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1. Cell Theory
ㆍ세포설의 기원 : 오켄(L. Oken) - "모든 생물체는 소낭 또는 세포에서 유래되고 또 그것들로 구성되어 있다."
ㆍ세포설의 공식화 : 슐라이덴(M. J .Schleiden ; 식물학자)과 슈반(T. Schwann ; 동물학자)
- 모든 생물체는 세포로 구성
ㆍ세포설의 완성 : 피르호(R. Virchow) - '모든 세포들은 세포들로부터'
2. WHAT IS A CELL ?
(1) 세포의 크기 - 세포는 왜 작을까?
ㆍ진화 : 세포의 크기를 작게 유지하면서 크기의 증가를 조절하기 위해서 세포의 수를 증가시키는 경향이 있다.
ㆍ표면-부피 가설(surface volume hypothesis)
- 성장할 수 있는 세포의 크기 : 원형질막의 능력에 따라 세포내 세포질 에 공급되는 대사물질의 수효에 의해 결정
- 세포의 크기가 두 배가 된다 할지라도 표면-부피의 비 변화는 비례하지 않음.
즉, 부피는 표면보다 빠르게 증가. 물질의 능동적 교환 기능을 수행하는 원형질막은 세포 표면을 덮고 있고, 세포함유물(세포질, 핵)은 세포의 부피를 채우고 있어 세포 크기가 증가할수록 원형질막은 세포질과 핵의 요구를 더 이상 충족할 수 없는 시점에 도달해 둘로 분열한다.
3. THE PROKARYOTIC CELL
ㆍ원핵생물(prokaryote) :
① 종속영양생물(heterotroph) - 다른 생물에 의해 유기합성 영양
ex)세균 물질을 필요로 한다.
② 독립영양생물(autotroph) - 유기분자를 형성하는 데 CO2나 H2O 와 기타 몇 가지 염 같이 단순한 무기화합물을 이용한다.
ㆍ세포벽 : 펩티도글리칸과 단백질로 구성
ㆍDNA : 뉴클레오이드(nucleoid)에 있고 닫힌 고리를 이룬 하나의 염색체(chromosome)라 할 수 있다.
ㆍ환형의 플라스미드(plasmid)에 결합해 소량으로 존재하는 경우도 있다.
ㆍ메소좀(mesosome) : 세포가 분열하는 동안 DNA 복제시 그 분리를 돕는 원형질막이 내부로 확장된 부분
ㆍ필루스(pilus ; 섬모) : 세포를 표면에 붙어 있도록 해준다.
ㆍ핵막이 없다.
4. THE EUKARYOTIC CELL
ㆍ핵(nucleus) : 2중막으로 둘러싸여 주변의 세포질과 유전물질의 분리상태를 유지
ㆍ세포벽 : 셀룰로오스나 키틴으로 구성
ㆍ DNA : 환형 보다는 선형 염색체에 배열, 단백질이 밀접하게 결합되어 있음(9장 참조)
생물계
계 예 성격
원핵생물
모네라 세균 단세포 혹은 종종 군체,적은 내부기관,
적은 단백질은 가진 환상 DNA,
종속영양생물,광독립영양생물(광합성자)
화학적독립영양생물 등을 포함
진핵생물
원생생물 원생동물,조류 단세포,다세포성,균체
종속영양생물과 광독립 영양생물
균류 곰팡이, 버섯, 다세포, 단순 관성체 형태,
흑수병균, 녹균 정교한 생식구조,
종속영양생물
식물 이끼류,양치류, 다세포, 잘 발달된 조직,
현화식물 기관 그리고 계,
광독립영양생물
동물 모든 무척추동물과 다세포, 잘 발달된 조직,
척추동물, 기관 그리고 기관계,
해면동물부터 메뚜기까지 종속영양생물
그리고 어류부터 인간
5. CELL STRUCTURE IN EUKARYOTES : THE ORGANELLES
1) 표면 구조
① 세포벽 : 셀룰로오스와 기타 다른 다당류로 구성
매우 강하지만 구멍이 있는 엷은 판 모양으로 세포를 덮어싸며, 리그닌과 펙틴이 주입되면 세포벽으로서 세포 형태를 유지해 주면서 매우 강한 탄성을 지닌다.
이웃하는 세포의 벽은 펙틴과 함께 굳어져 중엽(middle lamella) 층 형성
- 슈베린(suberin) : 줄기 세포의 외층으로 분비되어 보호 및 방수층 형성
- 큐틴 : 잎 상부 표면의 방수물질(식물에서의 방수 : 내부 수분 방출 저지역할)
② 원형질막 : 두 층의 인지질로 구성된 이중 지질막
인지질의 지방산 꼬리(fatty acid tail)는 서로 얽혀 있으며 극성 머리(polar head)는 밖으로 돌출되어 있음
- 세포 내부 것은 안에, 외부 것은 밖에 있도록 유지하며, 세포가 환경과 교환해야 하는 물질은 통과 시킴(선택적 투과성)
여러 종류의 단백질이 지질막에 흩어져 있어 물질 이동과 기타 기능에 필수적
(2) 내부적 지지 - 세포골격(cytoskeleton)
ㆍ세포골격 : 3가지 유형의 섬유질로 구성
(미세섬유 ; 직경 6nm, 중간섬유 ; 직경7∼11nm, 미세소관 ; 직경 22nm)
ㆍ기능 - 세포소기관 포용, 세포운동에 도움, 원형질막 고정, 화학작용이 일어날수 있는 표면 제공
① 액틴 미세섬유(actin microfilament)
다른 단백질과 결합하여 장 내벽 세포의 미세융털(microvillus) 내에서 지지 망상구조 형성, 더 깊은 표면 아래에서 좀 더 강한 지지를 제공하는 중간섬유와 결합, 보다 자유로운 세포질의 움직임에 대해 고정된 경계면 형성, 다른 단백질과 결합하여 세포운동에도 관여
- 아메바운동(amiboid movement) : 튜브모양의 확장된 부분인 위족(pseudopod) 안으로 더 유동적인 부분이 흘러들어가 움직임
- 동물 세포가 분열할때 나타나는 원형질막 수축에도 관여
- 근수축 : 액틴 미세섬유가 미오신 단백질과의 상호작용으로 움직임
② 중간섬유(intermediated filament)
신경세포, 뇌 및 척추세포, 근육섬유와 혈구 등 상피세포에서 나타남
케라틴 단백질로 구성 → 표층벽 세포를 강하게 함
③ 미세소관(microtuble)
2개의 공모양 폴리펩티드로 구성된 튜불린(tubulin) 분자(이합체 ; dimer)로 구성 되며 나선형의 배열로 결합, 지지역할 외에도 중심립(centriole), 기저체(basal body), 섬모(cilium), 편모 형성 → 운동과 세포 구성에 직ㆍ간접적으로 관여한다.
분열중인 세포에서 방추체의 형태로 약간은 염색체에 붙어서 2개의 딸세포 로 복제된 DNA를 분리하고 운반하는데 기여한다, 물질 이동에 관여, 세포 모양에 영향 → 미세소관이 화학적으로 파괴되면 세포가 둥글게 변형
(3) 통합 조절과 세포생식 - 핵
ㆍ브라운(R. Brown)에 의해 처음 사용, 모든 진핵세포에서 발견
ㆍ세포 DNA가 대부분 차지 (DNA는 기다란 선상의 분자로 결합되어 있으며, 단백질과 결합된 각 DNA 분자는 염색체라 함)
ㆍ핵막(nuclear envelope)이라는 이중막으로 둘러싸임. 핵공(nuclear pore)를 가지고 있음.
(4) 합성 및 저장 세포소기관과 세포질내 수송
① 소포체(endoplasmic reticulum ; ER)
ㆍ세포질의 많은 부분을 차지하며 단백질 합성에 관여
ㆍ 인지질 이중층(2중막)으로 구성
- 조면소포체(rough endoplasmic reticulum ; RER)
: 막의 바깥 면에 리보솜이 부착
리보솜이 소포체 바깥쪽에 붙어 두개의 막에 의해 채널이 형성
세포밖으로 분비될 단백질을 만들고 있는 세포에서 나타남
ex) 분해효소, 호르몬
- 리보솜(ribosome) : 폴리펩티드 합성부위
: 아미노산을 DNA의 화학적명령(유전정보)에 따라 폴리펩티드 조립
리보솜RNA(ribosomal RNA ; rRNA)와 여러 종류의 단백질로 구성
원핵생물의 리보솜 소단위체는 진핵생물의 소단위체보다 작고 화학적으로도 상이함.
ex)항생제 : 테트라사이클린, 스트렙토마이신은 세균의 리보솜 기능 을 파괴시켜
단백질 합성을 중단시키나 진핵세포(사람)의 리보솜에는 영향이 없다.
cf. 결합리보솜 : 소포체에서 아미노산을 조합시키는 동안만 일시적으로 고정
폴리리보솜(polyribosome) : 세포질 내에서 구슬모양 선으로 나타남
- 활면소포체(smooth endoplasmic reticulum ; SER)
: 수화물, 스테로이드, 지질, 기타 비단배질 산물 합성, 분비 및 저장 세포에 풍부
소장의 활면소포체 - 지질 분해 산물을 흡수하는 경로에서 중요한 역할을 함
간세포의 활면소포체 - 화학물질을 해독시키는 산화효소를 포함
글리코겐이 포도당으로 분해되는 단계 중 한 단계를 담당하는 효소포함
② 골지체(Golgi complex)
조면소포체에서 나온 소낭(vesicle)이 모여 기원된 골지시스터나 (식물체에서 딕티오좀(dictyosome)이라 불린다)를 포함
조면소포체로부터 오는 다양한 단백질을 단계적으로 변형시키는데 관여
③ 리소좀
ㆍ식물세포에서의 존재에 대해서는 이견이 있지만, 동물세포에서는 거의 모든 유형의 세포에서 발견
ㆍ조면소포체(RER)에서 합성되어 골지체에 의해 포장된 강력한 가수분해효소(약 40종)가 들어있음
ㆍ효소의 효과적작용을 위해 산성조건이 필요한데, 세포질로부터 자기내부로 양성자를 펌프해 들여옴으로써 산성조건을 만듬(세포가 터지더러도 세포질에 대한 손상이 방지됨)
ㆍ자기소화작용(autophagy) : 세포내의 손상되었거나 노화된 세포기관들이 분해 액포로 흡수되어 리소좀의 효소에 의해 가수분해
ㆍ타가소화작용(heterophagy) : 리소좀의 작용 후에 식세포인 백혈구가 남은 것을 분해함
고체로된 물질을 섭취해 분해 액포를 형성하고, 분해 액포와 융합하여 포획 된 물질을 자신의 효소를 사용해 분해
ㆍ저장병(storage disease) : 리소좀 효소가 바뀌거나 없어서 발생하는 유전병
ex) 테이-삭(Tay-Sachs)병 : 리소좀 효소(N-acetylhexosaminidase)의 결핍은 뇌세포 내에 갱글리오시드(ganglioside)라는 지질을 축적시켜 정신박약, 시력상실, 죽음까지도 유발
(5) 미소체
① 퍼옥시좀(peroxisome) : 미소체(microbody)라는 세포소기관의 한 부류
미토콘드리아나 엽록체 가까이에 위치해 있음
간과 신장세포에서 가장 흔함 - 활면소포체의 바깥쪽 시스터나로부터 기원 추측
퍼옥시좀의 주요 효소 → 카탈라제(catalase ; 과산화수소 분해효소)
: 과산화 수소를 물과 산소로 분해
2 H2O → 2 H2O + O2
과산화수소는 위험하고 반응성이 큰 산화제로 퍼옥시좀 효소의 역할은 세포 보호
② 글리옥시좀(glyoxysome) : 종자의 지질저장 부위에서 흔하게 나타나는 미소체
종자가 발아하는 동안 저장된 지질을 당으로 전화시켜 유식물이 광합성을 통해 양분을 합성하기 시작할 때까지 유식물의 유지를 돕는다.
③ 액포(vacuole) : 대사노폐물과 기타 독성 물질이 액포 안에서 결정을 형성하여 격리
(어떤 식물은 많은 양의 폐기 독성물질을 액포에 저장 → 초식돌물에 대한 방어장치)
지지작용
(6) 에너지 생성 세포소기관 - 엽록체(chloroplast), 미토콘드리아(mitochondria)
① 엽록체(chloroplast) : 복합체라고 불리는 구조체에서 합성된다
식물과 조류에서 발견 - 동ㆍ식물을 구별짓는 특징
이중막, 리보솜과 환상의 DNA 함유 → 스스로 복제 가능
(분열은 DNA 복제가 선행되며 항상 기존의 엽록체로부터 복제)
광합성 과정 수행 → 빛에너지로 CO2를 H2O와 포도당, 기타 분자들로 전환
ㆍ스트로마(stroma) : 엽록체의 이중막 안에 있는 투명하고 물로 찬 영역
ㆍ틸라코이드 : * 그라나 틸리코이드(grana thylakoid) - 주머니 형태의 소낭을 형성하여 층을 이루는 각각의 소낭
* 스트로마 틸라코이드(stroma thylakoid) - 그라나 사이에서 상호 연결하며 스트로마를 가로질러 노출되어 있음
* CF0 CF1복합체 : 틸라코이드 막을 따라 배열된 입자로 CF0부위는 전체 조합체를 틸라코이드 막에 고정시켜 내강 안쪽으로 채널 형성 (4개의 폴리펩티드로 구성)
② 기타 기타 색소체 : 색소체(plastid)의 종류는 세포 환경으로부터의 요건에 좌우 이중막 혹은 외피막에 의해 둘러싸여 있음 - 대부분의 세포소기관과의 특이한 차이점
ㆍ백색체(leucoplast) : 전분 저장 구조체로 대부분의 식물 세포에 존재
ㆍ유색체(chromoplast) : 오랜지색의 카로틴, 노란색의 크산토필, 붉은색의 여러 색소 포함
③ 미토콘드리아(mitochondria)
ㆍ이중막 구조, 환상 DNA와 리보솜을 가져 단백질 합성
ㆍ기존의 미토콘드리아에서 DNA복제와 세포소기관의 분열을 통해 생겨남
ㆍ내막 : 크리스타(cristae)로 알려진 주름으로 형성, 내막의 주름은 표면적을 크게하게 위 함이다.
ㆍ외부구획(outer compartment) : 두 막 사이의 공간 내막과 내부구획 사이에 F0 F1복합체 가 채널 형성 (F1소단위는 ATP 합성효소 포함)
※ 엽록체는 탄수호물과 산소를 생성하기 위해 에너지와 원료물질을 사용하는 반면, 미토콘드리아는 이용할 수 있는 에너지를 생산하기 위해 탄수화물과 산소 이용
cf. 연속적 세포내공생설(serial endosymbiosis
hypothesis)
자생설(autogenous hypothesis) ⇒ 미토콘드리아와 엽록체의 발생에 관한 가설
(7) 운동 담당 세포소기관
① 중심립과 기저체
ㆍ중심립(centriole) : 9개의 3중체 미세소관 그룹 하나의 원 안에 배열되어 형성
동물과 원생생물 세포에 존재(곰팡이나 대부분 식물에 없다)
섬모와 편모를 발달시키는 진핵생물에서만 나타남
ㆍ중심립의 기능 : 기저체(basal body)를 기원시키고, 이 기저체가 섬모와 편모를 생성
동물세포 분열시 형성되는 함몰부(furrow)의 위치 결정
(함몰부는 액틴 미세섬유의 수축에 의해 형성)
② 섬모와 편모 : 세포막이 각 섬모 혹은 편모를 덮기 위해 돌출되어 있음
구조적으로 동일하나 길이나 세포당 수, 운동 형태 등에서 차이를 보임
ㆍ섬모(cilium) : 짧고 수가 많으며, 노젓기 운동, 길이가 10∼20?m
ㆍ편모(flagellum) : 길고 수가 적으며 파동에 의해 움직임
③ 편모와 섬모의 미세구조와 운동
ㆍ 9개의 2중체 미세소관과 중앙에 2개의 단일 미세소관을 가지는 9+2구조
ㆍ디네인 팔(dynein arm) : 디네인 단백질로 구성되어 미세소관에서 돌출된 구조
ㆍ넥신(nexin) 단백질 : 2중체 미세소관 사이의 연결 구조 형성
ㆍ방사상 스포크(radial spoke) : 2중체 미세소관에서 중앙쪽으로 확장된것
ㆍ 악소임(axoneme) : 섬모와 편모의중심으로 미세소관, 디네인 팔, 부속 단백질
※ 섬모의 '디네인 걷기 운동'에 의한 움직임
1. 에너지원으로 ATP를 사용해 디네인 팔이 이웃한 미세소관 이중체에 붙어서 끌어 당김.
2. 미세소관이 악소님으로부터 분리
3. 이중체 미세소관 하나가 미끄러져 다음 이중체로 나아감
4. 이중체 사이의 넥신과 각각의 이중체를 중앙의 미세소관에 고정시키는 방사상 스포크에 의해 방해를 받음
5. 이러한 억제로 인해 디네인 팔로부터 발생된 힘은 섬모와 편모를 구부러지게 함
6. 길이 방향의 굴곡 작용이 교대로 반복되어 파동 효과를 일으킴
※ 원핵생물, 식물, 동물 세포의 주요 차이점
형태 원핵세포 식물세포 동물세포
세포막 원형질막 원형질막과 원형질막과
함께 막에 함께 막에
부착된 부착된
세포내소기관 세포내소기관
세포골격 없음 있음 있음
핵막 없음 있음 있음
염색체 단일, 다수,길쭉 다수,길쭉
환상 DNA 단백질과 결합 단백질과 결합
막에부착된 없음 있음 있음
세포소기관
리보솜 작음, 크고,ER에 크고,ER에
독립 약간 접착 약간 접착
세포벽 펩티도글리칸 섬유소 없음
또는 단백질
편모,섬모 고형, 회전 드물게 있음 미세소관
(존재할때) (9+2형식)
고형체를 빨아 없음 없음 있음
들이는 능력 넓게 움직일 수
있는 막
중심체 없음 없음 있음 ..
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