세포와 세포 소기관

세포와 세포 소기관

김진국

1. 세포(細胞, cell)

 생물의 몸은 탄수화물, 지질, 단백질 등의 유기화합물이 그냥 뭉쳐져서 된 것이 아니라 정교한 구조로 만들어진 세포가 쌓인 것이다.
세포는 탄수화물, 지질, 단백질 등의 유기화합물과 무기염류를 재료로 막이나 관과 같은 소기관을 형성하고 이들 소기관을 막으로 둘러싼 방 모양의 일정한 구조를 가진다. 이런 일정한 세포가 수만 ～ 수 조개가 모여 생물체를 이룬다.
 즉 생물 몸은 모래, 자갈, 시멘트 등이 결합된 콘크리트 구조물과 같은 형태가 아니라 여러 종류의 벽돌로 쌓아서 만든 벽돌집과 같은 형태이다.
 수정란이라는 한 개의 세포가 발생 중에 분열하여 여러 종류의 세포로 분화되는데 각 세포들의 역할에 따라 세포의 작용과 모양이 특별하게 변화되기 때문이다. 세포의 종류가 달라도 모두 동일한 유전자를 가지고 있으며 세포의 종류에 따라 형태와 작용이 다른 것은 모든 세포가 핵에 있는 유전 정보를 전부 사용하는 것이 아니라 각 종류의 세포마다 특별한 부분을 사용하기 때문이다.
 동물의 몸 구성 단계를 보면 같은 모양이고 같은 작용을 하는 세포들의 모임을 조직(예 : 표피조직, 결합조직, 근육조직 등)이라 하고, 몇 개의 다른 조직이 모여서 같은 일을 할 때 이들 조직의 모임을 기관(예 : 간 소장, 대장, 이자 등)이라 하며, 같은 일을 하는 여러 기관의 모임을 기관계(소화기 관계, 호흡기 관계, 순환기 관계, 배설기 관계, 생식기 관계 등)라 한다. 여러 기관계가 모여서 하나의 몸(개체)을 이룬다.  

2. 세포설(細胞說cell theory)

 세포설이라 세포는 생물의 구조 및 기능의 기본 단위이며, 세포는 세포로부터 생성된다는 것을 세포설이라 한다.
 모든 생물의 몸은 세포로 이루어져 있는데, 세포는 작아서 맨눈으로 볼 수 없었다. 세포라는 명칭은 로버트 훅(R.Hooke, 영)이 1665년에 자기가 제작한 현미경으로 코르크 조각의 단면을 관찰하다가 그것이 수많은 작은방으로 나누어져 있음을 발견하고 세포라고 하였다.
 처음 로버트 훅이 관찰한 것은 식물 세포의 세포벽이었으며, 그 후에는 살아 있는 세포도 관찰하게 되었다.
 1838년에 슐라이덴(M.J.Schleiden, 독)이 식물 세포설을 주장하였고, 1839년에 슈반(T.Schwann, 독)이 동물 세포설을 주장하였다.
 1858년에 루돌프 칼 피르호(Rudolf Ludwig Karl Virchow 루돌프 루트비히 카를 피르호, 1821 ~ 1902, 독일, 의사, 세포생리학자, 인류학자, 교육자, 정치가)는 모든 세포들은 세포들로부터 만들어진다(omnis cellula e cellula, New cells arise from pre-existing cells. 세포분열로)고 주장하여 세포설이 완성되었다.

3. 세포의 진화

가. 원핵세포(原核細胞, prokaryotic cell) 

 원시 지구에 약 38억 년 전 처음으로 자연 발생된 생물은 단세포 생물이다. 이 원시 단세포 생물은 세포 속에 핵막이 없어 핵 구조가 보이지 않지만 고리 모양의 DNA는 세포질에 있다(DNA는 뉴클레오솜을 형성하지 않음). 이런 형태의 세포를 원핵 세포라 한다.
 원핵세포에 대비되는 진핵세포는 핵막이 DNA를 싸고 있는 핵이라 불리는 구조가 세포 속에 있다.
 또 원핵세포에는 진핵세포에서 볼 수 있는 미토콘드리아, 엽록체, 골지체 등의 세포 소기관이 없다.
 원핵세포로 된 생물에는 세균(종속영양 생물, 고리 모양의 DNA는 뉴클레오솜(nucleosome)을 형성하지 않고 세포질의 nucleoid에 있으며 플라스미드도 세포질에 있음, 세포벽은 펩티도글리칸과 단백질로 구성), 독립영양 생물(시아노박테리아, 남세균), 고세균(세균과 다른 점- 펩티도글리칸 성분이 없음, 리보솜 RNA의 염기 서열, 세포막 지질 조성이 다름, 뉴클레오솜(nucleosome)과 비슷한 4량체(tetramer)를 DNA가 감고 있음, 종류-메테인 생성 박테리아, 호열 박테리아, 호염 박테리아, 세균보다 후에 발생됨)이 있으며, 크기는  1~10μ m이며, 100μ m 이상의 거대한 원핵생물도 있다(1mm = 1000μ m).

나. 진핵세포(眞核細胞, eukaryote) 

 진핵세포 속에는 핵막으로 싸인 핵이란 기관이 있다. 그래서 진핵 세포라고 한다.
진핵세포에는 선형의 DNA가 유리되어 있지 않고 항상 히스톤 단백질을 감고 있다. 히스톤 8량체(octamer)를 DNA가 감고 있는 구조를 뉴클레오솜(nucleosome)이라 하며 염색사의 기본단위이다.
진핵세포는 핵뿐만 아니라 미토콘드리아(고리 모양의 DNA가 단백질에 결합된 구조로 세균과 비슷), 엽록체(식물의 경우), 소포체 등의 세포 소기관이 있으며, 크기는  5~100μ m, 원핵세포보다 크고 DNA의 양도 많다.
원핵세포에서는 DNA, RNA, 단백질 모두 세포질에서 합성되지만, 진핵세포에서는  DNA는 핵막으로 싸여 있고, DNA, RNA 합성은 핵 속에서 일어나며, 단백질은 세포질에서 합성된다.
 동물, 식물, 균류 등은 모두 진핵세포이다.
 진핵세포는 원핵세포보다 20억 년 후인 약 15억 년 전에 나타났다. 원핵세포보다 훨씬 많은 유전 정보를 가지고 있으며, 여러 세포 소기관이 세포의 작용을 분업으로 수행함으로써 복잡한 기능을 할 수 있게 진화되었다. 진핵세포가 출현함에 따라 지구상의 생물은 정교하고 다양하게 진화할 수 있었다.

다. 진핵세포 생성과정

1) 막 진화설(세포막 함입설)

 진핵세포의 세포 내에는 많은 세포 소기관이 있다. 그런데 골지체, 소포체, 리소좀, 페르옥시솜 등의 세포 소기관은 단일막으로 싸여 있다. 진핵세포의 세포 소기관이 대부분 막으로 되어있는 것을 보고 유추하여 원시 세포의 세포막이 안으로 굽어 들어와 주머니 모양으로 생성되어 많은 세포 소기관이 형성되어 진핵세포가 되었다는 설이다.
1959년 데이비드 로버트슨( J. David Robertson, 1923~1995, electron microscopist, 미국)이 전자현미경으로 세포막을 관찰한 사진에서 유래되었다.

2) 세포 공생설(endosymbiosis hypothesis) 

 지금부터 약 15억 년 전에 원시 진핵세포가 출현했다. 그런데 이 원시 진핵세포는 ATP 생산이 비효율적인 무산소 호흡을 하고 있었다.
 이때, 지구상에는 광합성 세균의 작용으로 산소가 풍부하게 되었고 이 산소를 이용하여 효율적으로 ATP를 생산하는 원핵생물(호기성 세균, 유산소 호흡 원핵생물)이 출현하였다.
 이 호기성 세균이 무산소 호흡을 하는 원시 진핵세포 속에 들어가 공생하였다. 즉 호기성 세균이 원시 진핵세포에 들어가 미토콘드리아(고리 모양의 DNA는 뉴클레오솜을 형성하지 않고 단백질에 결합되어 있는 세균과 비슷함)로 되었다는 설이다. 호기성 세균을 포함한 진핵세포는 효율적으로 에너지를 획득할 수 있어 생존에 유리하게 되었다. 현재의 진핵세포는 이 세포에서 유래하였다.
 미토콘드리아가 공생한 원시 진핵세포에 다시 광합성을 하는 세균(시아노박테리아 등)이 들어가 공생하여 엽록체가 된 것이 식물이다.
 현재의 진핵 세포에서는 미토콘드리아와 엽록체는 그들을 제어하는 DNA가 원시 진핵세포의 핵으로 일부 옮겨져 있고 핵의 제어를 받기 때문에 세포를 떠나 단독으로는 생존할 수 없다.
 미토콘드리아와 엽록체는 세포막을 밀고 세포 속으로 들어갈 때 세포막에 싸여 이중막(침입 세포막+세포막)이 되고 독자적인 DNA를 가지고 있지만 세균과 같이 뉴클레오솜(nucleosome)을 형성하지 않는다. 숙주세포의 세포질에 있는 리보솜과 미토콘드리아와 엽록체에 있는 리보솜이 다르며 특히 미토콘드리아와 엽록체에 있는 리보솜은 세균(원핵세포)의 리보솜에 가깝다. 이렇듯 미토콘드리아와 엽록체는 숙주가 되는 원시세포와는 달리 현재의 세균과 닮은 특성 때문에 제창된 설이다.
역사적으로는 1883년 안드레아스 스킴퍼(Andreas Schimper, 1856~1901, 독일)는 식물의 엽록체가 시아노박테리아와 비슷하다는 것을 처음으로 관찰하였다.
시아노박테리아(남세균)와 엽록체에는 틸라코이드라는 얇은 막으로 된 내부 구조가 있으며 여기에 엽록소가 있고 명반응이 일어난다. 남세균에서 이 막 구조를 메소좀(mesosome)이라 한다. 그러나 메소좀(mesosome)은 동결-파쇄 고정으로 준비한 재료에서는 전자현미경으로 관찰되지 않아 없다고 한다.
1905년 콘스탄틴 메레스코프스키(Konstantin Mereschkowski, 1854~1921, 러시아)는 지의류를 이용한 실험에서 녹색식물이 두 원시 생물의 공생으로 생성되었다고 하였다.
세포 공생설의 확립은 린 마굴리스(Lynn Margulis, 1938 ~ 2011, 미국)에 의해 1967년 첫 논문이 발표된 이래 1980년경에 확립되었다.

4. 세포의 구조와 기능

 세포 속에는 생명활동을 하는 원형질과 그 활동 결과로 만들어진 생명활동이 없는 후형질의 두 가지로 이루어져 있다.
 진핵세포의 세포 내에는 막으로 형성된 많은 소기관이 있는데 이를 세포 소기관이라 한다. 핵, 미토콘드리아, 엽록체, 골지체, 소포체, 리소좀, 페르옥시솜, 액포 등이 있다. 그리고 막 구조가 아닌 리보솜(리보솜), 인, 중심체 등도 있다. 액포, 엽록체는 식물만이 갖는 세포 소기관으로 동물 세포에는 없다.
 세포 속에서 이들 소기관은 얽힌 미세소관에 의해 고정되어 있으므로 마음대로 움직일 수 없다. 그리고 미세소관을 상호 연결통로로 이용한다. 미세소관은 단백질인 α-와 β-의 튜불린 이합체로 이루어진 중합체이다.
 핵, 세포막, 미토콘드리아, 엽록체, 골지체, 소포체, 리보솜(리보솜), 인, 중심체, 리소좀, 페르옥시솜 등은 원형질에 속하며, 액포, 세포벽, 녹말 입자 등의 저장 물질은 후형질에 속한다.
핵, 엽록체, 미토콘드리아는 이중막(이중층인 단위막이 두층)으로 싸여있고, 세포막(원형질막), 골지체, 소포체, 리소좀, 페르옥시솜(peroxisome), 액포 등의 세포 소기관은 단일막(이중층의 단위막)으로 싸여 있다. 중심체(성상체, 방추사), 인, 리보솜 등은 막 구조가 아니며, 핵막, 미토콘드리아, 엽록체 등은 이런 단위막이 두 겹으로 되어 있어 이중막이라 한다.

가. 원형질(原形質, protoplasm) 

1) 핵(核, nucleus)

 핵은 대부분 구형이며, 세포의 중앙에 위치한다. 진핵 세포의 진핵이라는 이름은 핵을 가진 것에서 유래한다. 진핵세포는 보통 1개의 핵을 갖는다. 핵 내에는 유전 물질이 들어 있어서 세포의 활동과 분열을 지배한다. 진핵 세포의 핵은 이중 막으로 된 핵막으로 둘러싸여 있고 그 안에 인과 염색사(DNA)가 들어 있다.
핵 안에서 유전 정보를 담고 있는 것은 DNA로 DNA가 유리되어 있지 않고 항상 히스톤 단백질을 감고 있다. 히스톤 8량체(octamer)를 DNA가 감고 있는 구조를 뉴클레오솜(nucleosome)이라하며 염색사의 기본단위이다. 간기에는 염색사로 실처럼 풀어져 있으나 분열기에는 배로 복제되고 응축하여 일정한 크기와 형태(보통 X자 모양-복제된 두 가닥이 꼬여 붙어있기 때문)를 갖춘 염색체로 된다. 염색사는 DNA와 여러 단백질로 구성되어 있는데, 이 중 유전 물질의 본체는 DNA이다.
 이중 막인 핵막은 안쪽 막을 내막, 바깥쪽 막을 외막이라고 한다. 외막은 소포체에 연결되어 있다. 핵막에는 다수의 작은 핵공이 뚫려 있어 세포질과의 물질 이동이 일어난다.
진핵 세포에서 DNA의 전사(DNA의 정보 중 일부를 mRNA에 옮김)는 핵 속에서 이루어진다. 전사된 mRNA는 핵공을 통해 세포질로 나가고, 세포질의 리보솜에서 번역(여러 종류의 아미노산을 mRNA의 정보에 따라 결합하여 단백질을 합성하는 것)이 일어나 단백질이 합성된다. 핵을 가지지 않은 원핵생물에서는 전사와 번역 모두 세포질에서 일어난다.
 진핵세포의 핵막은 원핵세포의 세포막 일부가 안쪽으로 굽어 들어가 DNA를 싸서 핵이 되었을 것이라고 추정한다.

2)인(燐, Phosphorus)

 인은 핵 속에 있으므로 핵인 이라고 부르기도 한다. 인에서는 DNA을 전사하여 rRNA(리보솜 RNA)을 만들고, 세포질의 리보솜에서 합성한 단백질을 핵공을 통해 들여와 rRNA과 결합시켜 리보솜 부품(40s, 60s)을 만든다. 이렇게 만들어진 리보솜 부품은 세포질로 보내져 이들 부품이 결합되어 리보솜이 되고 여기서 단백질을 합성한다. 그러므로 인 속에서는 DNA, rRNA, 단백질, 리보솜 부품(40s, 60s)이 존재한다.
 인은 단위막으로 싸여 있지 않다.

3) 세포막(細胞膜, cell membrane)

 원형질의 둘레는 세포막(원형질막, 단일막)이라는 얇은 막으로 둘러싸여 있어서 외부와 구분된다.
 막을 구성하는 물질은 대부분이 인지질과 단백질이며 탄수화물도 있다. 인지질은 인 쪽은 친수성이고 지질 쪽은 소수성이므로 물이 많은 세포에는 친수성인 인 쪽은 물과 접하는 밖으로 향하고 지질 쪽은 물을 피하여 지질끼리 마주 보는 형태인 두 층의 인지질 구조가 기본이 되고, 여기에 단백질이 관통하여 박혀있거나 한쪽에 위치해있는데 이들 단백질과 지질들은 고정되어 있는 것이 아니고 이동될 수 있다. 이렇게 설명하는 것을 유동 모자이크 설이라 하며 이것을 단위막이라 한다.
친수성(hydrophilic)이란 어떤 물질이 물과 비슷한 성질(극성)이 있어 물에 잘 녹는 성질을 말하며 일반적으로 구성물질이 산소, 질소원자가 많은 물질은 친수성을 띠고 탄소, 수소원자가 많은 물질은 물에 잘 녹지 않는 소수성(hydrophobic)을 띤다.
 단백질이 막중에서 움직이므로 단백질의 작용으로 물질이 통과할 수 있고 제어할 수 있다. 막에 존재하는 탄수화물은 단백질과 결합된 당단백질로 존재하는데 인접하는 세포를 인식하거나 정보를 수용하는 작용을 한다.  
  핵, 엽록체, 미토콘드리아는 이중막(이중층인 단위막이 두층)으로 싸여있고, 세포막(원형질막), 골지체, 소포체, 리소좀, 페르옥시솜, 액포 등의 세포 소기관은 단일막(이중층의 단위막)으로 싸여 있다. 중심체(성상체, 방추사), 인, 리보솜 등은 막 구조가 아니며, 핵막, 미토콘드리아, 엽록체 등은 이런 단위막이 두 겹으로 되어 있어 이중막이라 한다.

4) 미토콘드리아(mitochondria) 

 생물은 모든 작용에 에너지 중에 가장 편리한 에너지인 ATP를 사용한다. 이중 막으로 되어 있는 미토콘드리아는 영양소를 산화시켜 발생하는 에너지를 ATP에 저장하는 세포 내 호흡이 일어나는 곳이다. 세포 내 호흡으로 포도당이 산화, 분해되어 이산화탄소와 물이 되는 과정에서 ATP가 만들어진다. 세포에 미토콘드리아가 없다면 세포질에서 1 분자의 포도당에서 2 분자의 ATP만 생산하지만, 미토콘드리아가 있으면 총 38 분자의 ATP를 생산할 수 있다. 이와 같이 생물의 작용에 편리한 에너지를 생성하는 미토콘드리아를 세포의 발전소라고 한다. 세포내호흡이 미토콘드리아에서 일어나는 것은 미토콘드리아가 ATP 생성에 알맞은 막 구조로 되어 있고 호흡에 관계되는 효소들이 이곳에 존재하기 때문이다.
 보통 세포에는 수십 개의 미토콘드리아가 있는데, 많은 양의 에너지를 필요로 하는 세포일수록 수가 많이 있으며 특히 간세포에는 1000~2000개 정도 있다.
 세포에서 DNA는 핵에 있지만 미토콘드리아에도 고리 모양의 DNA가 있다. 핵에 있는 DNA에는 미토콘드리아 합성에 대한 유전 정보는 없으므로 세포분열 때 핵에 있는 DNA에 의해 미토콘드리아를 생성하지 못하고 미토콘드리아에 있는 자신의 DNA에 의해 미토콘드리아를 생성한다. 그래서 자손을 생성하기 위해 수정될 때 알세포의 세포질에 있는 미토콘드리아가 자손에 유전된다. 결과적으로 어머니의 미토콘드리아만이 자손에 유전되므로 세포질 유전 혹은 모계 유전(엽록체도 같음)이라 한다. 원인은 미토콘드리아는 원래 원시적 세포에 공생한 세균(미토콘드리아로 됨)이므로 숙주세포의 핵과는 별도의 DNA를 가지기 때문이다. 그리고 미토콘드리아에는 별개의 세포질과  리보솜이 있어 자체 단백질을 합성한다.

5) 색소체(色素體, plastid)
색소체(色素體, plastid)는 색소가 있는 세포소기관으로 엽록체(葉綠體, Chloroplast), 잡색체(雜色體, 유색체, 有色體, Chromoplasts), 백색체(白色體, Leucoplast) 등이 있으며 전색소체(Proplastid, 프로플라스티드)로 부터 분화되고 이들은 자체의 DNA가 있다.

가) 엽록체(葉綠體, chloroplast)

전색소체(proplastid)나 황색체(etioplast, 빛에 노출되지 않은 어두운 곳에서 자란 세포에 있음)가 빛을 받으면 분화되어 엽록체가 된다.
엽록체는 원반 모양이며, 2중막으로 싸여 있으며, 내막은 속으로 함입되어 주머니 모양의 막구조인 그라나 틸라코이드(grana thylakoid)를 만들고, 이 틸라코이드가 동전을 쌓아 놓은 모양으로 여러 층으로 쌓여 그라나(grana)를 형성한다. 그라나 틸라코이드(grana thylakoid)에 엽록소(클로로필), 크산토필, 카로틴 등의 색소가 존재한다.
틸라코이드의 막 사이에는 스트로마라고 하는 기질이 있으며 기질(스트로마)에는 스트로마 틸라코이드(stroma thylakoid, stroma lamella, lamella)가 그라나 사이를 연결하고 있다.
 생물이 사용하는 에너지의 원천은 태양의 빛 에너지다.
 엽록체는 식물세포의 세포 소기관으로 태양의 빛 에너지를 흡수하여 광합성 작용을 한다.
광합성 작용이란 식물이 빛 에너지를 이용하여 화학 에너지를 가지는 포도당을 합성하는, 즉 빛 에너지를 화학 에너지로 전환하는 작용이다.
엽록체에서는 그라나(grana)에서 색소가 보색 관계로 태양 빛 에너지를 흡수하여 화학 에너지(ATP, NADPH)로 전환시키며 기질인 스트로마(stroma)에서 이 화학 에너지(ATP, NADPH)로 이산화탄소를 환원시켜 포도당을 합성하는 광합성 반응이 일어난다.
광합성은 식물과 광합성 세균에서 일어난다.
생물은 빛 에너지를 바로 사용하지 못하므로, 식물이 이산화탄소와 물을 재료로 빛 에너지를 포도당에 화학 에너지로 전환하여 저장하면, 이를 식물이나 동물이 미토콘드리아에서 포도당의 화학 에너지를 ATP라는 화학 에너지로 바꾸어 사용한다. 즉 지구상의 모든 생물은 식물의 광합성 작용에 의존하여 살아가고 있다고 할 수 있다.
엽록체가 노화되어 파괴되면 엽록소와 DNA가 파괴되고 틸라코이드 막이 사라진 노화체(gerontoplast)가 된다.
 엽록체는 미토콘드리아와 마찬가지로 독자적인 DNA를 가지고 있다. 그리고 엽록체에는 세포질과 별개의 리보솜이 있어 자체 단백질을 합성한다.
 이런 이유로 원시적인 진핵세포에 시아노박테리아와 같은 광합성을 하는 세균이 공생한 것이 엽록체라고 할 수 있다.

나) 잡색체(雜色體, 유색체, 有色體, Chromoplasts)

잡색체는 전색소체(proplastid)가 분화되어 생성되며 대부분이 망상의 튜브 구조이나 일부는 소낭,소립(globule) 형태이며 이들에 카로틴이 축적되어 있다
익은 과일에 있는 엽록체가 분해되어 그라나와 틸라코이드막이 해체되고 DNA가 파괴되어 형성된 노화체(老化體, Gerontoplast)는 잡색체가 아니다.

다) 백색체(白色體, Leucoplast)

백색체는 전색소체(proplastid)가 분화되어 생성되고 저장 조직이며 전분을 축적한 전분체(Amyloplast), 단백질을 축적한 단백체(Proteinoplast), 지질을 축적한 지방체(Elaioplast)가 있다.
빛에 노출되지 않은 어두운 곳에서 자란 세포에 있는 색소체로 빛을 받으면 엽록체로 분화되는 황색체(etioplast)는 백색체가 아니다.

6) 리보솜(ribosome)

 리보솜 생성은 인이 관계한다. 인에서 DNA을 전사하여 rRNA(리보솜 RNA)을 생성하고, 세포질의 리보솜에서 합성한 단백질을 핵공을 통해 인으로 들여와 rRNA과 결합시켜 리보솜 부품(40s, 60s)을 만든다. 이렇게 만들어진 리보솜 부품은 다시 핵공을 통해 세포질로 보내지고 세포질에서 이들 부품이 결합되어 리보솜이 된다.
리보솜은 단백질 합성이 일어나는 곳이다.
 어떤 단백질을 만들기 위해서는 핵에서 전사된 mRNA가 핵공으로 나와 리보솜에 결합하고 mRNA의 정보에 맞추어 tRNA가 특정 아미노산을 끌어와 펩티드 결합으로 연결시키면 필요한 단백질로 합성된다. 이를 단백질 합성 혹은 단백질 번역이라 한다.
 항생제인 테트라사이클린, 에리스로마이신, 스트렙토마이신, 아미노글리코사이드 등은 세균의 리보솜 기능을 파괴시켜 단백질 합성을 중단시키나 진핵세포(사람)의 리보솜에는 영향이 없다(원핵세포의 리보솜과 진핵세포의 리보솜은 차이가 있음).
리보솜은 단위막 구조가 없다.

7) 소포체(小胞體, endoplasmic reticulum)

 소포체는 막 구조로 세포질 전체에 퍼져 있고 핵막의 외막과 연결되어 있으며 단백질과 지질의 합성이나 운반 작용을 한다.
 소포체 바깥쪽에 단백질 합성 작용을 하는 리보솜(ribosome)이 부착되어 있는 소포체를 조면 소포체(단백질 합성에 관여), 리보솜이 부착되어 있지 않은 소포체를 활면 소포체(스테로이드, 지방 등 단백질이 아닌 물질 합성에 관여, 간에서는 독소를 해독시키는 산화효소가 있음)라고 한다. 리보솜에서 합성된 단백질이 소포체로 이동되어야 할 경우에 조면 소포체가 유리하다.

8) 골지체(Golgi apparatus, Golgi complex, Golgi body)

 골지체는 다수의 평평한 막힌 관이 겹쳐진 구조와 소낭의 구조로 되어 있으며 작용은 리보솜에서 합성되어 소포체를 통해 운반되어온 물질의 저장이나 분비 작용을 한다.

9) 리소좀(lysosome)

 리소좀은 단일막 (single membrane)으로 싸여 있으며 물질을 분해하는 효소를 가지고 있다. 세포 속에서 식균 작용에 이용되거나 세포막 밖으로 외포 작용으로 배출되어 불필요한 물질을 분해한다.

10) 페르옥시솜(peroxisome)

 페르옥시솜(peroxisome)은 단일막으로 싸여있으며 과산화수소와, 카탈라아제(catalase, 카탈레이스), 페록시다아제( peroxidase, 페르옥시데이스), D-아미노산 산화효소, 요산 산화효소, 글리콜산 산화효소 등을 가지고  있다. 이들 산화효소들을 이용해 아미노산, 알코올, 페놀, 포름산 등을 산화하고 이때 발생하는 과산화수소를 카탈라아제로 분해하는 항산화 작용을 한다.
그리고 지방산을 분해하여 아세틸 CoA로 전환시키는 작용을 한다. 이어서 아세틸 CoA를 동물에서는 인지질로 전환시키고 식물에서는 포도당으로 전환시킨다.
고등식물에서는 페르옥시솜(peroxisome)이 특화된 글리옥시솜(glyoxysome)이 있다.
 고구마를 칼로 자른 면에 과산화수소(H2O2)수를 바르면 산소가 발생하는 것은 파괴된 세포에 있는 카탈라아제의 촉매 작용 때문이다. 식물이나, 동물의 피부에 상처가 생기거나 외부에서 균이 침입하면 이들의 작용으로 피부가 보호된다.

11) 중심체(中心體, centrosome)

 중심체란 동물 세포 및 균류, 조류, 이끼류와 같은 하등식물 세포의 세포질에서 핵 부근에 있는 소기관으로 세포 분열을 할 때 방추사를 형성하여 염색체를 끌어서 양극으로 이동시키는 작용을 하는 것이다.
이때 여러 개의 방추사가 염색체들에 결합하여 마름모 형태로 된 것을 방추체라 한다.
 중심체는 단위막 구조가 아닌 미세소관 구조로 되어 있으며  미세소관은 단백질인 α-와 β-의 튜불린 이합체로 이루어진 중합체이다.
중심체 속에는 1개 또는 2개의 중심립이 있고, 무정형 물질로 주변을 싸고 있다. 중심립은 미세소관 3개씩으로 구성된 9개 다발이 속이 빈 원통 구조(9+0)를 이룬다.
그런데 고등 식물 세포에는 중심체가 없으므로 세포질에 있는 방추체 원형질(attractplssm)이 방추사를 형성한다.

나. 후형질(後形質, metaplasm)

 후형질은 세포의 구성 성분이기는 하지만 직접 생명 활동에는 관여하지 않는 것들이다. 후형질에는 세포벽, 액포, 각종 저장 물질 및 노폐물이 있다.

1) 세포벽(細胞壁, cell wall)

 식물 세포에서 볼 수 있으며 세포막의 겉에 있는 단단한 막이다. 세포벽의 주성분은 셀룰로오스(섬유소)이다. 세포벽은 매우 단단해서 식물체를 단단하게 유지한다. 나무의 목재 부분은 원형질이 죽고 두터운 세포벽만 남은 것이다.
 펙틴에 셀룰로오스(섬유소)가 결합하여 1차 세포벽을 형성하고 리그닌 등의 물질이 결합하여 2차 세포벽을 형성한다.

2) 액포(液胞, vacuole)

  어린 세포에서는 액포를 거의 볼 수 없으나, 세포가 커지게 되면 세포질의 곳곳에서 액포가 생기고 오래된 세포에는 세포 내부를 거의 차지한다.  액포는 세포의 생성물이나 노폐물, 색소 등을 저장하는 역할을 하며, 세포 내의 소화에도 작용하고 있다. 액포는 단위막으로 싸여 있다(단일막).

5. 세포 종류

가. 체세포와 생식세포 

1) 체세포(體細胞, somatic cell)

 생물의 몸에서 생식 세포 제외한 모든 세포를 체세포라 한다.
척추동물에는 피부와 근육, 혈액, 신경 조직 등을 이루는 200종류 이상의 체세포가 있고, 어떤 작용을 할 세포냐에 따라 그 형태나 기능은 각각 다르다. 발생 과정에서 그 세포의 작용에 따라 세포의 형태나 기능이 특별하게 변화되었는데 이를 분화라 한다.
 수정란이라는 한 개의 세포가 발생 중에 분열하여 여러 종류의 세포로 분화되는데 각 세포들의 역할에 따라 세포의 작용과 모양이 특별하게 변화되기 때문이다. 세포의 종류가 달라도 모두 동일한 유전자를 가지고 있으며 세포의 종류에 따라 형태와 작용이 다른 것은 모든 세포가 핵에 있는 유전 정보를 전부 사용하는 것이 아니라 각 종류의 세포마다 특별한 부분을 사용하기 때문이다.
 고등 동물의 체세포는 수정란과 같이 몸의 모든 세포를 만드는 능력(전능성)을 가지지 않는다고 생각해 왔으나 1996년 돌리(복제 양, 클론)가 탄생됨으로써 분화한 세포도 전능성이 있다는 것이 알려졌다.

2) 생식세포(Germ cells) 

 다세포 생물에서 생식을 위해 특별히 만들어진 세포로 수컷이 만드는 생식 세포는 정세포 또는 정자라 하며, 암컷이 만드는 생식 세포는 난세포 또는 난자라고 한다. 난자와 정자는 각각 어버이의 체세포에 있는 염색체의 절반만 가지고 있다.
난자와 정자가 융합한 수정란은 어버이와 같은 수의 염색체를 가지고 이것이 분열하여 분화됨으로써 새로운 개체가 된다.

6. 분열하는 세포를 가지는 조직과 분열하지 않는 세포로 된 조직

 사람의 몸을 구성하는 여러 종류의 세포는 계속 세포 분열을 하는 것이 아니고, 대부분의 세포는 세포 구조(모양)가 특별하게 분화되어 자기 맡은 작용을 하며 세포 분열을 할 수 없다.
 표피 세포와 같이 작용 중 소모되어 없어지는 세포는 계속 세포를 분열하여 보충해 주어야 한다. 그런데 표피 세포는 특수하게 분화된 세포이므로 세포 분열을 할 수 없다. 그래서 배 발생 중에 표피 세포로 분화하고 일부는 줄기세포(표피층 중에서 아래 부분인 기저세포)로 남아 있어서 표피세포가 필요할 때 다시 분열하고 이 세포가 분화되어 표피세포로 된다. 이렇게 줄기 세포에서 다시 생성되거나 자신이 분열할 수 있는 세포로 된 조직은 재생될 수 있다.
 그런데 신경세포와 같이 배 발생 중에 한번 생성된 세포는 영구히 분열하지 않는다. 신경세포(뉴런)는 형태적으로 너무나 특수하게 분화되어 존재하므로 다시 분열하여 그 자리에 위치할 수 없으며, 신경 세포가 죽고 난 다음에 만든다면 없어진 동안 작동할 수 없어 심각한 문제가 발생할 수 있다. 그래서 특별히 오랫동안 사용할 수 있도록 만들어지고 환경의 해를 입지 않도록 체내 깊은 곳에 존재하는 등의 방식으로 영구히 유지시키고 있다. 이와 같이 줄기세포도 없고 분열하지 않는 세포로 이루어진 조직, 즉 한번 생성된 세포가 영구히 사용되는 조직을 재생되지 않는 조직이라 한다.

가. 분열하는 세포를 가진 조직 

  표피, 털, 소화관 내면의 점막상피, 혈액 세포 등은 수명이 짧아 줄기세포가 세포 분열하여 계속 세포를 공급한다.
내장을 구성하는 세포와 혈관 내피세포 등은 줄기세포가 약간만 증식하지만 상처가 나면 왕성하게 분열한다.
 보통 간에서는 분열하는 세포는 거의 없다.
그런데 수술 등으로 부분적으로 절제되면 남겨진 세포가 분화하기 전의 상태로 되돌아가는 탈분화가 일어나므로 세포 분열로 많은 세포를 만들 수 있다. 간이 원래의 크기로 되면 세포 분열을 멈춘다.

나. 분열하지 않는 세포로 된 조직 

 분열하지 않는 세포로 된 조직은 세포 분열 기능이 있는 줄기세포가 없어 더 이상 증식하지 않는 조직이다.
분열하지 않는 세포로 된 조직에는 신경계를 구성하는 신경 세포, 심장을 만드는 심근 세포, 눈의 렌즈를 만드는 세포, 망막 세포, 귀의 감각모 세포 등이 있다.
 뇌에는 수백억 개의 뉴런(신경 세포)이 있고, 날마다 수만 개가 파괴되지만 신경계에는 줄기세포가 없어 세포는 증식하지 않기 때문에 나이가 들면 뉴런(신경 세포) 수는 줄어든다.
 이와 같이 분열하지 않는 세포로 된 기관은 세포 자체가 특별히 분화되어 있을 뿐만 아니라 기관으로서도 고도로 조직화되어 있다. 만일 세포나 조직이 조금이라도 변하면 조직의 기능을 유지할 수 없다. 그래서 이들 세포는 발생 과정에서 만들어져 일생 동안 유지된다.
 분열하지 않는 세포에서도 신진대사 활동이 일어나므로 세포 내의 단백질 등의 교환은 일어나고 있다. 그런데 눈의 렌즈를 만드는 세포에서는 성분의 교환도 없이 일생 동안 변하지 않는다.

다. 줄기세포(stem cell, 간세포)

 세포 분열로 증식하여 분화된 세포를 공급하는 세포를 줄기 세포라 한다.
 줄기세포를 크게 구분하면 난세포의 핵을 제거하고 환자의 세포핵을 주입하여 발생시켜 만들어진 배아줄기세포(ES)와 각 기관의 조직에 일부 남아 있는 성체줄기세포가 있다.
 성체줄기세포는 조혈모세포 등과 같이 성체의 각 기관에 남아 있다.  
혈액과 피부 세포는 수명이 짧아 줄기세포에서 계속 만들어져 보충되어야 한다. 적혈구, 백혈구, 림프구는 골수에 있는 조혈모세포(혈액 줄기세포)가 만들고, 피부는 표피층, 진피층, 피하조직(지방층)으로 구성되는데 표피 세포는 표피층의 하층에 해당하는 기저 세포라고 하는 줄기세포가 만들고 있다.
 분열한 줄기세포의 일부는 분화하여 혈액 세포나 표피 세포가 되지만 일부는 남아서 일생 동안 줄기세포(성체줄기세포)로 계속 분열한다.
 한번 생성된 뉴런(신경세포)은 다시 분열하지 않는다지만, 성인의 일부 뇌세포에는 줄기세포가 있다는 것이 알려졌다.
 아기의 탯줄(제대)에는 아기의 혈액이 들어 있는데 이를 제대혈이라 한다. 이 제대혈 속에는 혈액 줄기세포뿐만 아니라 다른 성체줄기세포도 들어있다는 것이 밝혀졌다. 이를 이용하려는 연구가 진행되고 있으며, 산부인과 병원에서는 이 제대혈을 나중에 아기가 성장했을 때 사용할 수 있도록 보관해주는 사업을 하고 있다.
 배아줄기세포(ES)는 몸을 구성하는 200종 이상의 모든 세포로 분화될 수 있다.
 사람의 배아줄기세포(ES)는 사람의 새 생명을 이용하기 때문에 윤리적 문제가 따르지만, 여러 종류의 줄기세포를 얻을 수 있고 환자에게 거부반응이 일어나지 않는 장점이 있다.
 일반 체세포를 줄기세포로 전환시키는 기술이 개발되었다. 이렇게 개발된 줄기세포를 유도 줄기 세포라 한다.
 일반 체세포의 염색사와 줄기세포의 염색사의 차이점을 보면 줄기세포에서는 활성화되어 있는 염색사 부분이 체세포의 염색사 부분에서는 불 활성화되어 있다는 것이다. DNA를 불 활성화시키는 것은 단백질이다.
그러므로 체세포를 줄기세포로 전환하기 위해서는 체세포에서 DNA 부분을 불활성화 시키고 있는 단백질을 화학물질로 분해시켜 활성화시키는 것이다. 그 결과 체세포가 줄기세포와 같이 분열이 일어나고 어떤 경우에는 만능 줄기세포로 전환되는 것이다.

7. 세포의 크기 

  세포 크기는 일정한 크기 이상은 별로 없다. 타조알이 크다고 하지만 알 속에 있는 난세포(알세포)는 작고 난황에 얹혀 있으며 알세포가 수정되면 이용되는 난황이 많이 들어 있기 때문에 큰 것이다.
 세포 크기가  정해지는 이유는 다음과 같다.
 세포가 크기가 커지면 커질수록 부피의 증가는 표면 증가 비율에 비해 빠르게 증가한다. 즉 표피 증가율은 부피 증가율에 못 미친다. 그래서 같은 부피에 대한 표면(세포막)의 비율이 작아진다.
 세포막(원형질막)은 세포 속에 필요한 물질의 능동적 교환 기능을 수행한다. 즉 물질 출입의 문의 역할을 한다.
 세포 크기가 증가할수록 세포질과 핵이 필요로 하는 물질이 많아지므로 세포막이 이 많아진 물질의 통과를 다 수용할 수 없다. 그래서 세포막이 감당할 수 없는 크기로 세포가 커지면 세포는 둘로 분열하여 부피에 대한 세포막의 비율을 높인다. 그리고 세포가 크기가 커지면 핵이 관리해야 할 영역이 너무 많아 효율적으로 관리할 수 없다.
즉 세포 크기가 너무 작아도 비효율적이지만 너무 커도 비효율적인 것이다.
 크기가 완전히 일치하지 않는 것은 각종 세포가 수행하는 작용이 다르며 수행하는 작용에 따라 적정 크기가 다르기 때문이다.  

세포와 세포소기관.hwp

세포와 세포소기관.hwp

0.03MB