지금까지 알려진 바로는 '세포(Cell)'는 모든 생물의 기능적, 구조적 기본 단위이다. 세포 하나로 구성되어 있는 '단세포 생물'부터 여러 개의 세포로 구성되어 있는 '다세포 생물'까지 다양하다. 먼저 세포는 세포막으로 둘러싸여 있으며, '핵(Nucleus)'과 '세포질(Protoplasm)'로 구분된다. 핵 안에는 유전 정보를 가지고 있고 세포질에는 미토콘드리아, 엽록체, 소포체, 리보솜 같은 세포 소기관이 존재한다. 동물 세포와 식물 세포도 그 구조가 조금씩 다른데 동물 세포에 식물 세포에 없는 중심체, 리소좀, 편모가 존재하고 식물 세포에는 동물 세포에 없는 엽록체와 세포벽이 존재한다.
세포는 성장하면서 분열을 통해 개수를 늘려가는데 수명이 다하면 죽게 된다. 하지만 세포가 죽지 않고 계속 분열하여 이 좀비 세포가 되는 경우도 있는데 우리는 이 좀비 세포를 '암세포'라고 부른다. 즉, 암이라는 것은 세포가 사멸 주기를 무시하고 비정상적으로 증식하여 인체의 기능을 망가뜨리는 것이다.
0. 목차
- 핵(Nucleus)
- 리보솜(Ribosome)
- 소포체(Endoplasmic Reticulum)
- 골지체(Golgi Body)
- 리소좀(Lysosome)
- 액포(Vacuole)
- 미토콘드리아(Mitochondria)
- 엽록체(Chloroplast)
- 세포 골격(Cytoskeleton)
- 중심체(Centrosome)
- '편모(Flgella)'와 '섬모(Cilium)'
- 세포벽(Cell Wall)
- 세포막(Cell Membrane)
- 엑소좀(Exosome)
1. 핵(Nucleus)
'핵(Nucleus)' 안에는 유전 물질이 존재하므로, '핵(Nucleus)'은 세포의 구조와 기능을 결정하고 생명 활동의 중심이 되는 기관이다. DNA에 저장된 유전 정보에 의해 합성된 단백질이 세포 내 대부분의 생명 활동을 조절한다. 우리가 핵에서 알아야 할 것은 '핵막(Nuclear Membrane)'과 '염색질(Chromatin)' 그리고 '인(Phosphorus)' 정도일 것이다.
먼저 '핵'은 '핵막'으로 둘러싸여 있는데 핵막은 외막과 내막의 2중막 구조로 되어있다. 외막의 일부는 소포체와 연결되어 있고 내막에는 염색질을 고정시키는 단백질과 핵의 모양을 유지시켜주는 그물망 모양의 구조체인 ‘핵막층(Nuclear lamina)’라는 것을 가지고 있다. 그리고 핵막에 있는 핵공은 핵과 세포질 사이에서 물질의 이동 통로가 된다.
'염색질(Chromatin)'은 DNA가 히스톤 단백질을 감고 있는 ‘뉴클레오솜’을 기본단위로 하여 만들어진 DNA-단백질 복합체다. 염색질의 가장 중요한 기능 중 하나는 약 2m에 달하는 DNA를 응축시켜 핵 내에서 안정한 상태로 유지시키는 것이다. 그리고 염색질의 또 다른 기능은 DNA 상에서 일어나는 ‘전사’나 ‘복제’를 조절하는 것이다.
'인(Phosphorus)'은 핵 내부에 포함되어 있는 물질인데 단백질과 RNA가 많이 모여있다. ‘리보솜’을 구성하는 리보솜RNA(rRNA)가 합성되고 ‘리보솜’도 만들어지는 곳이다.
2. 리보솜(Ribosome)
'리보솜(Ribosome)'은 '리보솜RNA(rRNA)'와 단백질로 ‘소단위체’와 ‘대단위체’가 결합한 형태로 되어있다. 리보솜이 하는 일은 mRNA에 의해 전달받은 유전정보에 따라 단백질을 합성하는 것이다. mRNA란 핵 안에 있는 DNA의 유전정보를 세포질 안의 리보솜에 전달하는 RNA다. 리보솜은 막으로 쌓여있지는 않고 ‘거친면 소포체(조면소포체)’에 부착되어 있거나 세포질에 존재한다.
3. 소포체(Endoplasmic Reticulum)
'소포체(Endoplasmic Reticulum)'는 납작한 구조체와 관 모양의 구조체가 그물망처럼 연결된 형태의 구조물이다. 소포체의 일부분은 핵막과 연결되어 있고 물질을 수송하는 통로의 역할을 담당한다. 소포체는 '거친면 소포체(조면 소포체)'와 '매끈면 소포체(활면소포체)'로 나눌 수 있다. '거친면 소포체(조면소포체)'는 리보솜이 붙어있어 단백질을 합성하고 가공하고 분류한다. 반면 '매끈면 소포체(활면소포체)'에는 리보솜이 붙어있지 않는다. 대신 다양한 인지질이나 스테로이드 같은 ‘지질’을 합성할 수 있고 '칼슘 이온(Ca2⁺)'을 저장하는 능력을 가지고 있어 '칼슘 이온(Ca2⁺)'을 배출하거나 재흡수하는 방법으로 세포의 신호 전달을 담당한다. 소포체는 독성 물질을 해독하기도 한다.
4. 골지체(Golgi Body)
'골지체(Golgi Body)'는 납작한 주머니 모양의 막구조체인 ‘시스터나(Cisternae)’가 층층이 쌓여있는 형태의 구조물이다. 골지체에서는 소포체에서 온 단백질이나 지질을 가공하여 세포 밖으로 분비하거나 세포의 다른 부위로 이동시킨다. 올리고당과 결합시켜 단백질의 안정성을 높이는 ‘단백질 당화(glycosylation)’도 일어난다. 골지체는 소화샘 세포나 내분비샘처럼 분비 작용이 활발한 세포에 많이 발달되어 있다.
5. 리소좀(Lysosome)
'리소좀(Lysosome)'은 동물 세포에서 발견되는 세포 내 소화를 담당하는 작은 주머니 모양의 세포 소기관으로 골지체의 일부가 떨어져 나와 만들어졌다. 리소좀의 역할은 주머니 안에 들어있는 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산 등을 분해하는 각종 '가수분해효소(Hydrolase)'들로 세포 내부에 들어온 세균이나 이물질 혹은 손상된 세포 소기관과 노폐물을 분해하는 것이다.
6. 액포(Vacuole)
'액포(Vacuole)'는 반투과성의 '액포막(tonoplast)'으로 둘러 쌓여있여 있는 식물 세포의 세포 소기관이다. 보통 식물 세포의 부피 30% 이상을 차지하며 물을 흡수하여 세포의 수분량과 삼투압을 조절한다. 액포는 영양소나 노폐물을 저장하고 동물에게 있는 리소좀처럼 액포도 단백질, 핵산, 당 분해 효소들을 가지고 있다. 특정 세포의 특정 조건에서는 액포가 세포 부피의 90%까지 커지기도 하는데 액포 내에서 오는 압력으로 인해 팽창되면서 세포가 커지게 된다.
7. 미토콘드리아(Mitochondria)
'미토콘드리아(Mitochondria)'에서는 유기물를 분해하여 ‘ATP’의 형태의 화학 에너지로 전환시키는 '세포 호흡'이 일어난다. 외막과 내막의 2중막 구조로 되어있는데 내막은 주름 혹은 관 모양으로 된 '크리스타'를 형성한다. 내막 안에 있는 액체 상태의 기질에는 자체 DNA와 리보솜이 들어있어 스스로 복제와 와 증식이 가능하다. 에너지를 만드는 기능을 가지고 있으므로 간세포와 근육 세포처럼 에너지를 많이 필요한 세포에 많이 존재한다.
8. 엽록체(Chloroplast)
'엽록체(Chloroplast)'는 빛에너지로 포도당을 합성하는 '광합성이 일어나는 장소'로, 식물과 조류에서 관찰된다. 엽록체 내부는 그라나와 액상 부분인 스트로마로 구분되어 있는데 '그라나(Granum)'에서 일어나는 '명반응(Light Reaction)'과 '스트로마(Stroma)'에서 일어나는 '암반응(Dark Reaction)' 과정을 합쳐서 우리는 '광합성'이라고 부른다. '명반응'이 일어난 후 '암반응'이 일어나게 된다. 그라나는 '틸라코이드(Thylakoid)'라고 불리는 납작한 막이 쌓인 형태로 구성되어 있다. 스트로마에는 포도당 합성에 관여하는 다양한 효소가 들어있고 미토콘드리아처럼 자체 DNA와 리보솜이 들어있어 스스로 복제하고 증식도 할 수 있다.
9. 세포 골격(Cytoskeleton)
'세포 골격(Cytoskeleton)'은 단백질 섬유가 그물처럼 얽혀 세포 소기관과 거대분자의 위치를 정하고 세포의 형태를 결정한다. 세포 골격의 종류에는 굵은 것부터 순서대로 미세 소관, 중간 섬유, 미세 섬유가 있다.
10. 중심체(Centrosome)
'중심체(Centrosome)'는 중심립 2개가 직각으로 배열되어 있는 미세 소관인 방추사를 생성하는 세포 소기관이다. 중심립 또한 미세 소관으로 이루어져 있으며 세포 분열 시 방추사가 복제된 염색체를 끌어당겨 두 개의 딸세포로 나누는데 중요한 역할을 한다.
11. '편모(Flgella)'와 '섬모(Cilium)'
'편모(Flgella)'와 '선모(Cilium)'는 미세 소관으로 이루어진 세포의 운동기관이다. 편모와 섬모는 세포 몸체에서 뻗어 나와있어 세포가 수용액 환경에서 움직일 수 있도록 동력을 제공한다. 또 주변의 온도나 화학물질을 감지하는 감각기관이기도 하다. 편모는 길고 수가 적으며 함께 움직이지만 섬모는 짧고 그 수가 많으며 각각 달리 움직일 수 있다.
12. 세포벽(Cell Wall)
'세포벽(Cell Wall)'은 식물이나 원핵 세포인 세균과 진핵세포의 곰팡이, 고균 등에서 세포를 보호하고 형태를 유지하는 역할을 한다. 식물 세포의 경우 어린 세포에서는 '셀룰로스(Cellulose)'가 주성분으로 된 1차 세포벽이 먼저 생기고 세포가 더욱 성숙하면서 '리그닌(Lignin)'이나 '큐틴(Cutin)' 등으로 이루어진 단단한 2차 세포벽이 만들어진다. 다만 세포벽은 물뿐만 아니라 용질도 모두 통과해서 물질 출입은 통제할 수 없다.
13. 세포막(Cell Membrane)
'세포막(Cell Membrane)'은 세포질 바깥쪽을 둘러싸고 있는 인지질 2중층과 막단백질로 이루어진 유동성 막으로, 세포의 형태를 유지하고 세포를 보호하는 역할을 한다.
13-1. 물질 이동
세포 외부와의 물질 출입을 선택적으로 조절하고 외부 환경에서 오는 신호를 세포 안으로 전달하는 역할도 한다. 세포막은 미세한 구멍이 뚫려 있어 작은 용매나 용질은 투과할 수 있지만 큰 물질은 통과할 수 있는 반투과성 막의 특징을 가지고 있다. 막단백질은 다른 세포를 인식하기도 하고 수용체 단백질을 통해 특정 화학 물질을 인식하여 신호를 전달하기도 한다. 물질 수송에 관여하기도 하는데 환경과 조건에 따라 투과성이 달라진다. 예를 들면 산소나 이산화탄소 같은 작고 극성이 없는 물질은 인지질을 쉽게 통과하지만 포도당이나 아미노산 같은 큰 분자나 극성인 물질은 막단백질에 의해서만 이동할 수 있다. 세포막에서는 '확산'이나 '삼투'를 통해 물질 출입이 일어나기도 하고 특정 물질의 농도를 세포 안과 밖에서 다르게 하기 위해 에너지를 이용하는 '능동 수송'에 의해 일어나기도 한다.
13-2. 세포내 섭취, 세포외 배출
단백질과 같은 큰 물질은 에너지를 사용하여 아예 세포막으로 감싸서 소낭을 만들어 세포 안으로 끌어들이기도 하는데 이러한 방식을 '세포내 섭취'라고 부른다. 반대로 세포 안에 있는 분비 소낭을 세포막과 융합시켜 소낭 속의 물질을 배출시키기도 하는데 이를 '세포외 배출'이라고 부른다. 이런 방식으로 백혈구를 세균이나 감염된 세포를 제거하는 식균 작용이 일어날 수도 있고 효소나 호르몬, 노폐물 등을 세포 안에서 세포 밖으로 내보낼 수도 있는 것이다.
우리는 세포막의 이러한 성질을 이용해서 세포내에 원하는 물질을 삽입할 수도 있다. 인지질을 물에 분산시키면 공모양의 인지질 2중층 구조물인 리포솜을 만들 수 있는데 리포솜 내부에는 수용성 약물이나 영양소, DNA를 삽입할 수 있고 인지질 2중층 막 사이에는 지용성 약물, 영양소를 삽입할 수 있다. 리포솜이 동식물의 세포막과 유사한 성분으로 되어 있으므로 우리는 리포솜을 세포로 이동하는 캡슐로 활용할 수 있다. 리포솜에 '항체'나 '리간드(용체와 같은 큰 분자에 특이적으로 결합하는 물질을 나타내는 용어)' 같은 표적 세포를 인지하는 물질을 결합시키고 다당류로 코팅하여 면역계에 의한 파괴를 막을 수 있도록 만들면 항암제 같은 약물이 암세포 같은 특정 세포에만 선택적으로 작용하도록 만들 수도 있다.
14. 엑소좀(Exosome)
리포솜은 인공적으로 만든 나노 입자인 반면, '엑소좀(Exosome)'은 세포 내에서 자연적으로 만들어진 30~100nm 크기의 미니 소포다. 이 미니 소포들은 세포 밖으로 나가 세포 간 신호 전달자 역할을 한다. 엑소좀 안에는 단백질, 'mRNA(messengerRNA)', microRNA, tRNA, 이중나선 DNA 등 약 2만 개의 생체분자가 들어있는 것으로 추정되고 있다. 그런데 최근 연구 결과에 따르면 암세포의 성장에 필요한 아미노산이 부족해지면 암세포가 엑소좀을 불량 엑소좀인 'Rab11a-엑소좀'으로 변형시켜 성장과 전이, 치료 회피에 이용한다고 한다. 따라서 우리는 불량 엑소좀을 연구하면 암 치료에 대한 강력한 힌트를 얻을 수 있을지도 모른다.
# 원핵세포(Prokaryote)
원핵세포는 핵막이 없어서 DNA가 세포질에 그대로 있는 세포를 말한다. 원핵세포는 진핵세포와는 달리 핵, 미토콘드리아, 엽록체, 소포체, 골치체같은 세포소기관이 없다. 그리고 진핵세포와는 달리 원핵세포에서는 DNA도 대부분 선형보다 원형의 형태로 이루어져 있다.