system) 을사용하여불리어진다. 각생물의이름은이탤릭체로쓰여진다. 이름의첫부분은속 (genus) 을의미하며그첫자는대문자로쓴다. 두번째이름은종 (species) 을의미한다. Bacillus subtilis: 고초균 Clostridium acetobutylicum: 부탄올, 부티르산등을생성하는박테리아 Helicobacter pylori: 위장에서서식하는박테리아 Saccharomyces cerevisiae: 효모같은속명이여러차례반복될때는약자를사용한다. 예를들어, Bacillus subtilis 는 B. subtilis 라고쓴다.
4 1 장세포의구조와구성요소 진정박테리아진정박테리아는그람 (Gram) 염색법, 영양요구성과에너지대사과정에따라나눌수있다. 진정박테리아중에서그람양성박테리아는세포막이한겹으로되어있고, 그람음성박테리아는세포막이이중으로되어있다. 그람염색법에의한진정박테리아의분류는이와같은세포막 (cell membrane) 의구조적인차이를이용하는것이다. 그람염색법이란우선세포에열을가해고정시킨후염색약인보라색결정 (crystal violet) 을가하여보라색으로염색시킨다. 그후요오드 (iodine) 와에탄올을순차적으로가하면그람양성 (Gram positive) 세포는보라색으로남는반면, 그람음성 (Gram negative) 세포는붉은색을띠게된다. 마지막으로사프라닌 (safranin) 으로대조염색 (contrast staining) 하면그람양성세포는보라색으로남으나그람음성세포는붉은색을띤다. 영양요구성에따라종속영양박테리아를 heterotroph라하고독립영양박테리아를 autotroph라한다. 독립영양은두가지로서광합성독립영양 (photoautotroph) 과화학합성독립영양 (chemoautotroph) 이있다. 고박테리아 (archaebacteria) 고박테리아는현미경으로보면다른진정박테리아와거의같아보이지만미생물의분자수준에서다음과같이차이가난다. 1) 고박테리아는외막을지지하는층인펩티도글리칸 (peptidoglycan) 을가지지않는다. 2) 리보솜 RNA의염기서열이진정박테리아의그것과상당히다르다. 3) 세포막의지질조성 (lipid composition) 이다르다. 고박테리아는특이한지질조성및대사경로 (metabolic pathway) 때문에보통극한환경 (extreme environment) 에서서식한다. 1.1.3 진핵세포 (eucaryote) 진핵세포는원핵세포보다지름이 5~10배크며다중막으로둘러싸인핵과세포질내의수많은세포소기관으로이루어져있다. 고등생물을구성하는진핵세포는세포표면을통해직접또는간접적으로세포간에협동적인상호작용을하므로원핵세포와는달리생화학적인융통성및적응성을가지지않아도된다. 핵 (nucleus) 은 DNA(deoxyribonucleic acid) 분자인염색체 (chromosome) 를핵물질로갖고있다. 핵의내부에는핵인 (nucleolus) 이존재하는데합성된여러종류의 RNA분자를저장하고있다. 미토콘드리아 (mitochondria) 와엽록체 (chloroplast) 는 ATP(adenosine triphosphate) 생성에관
1.1 세포의구조 5 여하며이중막 (double layer) 을가진세포소기관이다. 자체의 DNA와단백질합성기구를갖고있어스스로합성된다. 미토콘드리아는동물과식물세포에모두존재하지만엽록체는식물세포에만존재한다. 미토콘드리아는직경 1μm, 길이 2~3μm인원통모양의구조로세포내에다수분포되어있으며영양물을산화 (oxidation) 하는효소가들어있어세포의활동에쓸수있는활동에너지 (ATP) 를생성한다. 엽록체는엽록소 (chlorophyll) 를함유하는녹색의세포소기관으로조류 (algae) 와식물세포에서광합성에기여한다. 엽록소는빛에너지를이용하여탄수화물을합성한다. 리보솜 (ribosome) 은세포질에들어있는가장작은구조물로단백질을합성하는장소이므로단백질을많이합성하는세포에는리보솜이많이존재한다. 소포체 (endoplasmic reticulum) 는세포막에서세포안으로이어지는복잡한회선모양의막조직으로리보솜을가지고있는조면소포체 (rough endoplasmic reticulum;rer) 와리보솜이없는활면소포체 (smooth endoplasmic reticulum;ser) 가있다. 리소좀 (lysosome) 은골지체에서만들어진매우작은입자로막과결합되어있다. 여러소화효소들을포함하고있으며이를방출하여여러영양소와세포내로들어온외부물질을분해한다. 골지체 (Golgi complex) 는막집합체로되어있는매우작은입자로분비작용이활발한세포에많다. RER에서합성된단백질은골지체에서탄수화물과결합된다. 일부단백질은골지체에축적되어세포표면을통해외부로분비된다. 퍼옥시솜 (peroxisome) 은막으로둘러싸인매우작은입자로식물에서광호흡 (photorespiration) 에관여한다. 글리옥시솜 (glyoxysome) 은매우작은막결합입자로글리옥실산염순환 (glyoxylate cycle) 의효소들을포함하고있다. 액포 (vacuole) 는낮은밀도의막으로둘러싸여있는식물세포의소기관으로소화, 삼투압조절, 세포폐기물저장등의역할을한다. 성숙한식물세포의경우액포가전체용적의약 90 % 를차지한다. 액포는액포막 (tonoplast) 으로둘러싸여있으며, 이막은물의흡수와방출을빠르게조절함으로써식물의운동을일으킨다. 액포의활동에따라기공의개폐운동, 식충식물에서포충엽의포획운동, 미모사의팽압운동및꽃의개화운동등이이루어진다. 또한동물에비해배설기관이분화되지않은식물에있어서는액포가물질대사의결과로생긴노폐물의배설장소일뿐만아니라무기염류, 당, 색소, 유기산, 탄닌, 결정체, 알카로이드, 효소등이축적되어있는곳이기도하다. 세포막 (cell membrane) 은원형질막으로단백질 (protein) 과인지질 (phospholipid) 로구성되어있으며인지질이중막 (lipid bilayer) 을형성한다. 세포의내부와외부의차이점을유지시키는역할을하므로세포가항상성 (homeostasis) 을유지하는데중요한역할을한다. 세포벽 (cell wall) 은원형질막바깥에존재하며세포가환경에의해파괴되지않고생존
6 1 장세포의구조와구성요소 20 μm 10 μm 액포 세포벽 미토콘드리아 엽록체 골지체 핵막 핵 리보좀조면소포체 리소솜 세포막 식물세포 활면소포체 동물세포 그림 1.3 동물세포와식물세포의비교모식도 할수있도록보호하고구조를유지시켜주는기능을한다. 동물세포는세포벽을갖고있지않으므로전단력 (shear) 에민감하여깨지기쉽다. 고등진핵세포인동물세포와식물세포의모식도를그림 1.3에나타내었다. 1.2 세포의구성요소 지구상의생물들은태양에너지와지구상에존재하는유기및무기물질을이용하여생장및유지에필요한물질을스스로생산하여야한다. 생물체에따라차이는있지만살아있는세포내의수분함량은 70~80 % 정도이다. 수분을제외한나머지부분의구성요소는대장균의경우 C-50 %, O-20 %, N-14 %, H-8%, P-3%, S-1%, K-1%, Na-1 %, Ca, Mg, Cl가각각 0.5 %, Fe-0.2 %, 그리고기타원소가전부합해서 0.3 % 정도이다. 이원소의구성비율은생물마다다르고같은세포라도성장환경에따라달라진다. 중요한것은이원소들이분자량이 50~250 달톤정도의중간체를거쳐단당류, 지방산및아미노산으로합성되며이저분자물질들은탄수화물, 지질, 단백질, 핵산 (DNA, RNA) 등고분자물질 (macromolecules) 의구성단위가된다.