7. 세포

7. 세포

 

  세포는 무엇일까? 세포를 설명하기에 앞서 세포설에 대해 간단하게 말하자면 세포설은 생물학의 중요한 통합 원리이다. 세포설의 3가지 구성요소는 첫 번째, 세포는 생명체의 기초 단위이다. 두 번째, 모두 살아 있는 생물은 세포로 구성된다. 세 번째, 모든 세포는 기존 세포로부터 나온다. 옛날에 나온 세포설에 한 가지 추가한다면 현재의 세포는 공통 조상으로부터 진화한다는 점이다. 세포는 물과 그 외에 작고 큰 분자들을 포함한다. 각각의 세포는 최소한 만 종류의 서로 다른 분자들을 가지며 대부분 많은 복제된 상태로 존대한다. 세포는 이 분자들을 이용해 물질과 에너지를 변환시키며 환경에 반응하고 스스로 증식한다. 세포 생물학 연구는 어떤 의미에서 생명체의 연구와 같다. 어떤 세균의 단일 세포 기능에 기초가 되는 원리는 우리 몸을 구성하는 약 60조의 세포를 지배하는 원리와 비슷하다. 생명은 연속적이며 우리 몸의 모든 세포는 단일 세포인 수정란으로부터 유래했다. 이 접합자는 부모의 정자와 난자라는 두 세포의 융합으로 만들어졌으며, 부모의 세포는 모두 그들 부모에서 전해져 왔으며, 이렇게 세대를 거슬러 올라가 최초의 세포에 도달하게 된다. 최초의 세포가 출현함으로써 지구상에서 생명체가 기원하였음을 알 수 있다. 지구 상에서는 많은 생물이 있고 쥐와 같이 작은 생물이 있고, 코끼리와 같은 큰 생물도 있지만 코끼리의 세포가 쥐의 세포보다 덩치만큼 크지 않다. 둘의 세포는 결국 눈으로 볼 수 없을 만큼 작다. 이렇게 세포의 작은 크기는 어떤 사물이 크기가 증가함에 따라 표면적 대 부피 비의 변화에서 발생하는 실질적인 요구에 따른 결과이다. 사물의 부피가 증가할 때 그 표면적도 증가하지만 동일한 비율로 증가하지 않는다. 이 현상은 생물학적으로 크게 중요하다. 살아 있는 세포가 생장함에 따라서 세포의 화학적 활성도 그리고 그에 따른 영양분의 요구와 노폐물의 생성 속도는 표면적보다 빠르게 증가하며 이 외에도 물질은 세포 내의 한 장소에서 다른 장소의 이동이 필요하기 때문에 세포가 작을수록 더 쉽게 행동할 수 있다. 즉, 세포는 충분히 큰 표면적 대 부피 비와 이상적인 내부 부피를 유지하기 위해 작아야 한다는 것이다. 수많은 작은 세포로 이루어진 큰 표면적 덕분에 다세포성 생물은 생존에 필요한 많은 기능을 수행할 수 있다.

 

  대부분의 세포는 너무 작아 맨눈으로 관찰할 수 없다. 현미경은 세포와 그 내부 구조를 볼 수 있게 해준다. 물체를 세밀하게 관찰을 가능하게 하는 특성을 해상도라고 부르며, 해상도는 서로 떨어진 두 사물을 구분하게 해주는 최소 거리이다. 사람 눈의 해상도는 약 0.2mm이지만, 세포는 그것보다 작기 때문에 사람의 눈으로 관찰이 힘든 것이다. 현미경은 그 내부 구조를 명확히 보여주기 위해서 사물을 확대하고 해상도를 높이는 역할을 한다. 현미경은 광학현미경, 전자현미경 두 가지의 기본적인 유형이 존재한다. 이들은 서로 다른 종류의 전자기파를 이용한다. 전자현미경은 해상도가 뛰어나지만, 세포를 진공에서 처리해야 한다는 점 때문에 살아있는 세포를 관찰하지는 못한다는 단점이 있다. 광학현미경은 살아있는 세포를 관찰할 수 있다. 세포의 상세 구조를 살펴보기 전에는 먼저 현미경의 여러 용도를 살펴봐야 한다. 병리학에서 여러 가지 현미경 분석법을 이용해 세포 분석과 병의 진단을 돕는데, 예를 들어 암으로 의심되는 조직 일부를 떼어내 분석하여 진단할 수 있다. 세포의 크기, 모양, 퍼진 정도를 알기 위해서 위상차 현미경으로 조직을 빠르게 조사한다. 핵의 모양 또는 세포분열 특징과 같은 특성들을 알기 위해서 조직을 염색하여 명시야 현미경을 관찰한다. 미토콘드리아 또는 염색질 같은 내부 구조들을 관찰하기 위해서 투과전자현미경으로 조직을 조사한다. 특정 암의 진단에 이용되는 단백질의 존재를 확인한다면 조직을 특수한 염료로 염색한 후, 현미경으로 관찰한다. 광학현미경을 통해 많은 종류의 세포와 세포 내부 구조까지 볼 수 있는데, 세포막을 자세 관찰하기 위해서는 전자현미경을 사용해야 한다. 세포막의 얇은 구조는 모든 세포의 세포질 바깥 경계를 만들고 모든 세포에서 거의 동일한 두께와 분자 구조를 가진다. 세포막은 선택적 투과장벽으로 작용하여 일부 물질은 내부로 들여보내고, 일부는 막 통과를 방해한다. 세포막을 통한 물질수송을 조절하여 세포 내부의 환경을 유지한다. 또한 외부 환경과 접해 있어 세포막은 인접 세포와 상호작용하며 주변 환경의 신호를 받는 역할을 한다. 종종 이웃한 세포와 결합하고 부착하게 도와주는 단백질이 세포막에 돌출되어 있어 세포막이 구조적으로 중요한 역할을 수행하고 세포 모양의 형성에 기여한다.

 

  생물학자들은 모든 살아있는 세포를 3개의 역(고균, 세균, 진핵생물)으로 분류한다. 고균과 세균에 속하는 생물을 합해서 우리는 원핵생물이라고 부르는데 이들은 원핵세포 체계를 공통으로 가지고 있기 때문이다. 원핵세포는 일반적으로 막으로 둘러싸인 내부 구획을 가지고 있지 않은데, 특히 핵이 없는 것이 특징이다. 아마도 최초의 세포는 체계 면에서 오늘날의 원핵생물과 비슷할 것이라고 추측된다. 진핵세포 체계는 원생생물, 식물, 균류 및 동물을 포함하는 진핵생물 역의 구성원에게서 나타난다. 원핵세포와는 대조적으로 진핵세포는 막으로 싸인 구획인 세포 소기관이 존재한다. 가장 두드러지는 세포 소기관은 대부분의 DNA가 위치하고 있고 유전자 발현이 시작되는 장소인 핵이다. 이렇게 원핵세포와 진핵세포의 가장 큰 차이의 핵의 유무이다. 세포가 그 내용물을 주변 환경으로부터 분리하는 구획인 것처럼 각 세포 소기관도 생화학반응과 이와 관련된 분자들을 세포의 나머지 부분으로부터 분리하는 구획을 제공한다. 이러한 분업 과정은 복잡한 생물의 진화에 중요한 조절과 효율에 대한 가능성을 제시하며 원핵세포에 비해 큰 진핵생물의 복잡성을 설명하기에 도움을 준다.

 

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