생물학의 기본 - 세포학

1.  세포란 무엇인가?

세포는 생명체의 기본단위이다. 세포설은 생물학의 중요한 통합 원리이다. 첫째, 세포는 생명체의 기초 단위이다. 둘째, 모든 살아 있는 생물은 세포로 구성되어 있다. 마지막으로 모든 세포는 기존 세포로부터 나온다. 세포는 그 크기가 작으며 한 개인을 구성하는 세포의 개수는 약 1조개에 이른다. 세포의 크기가 이렇게 작은 이유는 세포는 물질 교환이 유리해야 하기 때문이다. 세포 크기는 표면적 대 부피 비에 의해 제한된다. 살아 있는 세포가 생장함에 따라, 세포의 화학적 활성과 그에 따른 노폐물의 생성 속도와 영양분의 요구의 증가는 그만큼 빨라진다. 그 외에도 세포를 구성하는 물질들은 한 장소에서 다른 장소로 이동해야 하기 때문에 표면적 대 부피의 비율이 더욱 중요하다. 세포를 구성하는 대표적인 기관으로는 세포막이 있다. 세포막은 세포의 바깥 경계를 형성하며 외부 환경과 내부 환경의 경계를 만든다. 세포막은 선택적 투과장벽으로 작용하면서 물질을 유입시키거나 막 통과를 방해하면서 물질의 출입을 조정한다. 또한 세포막은 외부 환경과 접해 있기 때문에 세포막은 인접한 세포들을 인식하고 소통하기 위해 주변의 신호를 받음으로써 세포 내 환경을 조절한다. 세포막의 외부에는 여러 종류의 단백질들이 박혀 있어 세포의 모양 형성에 기여한다.

 

2.  원핵세포와 진핵세포

세포는 진핵세포와 원핵세포로 나누어진다. 원핵세포는 일반적으로 막으로 둘러싸인 내부 소기관을 갖지 않는다. 특히 핵을 갖고 있지 않고 환형의 DNA인 핵양체라는 형태로 자신의 유전정보를 저장한다. 우리가 일반적으로 알고 있는 세포는 진핵세포에 해당한다. 진핵세포는 막으로 둘러싸인 세포소기관을 가지고 있으며 우리가 일반적으로 알고 있는 핵이라는 것을 갖고 있다. 진핵세포의 세포소기관으로 인한 구획화는 세포의 기능에 있어서 중요하다. 세포의 반응이 일어나는 장소를 구분 지어 화학반응을 더욱 용이하게 하거나 최적의 pH를 유지 할 수 있다.

3.  세포의 소기관

(1)  핵  

진핵세포의 대표적인 세포소기관으로는 핵이 있다. 핵은 일반적으로 유전정보를 갖고 있으며 중심원리(DNA에서 RNA를 통해 단백질로 번역되는 일련의 과정)에 따라 단백질이 번역된다. 핵은 DNA를 유전정보로 갖는다. 핵은 인지질 이중층으로 구성되어 있으며 핵공을 통해 물질의 출입을 조절하게 된다. 이온과 분자량 10,000돌턴 미만의 작은 분자들은 핵공을 통해 자유롭게 확산한다. 핵 안에 있는 부위인 인은 RNA와 단백질이 리보솜으로 조립되는 장소이다. 유전물질은 주로 염색질의 형태로 존재한다. 그러나 세포 분열 시기가 다가오면 염색질은 응축하여 염색체의 형태로 전환된다.

 

(2)  소포체와 골지체

다음은 소포체이다. 소포체는 거친면 소포체(조면소포체)와 매끈면 소포체(활면소포체)로 나누어 진다. 중심원리에 따라 DNA의 유전정보가 복사된 mRNA를 통해 세포질에서 리보솜을 통해 단백질 합성이 시작된다. 여기서 단백질은 어디로 보내지느냐에 따라 번역의 위치가 달라진다. 내막계로 보내지는 단백질은 조면소포체에서 단백질 번역이 완료되며 추가적으로 성숙과 위치를 표시하는 당화 과정을 거치게 된다. 매끈면 소포체는 물질의 대사와 관련한다. 세포가 섭취한 유독한 분자를 극성으로 만들어 물에 잘 녹게 해 배출을 용이하게 한다. 또한 글리코겐의 분해를 통해 포도당 신생합성에 관여하고 지방산을 신장하거나 스테로이드를 합성하기도 한다. 근육세포에서 활면소포체는 칼슘이온의 저장소이기도 하다. 거친면 소포체에서 합성된 단백질은 골지체를 거치면서 추가적인 성숙 과정을 거친다. 거친면 소포체에서 나온 단백질 함유 소낭을 받아들이고 단백질을 목적지로 보내기 전에 변형하고, 포장하고 분류한다. 또한 단백질에 탄수화물을 첨가하는 당화의 과정을 거친다. 골지체를 떠난 소낭은 세포막과 융합하여 세포 외부로 방출되거나 리소좀과 융합한다.

 

(3)  리소좀

리소좀은 골지체에서 기원한 세포 내 청소부 역할을 한다. 리소좀은 단일막에 둘러 싸여 있으며 낮은 pH를 갖고 있다. 리소좀의 가수분해 효소를 통해 단백질, 다당류, 핵산, 지질과 같은 거대분자가 개별 단량체로 가수 분해 된다. 심지어는 오래된 세포 소기관을 분해하여 세포가 필요한 에너지를 공급하기도 한다. 리소좀은 세포 구성요소를 파괴하는 자가소화작용을 한다. 만약 자가소화작용에 문제가 생길 경우 리소좀 저장 질병이 생기기도 한다. 대표적인 예로 리소좀의 헥소오스아미니다제(hexosaminidase)가 결핍하여 강글리오시드라 부르는 지질이 축적될 경우 이는 신경계에 축적되어 문제를 일으킨다. 특히 눈과 귀가 멀고 6개월 무렵부터는 음식물을 삼킬 수 없게 되면서 보통 4세 이전에 사망한다. 식물세포는 리소좀이 없는 것 처럼 보이지만 식물의 거대 액포가 이를 대신한다. 세포에는 에너지를 변환하는 세포소기관이 존재한다. 

 

(4) 미토콘드리아, 엽록체 , 퍼옥시좀

미토콘드리아는 우리가 섭취한 지방, 포도당을 여러 과정을 통해 생체 에너지 화폐인 ATP로 전환한다. 미토콘드리아는 내막의 전자전달계를 통해 포도당의 에너지를 수소이온의 농도기울기를 형성하여 전기화학적 위치 에너지로 전환한다. 형성된 전기화학적 위치 에너지를 통해 ATP를 합성할 수 있게 된다. 엽록체는 빛 에너지를 이용한 광인산화를 통해 수소이온 농도기울기를 형성하고 ATP를 합성하게 된다. 마지막으로 우리 세포 내부에는 퍼옥시좀이라는 세포 소기관이 존재한다. 미토콘드리아가 산소를 최종 전자 수용체로 사용하게 되면서 활성 산소가 발생한다. 활성 산소는 세포에 노화를 일으키고 단백질, DNA 변성에 있어서 치명적인 요소이다. 퍼옥시좀은 이러한 활성산소를 카탈라아제(Catalase)를 통해 제거하게 된다. 또한 퍼옥시좀은 미토콘드리아에서 산화 시킬 수 없는 지방산을 산화시키기도 한다. 만약 유전적으로 퍼옥시좀이 존재하지 않는 질병에 걸리게 된다면 유아기에 사망하는 젤웨거 증후군에 걸리게 된다.