'세포(Cell)는 생물의 기본 단위로, 그 속에는 '핵(Nucleus)', '소포체(Endoplasmic Reticulum)', '미토콘드리아(Mitochondria)' 등 막으로 둘러싸인 '세포 소기관(Cell Organelle)'이 있다. 세포는 여러 가지 모양을 하고 있지만, 개체가 살아가기 위해 빼놓을 수 없는 '단백질 합성', '에너지 생산' 등 세포 소기관의 기본적인 작용은 모두 공통이다.
세포는 여러 가지 모양을 하고 있다. 그러나 모든 세포는 막으로 덮여 있으며, 내부에 유전 정보를 가지고 있다. 생물 중에는 하나의 세포만으로 개체를 만드는 '단세포 생물(Unicellular Organism)'과, 복수의 개체를 만드는 '다세포 생물(Multicellular Organism)'이 있다.
0. 목차
- 세포의 공통 구조
- 세포핵(Cell Nucleus)
- 소포체(Endoplasmic Reticulum)'
- 골지체(Golgi Body)
- 미토콘드리아(Mitochondria)
- 세포막(Cell Membrane)
- 식물 세포
1. 세포의 공통 구조
세포는 모양과 크기가 달라도 공통의 요소가 있다. 이러한 공통 요소를 더듬어 올라가면, 세포가 생물의 몸속에서 무슨 일을 하는지 알 수 있다. 특히 동물 세포를 중심으로, 다양한 세포에 공통되는 요소를 알아보자.
우선 모든 세포는 '세포막(Cell Membrane)'으로 둘러싸여 있다. 세포막으로 만들어진 주머니의 안에는 물 이외의 다양한 물질로 채워져 있다. 그중에서도 가장 중요한 것은 긴 사슬 모야의 분자인 'DNA(Deoxyribo Nucleic Acid)'이다. 세포막과 DNA는 모든 생물에 공통되는 요소이다. DNA는 세포에 필수적인 각종 단백질을 합성하기 위한 '설계도'에 해당한다. 인간과 같은 '진핵생물'의 세포는 DNA를 '핵막(Nuclear Envelope)'으로 둘러싸 소중히 보호하고 있다. '핵막'으로 둘러싸인 영역을 '세포핵(Cell Nucleus)'이라고 한다.
진핵생물의 세포에는 세포핵 외에도 다양한 부품이 있다. 세포핵을 덮듯이 층 모양의 구조로 되어있는 '소포체', 그 바깥쪽의 '골지체', 작은 주머니 모양의 '리소좀', 알갱이나 실처럼 보이는 '미토콘드리아' 등이다. 이러한 것들을 모두 '세포 소기관'이라고 부른다. 또 세포막으로 둘러싸인 부분 중, 세포핵을 제외한 영역을 '세포질'이라고 부른다. 세포 소기관도 세포질의 일부이다. 세포질 중 세포 소기관을 제외한 부분을 '세포질 기질(Cytoplasmic Matrix)'이라고 한다. '세포질 기질'에는 물 외에도 다양한 '단백질', '아미노산', '포도당', '각종 이온' 등의 물질이 포함되어 있다.
이러한 구조도 진핵생물에 공통된 것이다. 단, 식물 세포에는 '광합성(Photosynthesis)'을 하는 '엽록체(Chloroplast)'와 식물의 몸을 지탱하는 '세포벽(Cell Wall)' 등이 추가된다. 그리고 '세균(Bacteria)'이나 '고세균(Archaea)'에 속하는 세포는 DNA가 핵막으로 둘러싸여 있지 않은 '원핵 세포'이다. '원핵 세포'에는 세포 소기관도 존재하지 않는다.
- 세포막(Cell Membrane): 세포와 외부를 나누는 막을 '세포막'이라고 한다. 세포막을 비롯해 세포에서 발견되는 막 형태의 구조는 '지질'이라고 불리는 물질로 이루어져 있다. 세포막의 두께는 8nm 정도이다.
- DNA(Deoxyribo Nucleic Acid): 긴 사슬 모양의 분자로, 유전 정보를 담고 있다. DNA의 유전 정보를 바탕으로 세포는 단백질을 만들고, 그 단백질을 이용해 생명활동을 한다.
- 핵막(Nuclear Envelope): 진핵생물 세포에 존재하는 주머니 모양의 구조로, 그 안에 DNA 등이 들어 있다. '핵막'에는 있는 '핵막공(Nuclear Pore)'이라고 불리는 구멍은 다양한 물질의 출입구 역할을 한다. 핵막은 두께 8nm의 막이 2장 겹친 구조로 되어 있다.
- 세포핵(Cell Nucleus): 긴 사슬 모양의 분자인 DNA가 핵막 안에 들어 있다. DNA 외에도 RNA나 그 재료가 되는 분자 등도 포함되어 있다. 지름은 몇 μm 정도이다.
- 소포체(ER: Endoplasmic Reticulum): 세포핵을 둘러싸듯이 존재하는 층 모양의 구조이다. 소포체 표면에는 '리보솜'이 많이 존재하며, 이곳은 단백질을 많이 합성하는 현장이다. 소포체는 세포막 부근에서 발달하는 경우도 많다.
- 골지체(Golgi Complex): 소포체에서 합성된 단백질을 받아, 단백질에 붙은 '당사슬'을 올바른 구조로 만드는 작업과, 단백질이 운반되는 목적지에 따라 분류하는 작업을 한다.
- 리소좀(Lysosome): 작은 주머니 모양의 구조로, 세포 안의 불필요한 물질을 여기에 모아 분해한다.
- 미토콘드리아(Mitochondria): 알갱이나 실 모양으로 되어 있으며, 수효가 많다. 생명 활동에 필요한 에너지 분자를 합성한다.
2. 세포핵(Cell Nucleus)
2-1. DNA는 '히스톤'에 감겨있다.
생명 활동은 긴 사슬 모양의 DNA 분자에 기록된 유전 정보를 바탕으로 이루어진다. 인간의 경우, DNA 분자는 세포 하나에 46개가 있다. 이것을 모두 연결하면, 그 길이가 무려 2m에 이른다. 인간의 몸의 세포 수에 대해서는 여러 가지 설이 있는데, 성인 1명의 몸에는 약 37개의 세포가 있는 것으로 추정되고 있다. 때문에 어른 1명의 몸에 있는 DNA를 모두 연결하면 그 그 길이는 740억 km나 된다. 이것은 지구에서 태양까지의 거리인 약 1억 5000만 km의 500배에 이르는 엄청난 길이이다.
진핵 세포에서는 이렇게 가늘고 긴 DNA가 세포핵 속에 들어있다. 그런데 DNA는 서로 얽히는 일도 없으며, 또 세포 분열할 때 정확하게 복제된다니 정말 놀라운 일이다. 사실 DNA가 세포핵 속에 어떻게 들어가 있는지는 정확히 알지 못한다. 다만 분명한 것은 DNA가 '히스톤(Histone)'이라고 불리는 단백질에 감겨 있다는 점이다. DNA가 '히스톤(Histone)'을 약 두 바퀴 감으면, 그다음 히스톤을 두 바퀴 감고, 또 다음 히스톤으로 넘어가는 구조이다.
2-2. DNA의 구조
이번에는 DNA의 구조에 대해 살펴보자. DNA는 두 가닥의 사슬 모양의 분자가 '이중 나선 구조(Double Helix Structure)'로 되어 있다. 그리고 두 가닥의 사슬은 서로 '손(Hand)'을 뻗어 결합하고 있다. 이 '손'이 유전 정보의 실체이다. DNA의 '손'이 되는 구조는 4종 밖에 없다. '아데닌(A: Adenine)', '구아닌(G: Guanine)', '사이토신(C: Cytosine)', 티민(T: Thymine)'이다. '아데닌'은 '티민'과만 결합하고, '구아닌'은 '사이토신'하고만 결합한다.
DNA에는 '당(Sugar)', '인산(Phosphoric Acid)', '염기(Base)'의 세 가지 구성 요소로 되어 있다. 이 세 가지를 합쳐서 '뉴클레오티드(Nucleotide)'라고 부른다. '인산'과 '당'은 서로 결합되어 있으며, 그중에서 인산이 옆에 있는 뉴클레오티드의 당과 결합해 한 가닥의 긴 사슬 구조가 된다. 이러한 긴 사슬이 2개의 짝을 이루어 서로의 염기끼리 '수소 결합'한 것이 DNA의 '이중 나선 구조(Double Helix Structure)'이다.
2-3. DNA 정보를 복제하고, 정보를 세포핵 밖으로 가져간다.
DNA의 4종의 염기는, 예컨대 4종의 문자와 같은 것이다. 세포는 4종의 문자를 이용해서 필요한 단백질을 합성한다. 하지만 DNA에서 직접 단백질이 합성되는 것은 아니다. DNA는 생명의 설계도의 귀중한 원본이다. 따라서 세포에서는 DNA의 정보를 복제한 'mRNA(messenger RNA)'라는 분자를 세포핵 안에서 만들고, mRNA를 세포핵 밖으로 가져가 단백질을 합성하는 전략을 쓴다.
mRNA는 DNA와 비슷한 분자이다. 그러면 DNA라는 원본에서 어떻게 mRNA라는 복제본이 만들어지는 걸까? 먼저 'DNA 중 필요한 단백질의 정보를 가지고 있는 부분(유전자)'에 'RNA 폴리메라제(RNA Polymerase)'라는 단백질이 달라붙는다. 그러면 거기에는 DNA의 이중 나선 구조가 부분적으로 풀려 '염기'가 노출된다. 세포핵 안에는 DNA와 RNA의 재료가 되는 '뉴클레오티드(염기·당·인산의 세트)'가 무수히 떠다니고 있다.
DNA의 염기가 노출되면, 'RNA 폴리메라제(RNA Polymerase)'의 작용으로 DNA의 염기에 대응하는 염기를 가진 '염기·당·인산의 세트'가 결합한다. 'RNA 폴리메라제'가 조금씩 이동할 때마다 이에 대응하는 새로운 염기가 추가되어, DNA와 유사한 '염기·당·인산의 세트'가 연결된 사슬 모양의 분자가 만들어진다. 이것이 바로 mRNA이다. mRNA는 DNA의 염기에 대응해서 만들어졌기 때문에, 바로 DNA 정보의 일부를 복제한 셈이 된다. 그러나 mRNA의 경우, 아데닌과 결합하는 것은 '티민(Thymine)'이 아니라 '우라실(Uracil)'이라는 염기이다. 또 mRNA는 DNA와 같은 '이중 나선 구조'가 아닌 한 가닥의 사슬 모양의 분자이다. 완성된 mRNA는 '핵막공(핵막에 뚫린 구멍)'을 통과해 세포핵 바깥 공간으로 이동한 후, 단백질 합성에 사용된다.
3. 소포체(Endoplasmic Reticulum)
'단백질'은 '아미노산'이 많이 연결되어 생긴 분자이다. 단백질 합성에 이용되는 20종인데, 20종의 아미노산이 어떤 순서로 연결되는지에 따라 단백질의 종류가 정해진다. mRNA는 단백질의 설계도 복제품이며, 그 정보는 '염기(Base)'의 형태로 기록되어 있다. 즉, 단백질을 합성하려면 염기로 기록된 정보를 아미노산으로 '번역(Translation)'해야 한다. 그런데 염기의 '문자'는 4종뿐인데, 어떻게 20종의 아미노산이 만들어지는 걸까? 실은 mRNA의 염기 3개가 1세트가 되어, 이에 대응하는 1종의 아미노산을 지정한다. 염기 3개가 세트가 되면 경우의 수는 43가지이므로, 20종의 아미노산에 대응하기에 충분하다.
mRNA가 핵막공에서 나오면 '세포질 기질'에서 대기하고 있던 '리보솜(Ribosome)'이라는 '단백질 합성 장치'와 결합한다. 거기에는 'tRNA(transfer RNA)'라는 분자가 있는데, 이 분자가 특정 아미노산을 결합한 상태에서 온다. tRNA는 3개의 염기가 노출되어 있다. 따라서 tRNA의 염기가 mRNA의 염기와 결합할 수 있는 조합의 경우에만 둘이 결합한다. 이때, tRNA가 운반해 온 특정 아미노산이 리보솜 안에서 하나씩 붙어 염주처럼 이어진 아미노산 사슬이 만들어진다. 염주처럼 이어진 아미노산은 자발적으로 접혀, 입체 구조를 가진 단백질이 되는 성질이 있다. 이때, 아미노산의 연결 순서에 따라 아미노산이 접히는 모양이 다르다. 이렇게 아미노산이 접혀 특정 구조를 가진 단백질이 만들어지고, 단백질은 그 입체 구조에 따라 몸의 각 부분에서 생명 활동에 사용된다.
그런데 염주처럼 이어진 아미노산 중 첫 20개 전후가 특별한 의미를 갖는 경우가 있다. 첫 20개 전후가 '신호 펩티드(Signal Peptide)'라고 불리는 특정 순서대로 되었을 경우, 이것이 표지판 역할을 해서 '리보솜'과 '소포체'의 막에 있는 단백질이 결합하는 것이다. '소포체'는 세포핵 주위에 층 모양 구조로 퍼져 있는 세포 소기관이다.
3-1. '소포체 내부'에서 합성되는 단백질과 '세포질 기질'에서 합성되는 단백질
리보솜이 소포체에 결합하면, 염주처럼 이어진 아미노산은 소포체 내부로 들어가, 그 이후는 소포체 내부를 향해 아미노산이 뻗어나간다. 그리고 소포체 내부에서 아미노산 사슬이 접혀 단백질이 된다. 사실 '소포체 내부'에서 단백질이 합성되는 단백질과 '세포질 기질'에서 합성되는 단백질이 있다. 그러면 '소포체 내부'에서 합성되는 단백질 '세포질 기질'에서 합성되는 단백질은 어떻게 구분할까? 소포체 내부로 운반되는 것은 '다른 세포로 출하되는 단백질'과 '같은 세포 안의 소포체·골지체·리소좀 등에서 작용하는 단백질'이다. 실은 접힌 상태의 단백질이 세포막이나 세포 소기관의 막을 통과하기가 매우 어렵다. 그래서 막을 통과해야 하는 단백질을 미리 소포체 안에서 합성하고, 그 후에 막에 싸인 상태로 원하는 위치에 이동시키는 전략을 취하는 것이다.
4. 골지체(Golgi Body)
그러면 소포체 내부에 만들어진 단백질은 어디로 갈까? 단백질은 소포체 내부를 이동할 수 있다. 소포체는 층 모양의 구조가 여러 장 겹친 구조를 하고 있지만, 각각의 층은 독립된 것이 아니라 서로 연결되어 있다. 그리고 소포체 끝부분에는 소포체 일부가 떨어져 나가 '수송 소포(Transport Vesicle)'를 만든다. 그 안에 단백질을 넣어 '골지체'로 운반한다.
4-1. 당사슬의 수식
'골지체(Golgi Body)'도 막으로 둘러싸인 층 모양의 세포 소기관이다. 골지체에 도착한 '수송 소포'는 골지체의 막과 융합된다. 세포 안의 다양한 막은 서로 성분이 비슷하기 때문에 융합될 수 있다. '수송 소포'와 '골지체의 막'이 융합되면, 수송 소포 안에 있던 단백질은 골지체 안으로 방출된다. 골지체에서는 단백질의 마무리 작업이 진행된다. 단백질이 정상적으로 기능하기 위해서는 '당사슬(Sugar Chain)'이라고 불리는 분자가 올바른 순서로 붙어있어야 한다. '당사슬'을 붙이는 역할을 하는 것은 골지체의 안에 준비된 여러 종류의 효소이다.
골지체는 5~6층의 모양 구조로 되어 있으며, 소포체에 가까운 쪽에서 먼 쪽으로 각각의 층이 차례로 이동해 간다. 이에 따라 층 안에서 기능하는 효소의 종류도 변한다. 이렇게 효소의 종류가 순서대로 바뀜으로써, 당사슬이 올바르게 붙어 단백질이 완성된다.
4-2. 후기 골지망(Trans Golgi Network)
골지체는 세포 중심에서 가까운 순서대로 Cis Golgi, Medial Golgi, Trans Golgi라고 부른다. 특히 골지체의 가장 안쪽에 있는 Cis-Golgi는 'CGN(Cis Golgi Network)'라고 하여 CGN이라고 부르고, 골지체의 가장 바깥쪽에 있는 Trans Golgi는 '후기 골지망(TGN: Trans Golgi Network)'라고 한다. 그런데 과거에는 '후기 골지망'도 '골지체'의 일부로 간주했지만, 요즘에는 '골지체'와 '후기 골지망'을 다른 세포 소기관으로 보는 경우도 있다.
'후기 골지망(Trans Golgi Network)'에서는 단백질이 가지고 있는 표지판에 의지해, 단백질의 목적지에 따른 '분류 작업'이 이루어진다. 주된 목적지는 '세포막'과 '리소좀'이다. 그리고 목적지에 따라 분류된 단백질은 '후기 골지망'에서 소포에 실려 운반된다. '후기 골지망'에서 '세포막'으로 보내진 '수송 소포'는 '세포막'과 융합해 내부에 포함된 단백질이 세포 밖으로 방출된다. 각종 호르몬들과 소화 기관의 소화 효소 같은 분비물들은 이런 방법을 통해 세포 안에서 만들어지고 세포 밖으로 방출된다. 방출된 단백질은 혈관을 통해 몸의 각 부분으로 운반되어 호르몬으로서 작용하거나, 예컨대 침과 같은 분비물의 성분이 되기도 한다.
한편, 리소좀에서 기능하는 단백질은 '수송 소포'를 통해 운반되어 '리소좀'과 융합된다. '리소좀'은 세포에 불필요한 물질을 분해하는 세포 소기관이다.
5. 미토콘드리아(Mitochondria)
우리가 음식을 먹는 이유는 생명활동에 필요한 에너지를 얻기 위해서다. 그러면 식사를 통해 섭취한 에너지를 세포 수준에서는 어떻게 이용하고 있을까? 그것은 세포 소기관의 하나인 '미토콘드리아(Mitochondria)'와 관계되어 있다.
'미토콘드리아'는 '외막(Outer Membrane)'의 안쪽에 '내막(Inner Membrane)'을 가진 이중 구조이다. 외막과 내막 사이의 공간을 '막간 공간(Intermembrane Space)'이라고 하고, 내막으로 둘러싸인 공간을 '매트릭스(Matrix)'라고 부른다.
'내막(Inner Membrane)'에는 에너지 생산 장치라고 할 수 있는 'ATP 합성 효소(ATP Synthase)'가 무수히 흩어져 있다. 'ATP(아데노신 3인산)'는 세포 안의 '에너지 화폐'라고도 불리며 다양한 생명 활동에 필요한 물질이다. 근육을 움직이고 단백질 합성을 할 수 있는 이유도 ATP의 화학적 에너지가 있기 때문이다. 미토콘드리아는 ATP를 효율적으로 합성할 수 있는 장치이다.
5-1. 에너지 합성
우리가 음식을 먹으면 소화 효소 등에 의해 잘게 분해되어 소장에서 흡수된 후, 혈액의 흐름을 타고 포도당 등의 형태로 각 세포로 운반된다. '포도당'은 '세포질 기질(Cytoplasmic Matrix)'에서 '피루브산(Pyruvic Acid)'으로 변환되어 미토콘드리아의 '매트릭스(Matrix)'로 보내진다. 미토콘트리아의 매트릭스에서는 피루브산이 분해되어 이산화탄소와 수소 이온이 방출된다. 이 수소 이온은 내막에 들어 있는 단백질에 의해 '막간 공간(Intermembrane Space)'으로 보내진다. 그러면 막간 공간의 수소 이온의 농도가 상승해, 수소 이온 농도가 낮은 매트릭스로 되돌아가려고 한다. 이 경우 내막에 들어 있는 'ATP 합성 효소(ATP Synthase)'를 통과한다. 이때 'ATP 합성 효소'는 일부가 회전 운동을 할 수 있는 구조로 되어 있으며, 그 운동 에너지를 사용해 'ADP(아데노신 2인산)'에 인산이 더해져 ATP가 된다. 회전 운동에 의해 에너지를 변환하는 모습은 그야말로 발전기와 같다.
그리고 일련의 반응을 진행시키려면, 산소가 필요하다. ATP의 합성 과정에서 생긴 '이산화탄소'를 배출해야 한다. 우리가 호흡으로 산소를 흡수하고 이산화탄소를 배출하는 이유는 미토콘드리아를 통해 ATP를 합성하기 위해서다. 지금 우리가 마시는 산소도 미토콘드리아에서 ATP 합성에 사용될 것이다.
사실 포도당이 세포질 기질에서 '피루브산'으로 변환될 때에도 ATP가 조금 합성되지만, 효율이 매우 나쁘다. 미토콘드리아를 갖기 전의 진핵생물의 조상은 이 반응을 통해 필요한 ATP를 얻었다고 추정된다. 그 후, 미토콘드리아에서 대량의 ATP가 합성되었고, 진핵생물은 활발하게 활동할 수 있게 되었다고 생각된다. 또 미토콘드리아는 원래 독립된 생물(세균)이었으나, 언젠가 고세균에 흡수되어 하나의 세포의 부품으로 기능하게 되었다.
5-2. 활성 산소
미토콘드리아에서 에너지를 생산하는 과정에서 몸에 독이 되는 폐기물인 '활성 산소(Oxygen Free Radical)'가 만들어진다. 미토콘드리아의 상태에 따라서는 많은 활성 산소가 미토콘드리아의 밖으로 새어나간다. 하지만 '활성 산소'는 노화의 원인이 되며, 암의 원인이 된다는 설도 있다.
- 노화의 원인: '활성 산소'는 유전 정보를 담당하는 DNA나 단백질을 공격해 상처를 입힌다. 그로 인해 유전 정보가 바뀌면 세포의 기능이 상실된다. 단백질도 상처가 많이 생기면 본래의 기능을 잃게 된다. 이렇게 상처가 축적되면, 세포의 능력이 낮아져 노화의 원인이 된다.
- 암의 원인: 또 지나치게 나온 활성 산소에 의해, 핵에 있는 DNA가 상처를 입음으로써 세포가 암이 된다는 설도 있다. 2012년 6월, 당시 일본 쓰쿠바대학의 '하야지 준이치' 교수의 그룹은, 미토콘드리아로부터 활성 산소를 지나치게 내보내는 생쥐에서는 어떤 종류의 암과 당뇨병이 높은 빈도로 나타난다고 발표했다.
세포는 활성 산소로부터 몸을 지키기 위한 구조를 가지고 있다. '활성 산소 제거 물질'의 작용으로 활성 산소를 독성이 없는 물 분자로 바꾼다. 그러나 나이를 먹음에 따라 기능이 떨어진 미토콘드리아에서 활성 산소의 배출량이 늘어나고, '활성 산서 제거 물질'도 줄어듦으로써, 세포 안의 '활성 산소'의 양이 늘어난다. 그리고 노화가 진행된다.
5-3. 활성 산소 제거 물질
그런데 '코엔자임 Q10(Coenzyme Q10)'과 '알파 리포산(α Lipoic Acid)'이 '활성 산소 제거 물질'로 기능하는 것으로 알려져 있다. 원래 둘 다 미토콘드리아 안에서 에너지 생산에 관련되는 물질인데, 동시에 '활성 산소 제거 물질'이기도 하다. 이들은 나이를 먹음에 따라 세포 안에서 양이 감소하기 때문에, '보충제'로 사용하면 피로 회복을 돕거나 활성 산소를 줄여서 노화를 억제하는 것으로 추정된다. 그리고 '코엔자임 Q10'은 '심부전(심장 기능 상실)'의 치료약으로도 쓰인다. 단, 보충제로서의 효과에 대해서는 여러 가지 설이 있다. 예컨대 '코엔자임 Q10'을 결핍시켰을 경우, '선충(Nematode)'은 수명이 늘고 '파리'는 수명이 줄었다고 한다. 또 생쥐에게 매일 섭취시켰더니, 암이 증가해 수명이 단축되었다는 보고도 있다.
또 '활성 산소 제거 물질'로 'SOD(Super Oxide Dismutase)', '카탈라아제(Catalase)', '비타민 C' 등도 알려져 있다. 이들은 미토콘드리아 안에서 '활성 산소'를 제거함으로써, '활성 산소'가 새어나가는 것을 억제한다. 각각 작용하는 곳이 달라서, 모든 제거 물질이 반드시 필요한 것으로 생각된다. 즉, 실제의 화학 반응은 복잡하므로, 활성 산소를 직접 물로 변환하는 것은 아니다.
5-4. 칼로리 제한으로 수명이 늘어난다?
2009년 7월, 미국의 과학잡지 'Science'에 '칼로리 섭취량을 30% 제한한 원숭이는 노화의 증상이 억제되고 오래 산다.'는 연구가 발표되어 큰 주목을 받았다. '칼로리 제한'과 '장수'를 연결하는 열쇠는 '미토콘드리아'가 쥐고 있는 것으로 보인다. 미토콘드리아는 일반적으로 식사에서 비롯된 당을 이용해 에너지원인 ATP를 만든다. 그러나 칼로리를 제한하면, 장수 유전자 '시르투인(Sirtuin)'이 작용해, 미토콘드리아의 합성에 필요한 유전자들이 작용하기 시작해 새로운 미토콘드리아가 자꾸 만들어진다. 새로 생긴 미토콘드리아는 활발하게 ATP를 만들고, 활성 산소의 배출도 적은 고효율의 미토콘드리아가 된다. 즉, 칼로리 제한으로 장수 유전자 '시르투인'이 작용하면, 효율이 좋은 미토콘드리아가 작용해 노화가 잘 일어나지 않게 된다는 것이다. 칼로리 제한했을 때 세포에서는 다음과 같은 일이 일어난다.
- 칼로리를 제한하면, 당이 부족한 만큼 몸속의 지방 등을 써서 ATP를 생산한다. 그러면 생산 과정에서 'NAD(Nicotinamide ;Adenine Dinucleotide)'라는 물질이 생긴다.
- NAD가 생기면 장수 유전자인 '시르투인(Sirtuin)'이 작용하기 시작한다.
- 시르투인에서 단백질이 만들어지는 것을 계기로 미토콘드리아의 새로운 합성이 시작된다.
- 새로 만들어진 미토콘드리아는 활성 산소를 별로 배출하지 않고, 그러면서도 ATP를 많이 합성할 수 있는 고효율의 미토콘드리아가 된다.
- 고효율의 미토콘드리아 덕분에 활성 산소에 의한 해가 적어지고, 세포 안의 에너지도 풍부하기 때문에 세포의 기능이 유지된다. 그로 인해 수명이 늘어날 가능성이 있다.
하지만 '장수 유전자'를 작동하게 하는 것은, 칼로리 제한 만은 아닌 것 같다. 동물 실험에 따르면, 붉은 포도주 등에 포함된 '폴리페놀(Polyphenol)'의 일종인 '레스베라트롤(Resveratrol)'도 장수 유전자를 작동하게 해서 고효율의 미토콘드리아를 만들게 하는 것으로 보인다. 단, 수명은 늘어나지 않는다는 보고도 있다. 2011년에는 '레스베라트롤'을 비만인 남성에게 복용시키면 고혈압이 내려간다는 보고도 있었는데, 노화와의 관계가 더욱 주목된다.
하지만 '칼로리 제한'과 '수명 연장'의 관계는 단순하지 않은 것 같다. 2012년 8월, 영국의 과학 잡지 nature에 '칼로리를 제한해도 원숭이의 수명은 변하지 않는다.'는 연구 결과가 발표되었다. '칼로리 제한'과 '수명'의 관계에 대해 서로 다른 결과가 나온 것이다. 어쩌면 과식하는 경우에만 칼로리 제한의 효과가 있는 것일지도 모른다.
5-5. '미토콘드리아'는 '세포의 죽음'도 제어한다.
'미토콘드리아'는 '세포의 죽음'까지도 제어한다. 미토콘드리아는 기능을 하지 않는 불필요한 세포를 죽이는 지령을 내보내는 역할도 담당한다. 세포는 매일 '방사선'이나 '활성 산소' 등 다양한 공격에 노출된다. DNA에 생긴 작은 상처는 상처의 복구를 담당하는 단백질에 의해 체크되어 치유할 수 있다. 그러나 치유할 수 없을 정도로 큰 상처를 입거나 상처가 축적되는 경우도 있다. DNA에 복구되지 않을 정도의 큰 상처를 입은 세포를 그대로 두면 암세포가 될 가능성이 높아진다.
DNA가 복구 불능 상태가 되면, 그 세포에 있는 미토콘드리아는 자신의 표면에 구멍을 내고 '세포를 죽여라'는 지령인 '단백질 '시토크롬C(Cytochrome C)'을 방출한다. 그러면 세포를 잘게 자르는 '카스파제(Caspase)'라는 단백질이 활동을 시작해, 세포를 구성하는 모든 단백질을 뿔뿔이 잘라버린다. 거기에다 카스파아제의 작용을 받아, DNA를 분해하는 작용하기 시작해 DNA도 뿔뿔이 잘린다. DNA가 잘리면 세포의 죽음은 결정적이다. 그 후 세포는 변형되어 잘려서 죽고, 따로따로 흩어진 작은 주머니가 된다. 그다음 면역 세포 등에 먹히고, 부품은 몸속의 다른 구성 요소로 다시 용된다. 이처럼 미토콘드리아의 지령으로 세포를 죽임으로써, 암세포 등이 퍼져 개체가 죽는 일을 막는다. 이와 같은 세포의 죽음을 '아포토시스(Apoptosis)'라고 한다.
5-6. 미토콘드리아도 DNA를 복제한다.
미토콘드리아는 내부에 세포 본체의 DNA와는 다른, 고리 모양의 DNA인 'mtDNA(Mitochondrial DNA)'를 많이 가지고 있다. 미토콘드리아는 태고 시대에 단세포 생물이 받아들인, 산소를 소비하는 다른 단세포 생물의 흔적이라는 설이 유력하다. 미토콘드리아도 mtDNA를 복제하여 독자적으로 분열한다. mtDNA를 복제하는 것은 'DNA 중합 효소 감마(DNA Polymerase γ)'이다. 'DNA 중합 효소 감마'를 만들기 위한 정보는 세포 본체의 DNA에 표시되어 있다. 이것은 숙주에 원래부터 있었던 복제 장치를 '빌리는 것'이 아니라, 복제 장치 자체를 '맡긴 것'으로 생각된다.
mtDNA에는 두 가닥 사슬이 풀려 복제가 시작되는 점이 한 군데, 있다. 먼저, 풀린 쪽의 한 가닥 사슬이 둥글게 복제되어 있다. 그리고 복제가 12시 위치에서 시작되었다면, 8시 정도의 위치까지 진행되었을 때 다른 한쪽의 한 가닥 사슬의 복제가 시작되는 메커니즘으로 되어 있다.
6. 세포막(Cell Membrane)
'세포막(Cell Membrane)'이란 세포질 바깥쪽을 둘러싸고 있는 막으로, 세포의 형태를 유지하고 세포를 보호하는 역할을 한다. 세포와 세포 외부 사이의 물질 출입을 선택적으로 조절하고 세포 밖에서 오는 신호를 세포 내로 전달하기도 한다.
6-1. 인지질 2중층(Lipid Bilayer)
세포막은 주로 '인지질(Phospholipid)'과 '단백질(Protein)'로 이루어져 있는데, 특정 위치에 고정되어 있지 않고 '유동성 막'을 가지고 있다. 인산을 포함하는 부분은 '친수성(Hydrophilicity)'이고 2개의 지방산으로 이루어진 꼬리 부분은 '소수성(Hydrophobicity)'이므로, 친수성 머리가 양 바깥으로 배열된 형태의 '인지질 2중층(Lipid Bilayer)'을 형성하고 있다.
단백질 부분은 대부분 친수성과 소수성 부분을 함께 가지고 있어 인지질 2중층에 파묻혀 있거나 관통 혹은 표면에 붙어있다. 인지질은 막의 기본 구조를 결정하고, 막단백질은 다음과 같은 다양한 기능을 수행하게 된다. 탄수화물이 붙어있는 막단백질은 다른 세포에 인식에 관여한고 수송 단백질은 막을 통한 물질의 이동에 관여한다. '수용체 단백질(Receptor Protein)'은 세포 밖의 특정 화학물질을 인식하여 신호를 세포 안으로 전달하고, 막에 있는 '효소 단백질(Enzyme Protein)'은 세포의 물질대사에 관여한다.
6-2. 유동 모자이크 막
세포막의 유동성에 관한 실험이 하나 있다. 사람 세포와 생쥐 세포의 막단백질로 서로 다른 형광물질로 표지하고 세포를 융합하면 형광색은 골고루 섞이는데 이는 막단백질이 고정되어 있는 것이 아니라 이동한다는 것을 의미하는 것이다. 이처럼 세포막을 구성하는 인지질과 단백질이 유동성을 갖는 막의 모형을 '유동 모자이크막 모델'이라고 한다.
6-3. 선택적 투과성을 지닌 반투과성 막
세포막은 기본적으로 선택적 투과성을 지닌 '반투과성 막'의 특징을 가지고 있다. 반투과성 막은 미세한 구멍이 뚫려있는 막으로 막의 구멍보다 크기가 작은 용매나 용질은 통과하지만 크기가 큰 물질은 통과할 수 없는 막을 말한다. 다양한 막단백질이 물질 수송에 관여하기 때문에 세포의 종류나 환경 조건에 따라 막 투과성이 달라지게 된다. 예를 들면 산소와 이산화탄소처럼 크기가 작고 극성이 없는 물질은 인지질 2중층을 쉽게 통과하지만 포도당이나 아미노산은 인지질 2중층을 통과하기 어려워 막단백질에 의해 이동하게 된다.
7. 식물 세포
지금까지는 '진핵세포(Eukaryotic Cell)' 가운데 동물의 세포를 중심으로 알아보았다. 여기에서는 식물의 세포를 살펴보자. '식물 세포'도 '생명의 메커니즘'의 기본은 '동물 세포'와 같다. 세포핵에서 DNA의 정보를 복제하고, 그 정보를 바탕으로 리보솜이 단백질을 합성해, 단백질은 소포체에서 골지체를 경유해 필요한 곳으로 보내진다. 이 일련의 흐름은 진핵생물의 공통된 메커니즘이다. '식물 세포'가 '동물 세포'와 다른 것은 식물 세포에는 '엽록체(Chloroplast)', '세포벽(Cell Wall)', '액포(Vacuole)'가 있다는 점이다.
7-1. 엽록체(Chloroplast)
'엽록체(Chloroplast)'는 '광합성'을 하는 세포 소기관이다. 엽록체에서는 태양광 에너지를 이용해 이산화탄소와 물로부터 '당'을 생성하고 '산소'를 배출한다. 밀접한 이중막의 안쪽에는 '틸라코이드(Thylakoid)'라는 원반 모양으로 찌부러진 자루가 겹쳐 쌓인 구조인 '그라나(Granum)'가 있다. 틸라코이드의 표면이 빛을 받으면 빛을 에너지원으로 해서 이산화탄소와 물로부터 당과 산소가 합성된다.
식물이 초록색으로 보이는 이유는, 엽록체 내부에 있는 '틸라코이드' 원반 모양의 구조의 막에 파묻힌 단백질이 가지고 있는 '엽록소'라는 색소가 초록색이기 때문이다. '엽록소(Chlorophyll)'는 광합성의 에너지원이 되는 빛을 받아들이는 역할을 한다. 엽록소는 가시광선 가운데 푸른색이나 붉은색 빛은 잘 흡수하지만, 초록색 빛은 거의 흡수하지 못하고 산란하는 성질이 있다. 이 때문에 초록색 빛이 우리 눈에 이르러 식물이 초록색으로 보이는 것이다.
7-2. 세포벽(Cell Membrane)
식물 세포의 '세포막(Cell Membrane)' 바깥쪽에는 튼튼한 '세포벽(Cell Wall)'은 포도당이 이어진 '셀룰로오스(Cellulose)'라는 분자가 주성분이다. '세포벽'은 식물의 몸을 유지하는 역할을 한다.
7-3. 액포(Vacuole)
식물 세포에는 거대한 '액포(Vacuole)'를 가진 것도 많다. 액포는 경우에 따라서는 식물 세포의 부피 대부분을 차지하는 경우도 있다. 액포의 존재는 '스스로는 이동할 수 없다.'는 식물의 성질과 관계가 깊ㅍ다. 이동할 수 없는 식물은 더 유리한 생육 조건을 찾아, 몸을 빨리 성장시켜야 한다. 이를 위해서는 세포 자체가 큰 것이 유리하다. 실제로 식물 세포는 동물 세포에 비해 몇 배의 지름을 가진 경우가 많다.
액포 속의 주성분은 물이다. 그래서 액포가 있음으로써 그다지 노력을 기울이지 않아도 세포의 부피를 키울 수 있다. 액포는 식물의 생존 전략에 맞는 '세포 소기관'이다. 또 액포는 동물 세포의 리소좀과 마찬가지로, 세포 속의 불필요한 물질을 분해하는 기능을 가지고 있다. 물질을 분해하기 위해 산성으로 유지되며, 예컨대 레몬이 신맛을 내는 것은 액포가 원인이다.