세포생리 세포와 세포소기관의 구조와 기능

세포의 구조와 기능, 세포소기관의 구조와 기능

1. 세포의 구조와 기능

세포는 살아 있는 생명체를 구성하는, 구조적으로 기본이 되는 단위이며 생명현상, 즉 생장과 생식을 하는 특성을 지닙니다. 단세포생물의 경우 세포 하나로 구성된 독립된 생명체이고, 다세포생물의 경우 사람과 같은 고등동물에서는 고도로 분화된 세포를 볼 수 있습니다. 세포 내에서는 대사작용이 끊임없이 일어나며, 이 대사작용에 의하여 생명이 유지됩니다. 세포는 생명체의 항상성을 유지하며, 생활환경의 변화에 대한 각종 자극을 감수하면서 반응을 일으키고 활동에 대한 일련의 과정을 거치는 사이에 에너지를 소비합니다. 또한 유기체의 구성과 내외적 변화에 적응할 뿐만 아니라 여러 생물의 특성을 효율적으로 활용하면서 생명체를 유지합니다. 동식물의 모든 세포들은 종류와 관계없이 최외층으로부터 세포막, 세포질, 핵으로 구성됩니다. 세포는 17세기 중반에 Robert Hooke이 처음 발견하였습니다. 그는 얇게 자른 코르크를 현미경으로 관찰하였는데, 세포가 작은 상자 모양의 집합체라는 것을 처음 관찰하고 이 작은 상자에 'cell'이라는 이름을 붙였습니다. 그러나 사실 훅이 본 것은 세포벽이었고, 이 세포벽에 싸인 구조를 세포라고 불렀습니다. 훅에 의하여 생물체의 미세구조가 알려지기 시작한 후 1838년에 이르러서야 독일의 Matthias Schleiden에 의하여 식물체가 세포로 되어 있다는 사실이 명확해졌고, 1839년에는 독일의 동물학자 Theodor Schwann에 의하여 동물체도 세포로 이루어져 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 세포막은 세포가 생명을 유지하는 동안 영양물질과 이온과 같은 물질을 선택적으로 투과시키는 특성이 있습니다. 세포막은 두께가 매우 얇고 탄력성이 있으며, 인지질 이중층으로 되어 있습니다. 구성 성분은 단백질이 전체의 약 50%를 차지하고, 인지질이 25%, 나머지는 콜레스테롤·기타 지질·탄수화물 등인데 세포에 따라 단백질과 지질의 구성 비율이 다릅니다. 특히 지질층은 주로 인지질로 세포막의 구조적 안정에 크게 도움을 주며, 친수성 부위는 세포막의 양 바깥쪽으로 향하게 배열되어 있고 소수성 부위는 막의 중심부를 향하고 있습니다. 소수성을 띠는 것은 인지질의 지방산이며, 친수성을 띠는 것은 인산기입니다. 또한 세포막에는 미세한 구멍이 무수히 많고, 이 구멍을 통해 물질의 투과가 일어나는데, 투과성은 세포막을 통과하는 물질이 양이온인지 음이온인지에 따라 다릅니다. 세포막은 세포막을 통한 물질의 이동 시에 통과하는 물질의 종류에 따라 통과 여부를 결정합니다. 즉, 세포막이 세포의 활동에 필요한 모든 정보를 간직한 채 막을 통과하는 확산·삼투·여과·능동적 운반·음세포작용 등을 조절합니다. 세포막 내에는 여러 가지 에너지 운반계가 있어 생물체와 외부 환경 사이에 경계를 이루고 외부 환경의 변동에 대응하여 내부 환경을 일정하게 유지하는 항상성 유지 기능도 있습니다. 세포막에는 여러 가지 효소가 있어 화학반응을 촉진하는데, 예를 들면 나트륨이온/칼륨이온 펌프 작용으로 활성화는 ATP 분해효소가 있어서, 세포막을 사이에 두고 나트륨이온과 칼륨이온의 능동적 운반에 관여하며, 미토콘드리아 내부에는 시토크롬 효소가 있어 세포 내의 산화 과정에 관여합니다. 또한 세포막은 특정한 물질과 결합하는 수용기를 가지고 있습니다. 예를 들면 세포막에는 아세틸콜린, 노르에피네프린, 세로토닌 등 신경섬유의 말단 부위로부터 방출되는 신경전달물질과 결합하는 수용기가 있고, 혈액에 의해 운반되어 온 호르몬인 티록신 및 인슐린과 결합하는 수용기도 있는데, 이들 수용기가 특수 정보를 접하게 되면 칼슘이온이 세포 내로 많이 흘러 들어오게 되므로, 그 세포의 기능이 항진됩니다. 세포와 세포 사이에는 결합이 느슨하게 이루어져 있는데, 이때 세포막은 인접한 세포가 동일 개체의 세포라는 것을 인지하는 능력이 있어 세포 간 결합이 이루어집니다. 그러나 다른 종류의 세포가 접촉하게 되면 결합이 이루어지지 않는데, 기관 이식 시 거부반응이 일어나는 것이 그 예입니다. 이러한 인지 능력은 세포막의 바깥층에 있는 단백질에서 기인하는데 이 단백질은 세포 내에 있는 유전인자에 의해 생산됩니다.

2. 세포소기관의 구조와 기능

세포 내에는 미토콘드리아를 비롯하여 소포체·리보솜·골지체·리소좀·중심소체 등의 소기관들이 존재합니다. 각각의 세포소기관은 세포기질에 부유하고 있으며, 전체 세포의 기능과 생존에 기여하는 특수한 기능을 합니다. 미토콘드리아는 세포에 필요한 에너지를 ATP 형태로 만드는 화학 공정에 관여하며, 외막과 내막에 의해 둘러싸인 구형 또는 긴 막대 구조입니다. 내막 안에는 크리스테라는 주름이 있으며, 미토콘드리아의 내부 구획인 기질 쪽으로 뻗어 있습니다. 이 주름은 막의 표면적을 증가시켜 ATP를 생산하는 미토콘드리아의 능력을 높여 줍니다. 미토콘드리아의 내막으로 둘러싸인 기질에는 DNA, RNA, 리보솜이 들어 있어 스스로 증식할 수 있습니다. 소포체는 세포 내 망상구조라고도 하며, 리보솜에서 합성한 단백질을 세포 내 다른 곳으로 수송하거나 골지체를 통하여 세포 밖으로 분비합니다. 소포체 막에 리보솜이 부착되어 있는 것을 조면소포체, 리보솜이 없을 경우 활면소포체라고 합니다. 조면소포체는 리보솜에서 합성된 단백질을 다른 세포소기관으로 운반하거나 세포 밖으로 분비하며, 활면소포체는 지방과 스테로이드의 합성, 근육세포에서 칼슘의 저장 및 방출, 간세포의 경우 독성물질을 약화시키는 해독작용 등의 기능을 합니다. 조면소포체는 편평한 주머니 모양의 막성 네트워크로 넓게 퍼져 있으며 핵막에 연결되어 있고 리보솜 분자들이 세포질 쪽 표면에 붙어 있습니다. 활면소포체는 리보솜이 붙어 있지 않으며 많은 가지를 친 튜브 모양으로 구성되어 있습니다. 리보솜은 RNA와 단백질로 구성되어 있고, 핵 속에 있는 DNA로부터 만들어진 mRNA의 유전정보에 따라 아미노산을 이용하여 단백질 분자를 합성합니다. 세포 내 소포체에 붙어 있기도 하고, 자유롭게 떨어져 있는 것도 있습니다. 유리된 리보솜에서 합성된 단백질은 세포기질로 방출되며, 조면소포체에 붙어 있는 리보솜에서 형성된 단백질은 소포체 내강으로 이동되어 다른 세포소기관인 골지에 전달됩니다. 골지체는 소포체가 일부 떨어져 나온 것으로, 굴곡이 진 납작한 막 구조의 주머니 모양이 여러 겹으로 촘촘히 있는 구조이고, 막으로 둘러싸인 소포들이 많이 존재합니다. 골지체의 기능은 분비작용으로, 리보솜에서 합성된 분비 단백질이 골지체로 운반되고 이곳에서 농축되면 분비과립이 되어 세포 밖으로 분비됩니다. 골지체는 주로 막 구조로 되어 있기 때문에 인지질과 단백질 성분이 많고, 주로 동물의 침샘이나 젖샘세포 등 분비세포에서 많이 관찰됩니다. 세포 밖으로 분비되는 단백질이 들어 있는 분비소포는 신경세포의 말단에 많으며, 여기에서 간질액으로 화학물질을 방출하여 신경세포의 활성을 조절합니다. 리소좀은 동물세포의 세포질 중에서 볼 수 있는 과립 성분으로 많은 소화효소를 갖고 있으며, 적혈구세포를 제외하고는 모든 동물세포에서 볼 수 있는 미세 구조입니다. 리소좀의 기능은 다당류, 지질, 핵산, 단백질 등을 분해하는 여러 종류의 가수분해효소가 들어 있어서 세포 내 소화를 담당합니다. 또한 손상되거나 오래된 세포소기관을 분해하고, 병원체와 같은 이물질이 외부에서 세포 내로 들어올 때 포식소체가 형성되며, 리소좀이 이 포식소체와 융합하여 이물질을 제거합니다. 모든 진핵세포에서 관찰되는 퍼옥시좀은 단일막으로 싸인 주머니 구조로 전자를 제거하여 다른 분자들을 산화시키는 여러 종류의 효소를 가지고 있습니다. 퍼옥시좀 효소는 지방의 소화작용에 이용되는 담즙염을 형성하거나 긴사슬지방산으로 이루어진 지질을 분해하는 등의 생화학반응을 촉매 합니다. 중심소체는 세포분열에 관여하는 세포소기관으로 수축성이 있는 작은 반점 모양을 하고 있으며, 미세소관을 만들어 방추사를 형성하고 염색체를 적도판으로 이동시키는 중요한 기능을 합니다. 미세소관은 식물이나 동물의 세포에 있는 속이 빈 관 모양의 구조물이며, 세포 형태의 발달과 유지에 구조적 역할을 합니다. 세포소기관의 전위와 같은 세포의 운동 과정에 관련되어 있습니다. 또한 세포분열을 할 때 많은 미세소관이 방추체를 형성해 염색체를 분리·이동시키는 역할을 하고, 세포 내의 물질 운반에도 관여합니다. 미세섬유는 진핵세포의 세포질에서 볼 수 있는 4~7㎚ 굵기의 섬유 모양 구조이며, 미세사라고도 합니다. 세포의 수축성 운동에 관련이 있고 세포의 분비작용, 세포의 형태 변화, 물질의 이동에 관여합니다.