Chapter II. 세포 (Cell)

원자 ⇒ 분자 ⇒ 세포 ⇒ 조직 ⇒ 기관 ⇒ 기관계 ⇒ 다세포 생물 ⇒ 집단 ⇒ 군집 ⇒ 생태계 ⇒ 생물권

1. 생명체의 기본 단위 : 세포 1) 세포의 정의 - 생물체의 기본 단위 / 생명의 기본 단위 - 원형질막으로 둘러싸인 단위체 - 여러 화학 물질을 함유한 수용액 - 성장과 분열을 통해 스스로 복제 할 수 있는 능력을 가짐

년 영국의 후크에 의해 최초 발견 ( 콜크의 단면 ) - 세포설 (1838 년 독일의 슈라이덴과 슈완 ) : 모든 생물체는 세포로 이루어졌으며, 생명현상의 기능적인 단위가 된다. - 세포관찰 : 현미경의 발달 / 시료 준비 / 염색 기술 cf. 바이러스 : 스스로 번식능력이 없고, 세포의 번식기구를 이용하여 복제

2) 세포의 불변성과 다양성 (1) 세포의 모양과 기능 : 다양성 - 모양 : 공, 실, 구형, 부정형 등 ( 기능에 따라 다양 ) [ 길고 돌기가 많다 ( 신경세포 ), 둥근 부정형 ( 백혈구, 적혈구 ), 긴 꼬 리 ( 정자 )] - 크기 : um ~ m ( 매우다양, 평균 17 um) [ex. 박테리아 (um), 난세포 280 um, 신경세포 1m]

(2) 세포의 종류 ┌ 상피세포 ├ 근육세포 ( 골격근, 심근, 내장근 ) ├ 신경세포 └ 혈구세포 : 적혈구, 백혈구, 혈소판

- 인간 (human) : 세포 종류가 200 가지 이상 - 각각의 세포는 고유의 기능을 수행 기능을 수행하기에 적합한 구조 - 모두 동일한 유전 정보, 기능의 차이 - 모든 세포는 상호의존적으로 균형 잡힌 기능을 수행 (3) 세포내부의 구성 - 외부적 형태 : 매우 다양 ( 식물 / 동물 / 미생물 ) - 화학적 측면 : 동일한 분자기구 공유

(4) 세포의 형태와 기능 - 유전체 (genome 게놈 ) : 세포의 역할을 결정하는 유전적 설계도 모든 세포는 동일한 유전 정보를 가짐 발현 ( 정보이용 ) 에 따라 기능 차이 ￭ 정자 + 난자 ￫ 수정란 ￫ 배 발생 ￫ 여러 세포 ￫ 조직 ￫ 기관 ￫ 개체 ( 생명체 )

(5) 세포의 진화 - 동일한 조상에서 기원 세포의 조상 (35 억 년 전 ) : 공통 조상 ￫ 돌연변이과정을 통한 후손의 다양화 - 모세포에서 딸세포로 유전정보 전달 ( 모세포 = 딸세포 ) 돌연변이 : 생존과 번식에 유리 또는 분리

현미경의 발견 : 17 세기 현미경을 사용 -> Robert Hooke discovered cells in C: All living things are made of cells ( 세포설, cell theory) 세포세계에 대한 소계

광학현미경 ( light microscope ) 세포의 전체적인 구조와 모양을 관 찰할 수 있다 1. 세포의 구조와 기능 상이 보임 접안 ( 대안 ) 렌 즈 접안렌즈 대물렌즈 시료 집광렌즈 Light source 전자현미경 : 1950 년대 개발  빛 대신 전자 beam 을 사용 : 0.2nm 까지 구분가능 - 광학현미경보다 분해 능 (resolving power) 이 1000 배 정도 큼 - 세포내의 소 기관, DNA, 단백질 등 거대 분자 관찰

주사전자현미경 (Scanning electron microscope (SEM)) - 금속으로 도금된 세포 표면에 전자를 주사 -> 방출되는 전자 를 모아 영상으로 만듦 - 주로 세포의 외부형태 관찰 투과전자현미경 ( Transmission electron microscope (TEM)) - 주로 세포의 내부 구 조 관찰

생물학에서의 미터법 2 세포의 크기는 기능에 따라 다양하다 1m > > > mm um nm A : m = 0.1nm o meter

Cell 은 두 종류로 진화해왔다 :  원핵 (prokaryotic) 과 진핵 (eukaryotic) 원핵 세포 (Prokaryotic cells): - 핵이 없다. - 모든 세균 (bacteria) 은 원핵 세포이다 - Small: 2 – 8 uM, 진핵 세포의 1/10 크기 - 핵양체 (nucleoid region): 핵이 없고, 세포질 membrane-bound coiled DNA 를 함유한 형태 - 원핵세포의 막과 벽 - 원형질막 (plasmamembrane) 과 세포벽이 있다 - capsule( 점착성의 피막 ) 로 세포벽을 싸고있다. 3 원핵세포는 크기가 작고 구조가 단순하다

리보솜 Capsule 세포벽 원형질막 Prokaryotic flagella( 편모 ) Nucleoid region (DNA) 핵양체 선모 (Pili) 원핵세포

진핵 세포 (eukaryotic cell): 원핵 세포 외 다른 살아있는 모든 생명체 ( 동물, 식물, 원생생 물, 균류 등 ) - 진정한 핵 (true nucleus) 을 갖고 있다 = 핵막이 있다 원핵세포 보다 크고 복잡하다 원형질막내의 세포질 안에 다양한 막으로 된 구조가 존재  세포 소 기관 (organelle): 대부분 막으로 구성되어있으며, 세포질과 구별되어 각각의 고유한 기능을 담당 4 진핵세포는 기능에 따라 막으로 분할된다

원형질막 (plasma membrane): 환경으로부터 세포를 구분, 보호, 대사 작용 세포소기관 (Organelles) : 다양한 세포 소 기관은 원형질 체 안에서 막으로 둘러싸여 있 다. - 각각 세포 소 기관은 독특한 화학적 활동을 한다. – 세포 내 에서 분획을 형성, 세포대사에 필요한 독특한 화학 반응에 필요한 환경 유지 – 세포 소 기관의 막에 대부분 화학반응에 필요한 효소들이 포함되어있음. – 세포의 전체 막의 면적을 증가시킴

동물세포 워형질막 ( Plasma membrane) 골지체 Ribosomes Nucleus ( 핵 ) 활면소포체 조면소포체 Mitochondrion 대부분 식 물에 없는 구조 세포골격 (Cytoskeleton) 편모 Lysosome 중심체 Peroxisome 미세소관 중간섬유 미세섬유

핵 골지체 동물세포에 없는 구조 중심액포 엽록체 세포벽 미토콘드리아 Peroxisome 원형질막 조면소포체 리보솜 활면소포체 세포뼈대 미세소관 중간섬유 미세섬유 식물세포

내막계 (endomembrane system): 막성 세포내 소기관들 의 집합체 내막계를 형성하는 소기관들은 생체 중요분자의 합성, 저 장, 분비하는데 있어서 밀접히 연관되어있다. 예 ) 핵 - 조면소포체 - 활면소포체 가 서로 연결되어 있음 5 세포소기관은 내막계로 이루어져있다

핵 (nucleus): 유전정보가 보관, 전사되는 장소 가장 큰 세포 소 기관 세포 조절의 중심 센터 인 (nucleolus): 리보솜이 생성되는 핵 안의 장소 핵막 (nuclear envelope); 이중막, 물질통과를 위한 핵 공 (nuclear pore) 가 존재 6 핵은 세포의 유전자 조절 중심기관이다 내막계를 이루고 있는 소기관

인 핵공 NUCLEUS 이중핵막 조면 소포체 리보솜

조면소포체 ( 리보솜 결합 ) 의 2 가지 큰 기능 1) 다른 소 기관의 막을 형성 2) 분비단백질을 만드는 기능 : 항체, 싸이토카인 등 - 분비단백질 만드는 과정 a) 리보솜 에서 단백질 번역 b) 번역된 단백질의 조면소포체 (rough ER) 내로 유입 c) 당화 (Glycosylation)-> glycoprotein d) 수송소포 (transport vesicle) e) Golgi 체로 이동 및 가공 f) 수송소포를 통해 원형질막 밖으로 분비 7 조면소포체에서 막성분과 단백질을 만든다

활면소포체 (smooth ER) : 리보솜이 없다, 막에 있는 효소가 역할담당 - 주기능 1) 지방산, 인지질, 스테로이드, 등의 지질 (lipids) 을 합성 특히  정소, 난소 : 스테로이드성 성 호르몬 합성 2) 간세포 : 특정효소에 의해 화학약물의 분해 기능 3) 칼슘의 저장창고 : 신경세포로 부터 근육세포에 신경전달 되면 활면소포체로 부터 칼슘 방출, 근육수축운동 8 활면소포체는 기능이 다양하다

SMOOTH ER ROUGH ER Nuclear envelope Ribosomes SMOOTH ER ROUGH ER

골지체 (Golgi apparatus): 막으로 된 여러 주머니를 쌓아 놓은 형상. 각각의 골치체 주머니는 서로 연결되어있지 않다 a) 소포체로부터 합성된 단백질 분자를 받는다 b) 단백질은 보관 성숙시켜, 표지 후 분류하여 - 분비단백질 : 원형질 막 밖으로 수송 시켜 분비 (cytokine, hormone) - 막단백질 : 원형질 막에 포함시킴 ( 막 단백질 ) - 가수분해효소 : 리소좀 (lysosome) 을 형성 9 골지체에서 세포 생성물이 마무리되고 분류되 어 이동한다

골지체 Golgi apparat us 골지체 도착 장소 소포체로 부터 이동 한 수송소 포 새로운 소포 형성 골지체에서 수송소 포가 떨어져 나옴 Golgi apparatus 골지체 선 적장소

리소좀 : 그리스어 ‘ 분해체 ’ - 가수분해효소를 가지고 있는 막으로 된 주머니 - 형성과정 조면소포체 ( 가수분해효소 포함한 수송 소포 ) -> 골지체 -> 리소솜으로 방출 10 리소좀은 세포의 양분과 노폐물을 분해한다 리소좀 핵 * 리소좀의 기능들 –digest food –destroy bacteria –recycle damaged organelles –function in embryonic development in animals

Rough ER 수송소포 ( 가수분해 효소 포함 ) 골지체 Plasma membrane 리소좀 “Food” 입자를 세포 막으로 둘러 쌈 Food vacuole 분해 손상된 소기관을 리소좀내로 끌어들임 리소솜의 형성 과 기능

리소좀 축적증 (Lysosomal storage diseases): 유전병 Lysosome 내에 가수분해효소 결핍으로 분해되지 못한 산물 이 lysosome 에 축적, 비정상적으로 커져 다른 세포기능이 결 여되는 질병 Examples: a) 폼페병 (Pompe’s disease): 간세포에서 glycogen 분해효소결핍 glycogen 축적 b) 테이삭스병 (Tay-Sachs disease): 뇌세포에서 지방분해효소 결핍  신경세포파괴 -> 신경마비 11 비정상적인 리소좀은 치명적인 질환을 유발 한다

식물세포는 큰 중심 액포 를 함유 리소좀기능과 저장 기능 을 담당 12 액포는 세포의 기능을 유지하고 관리한다 Central vacuole Nucleus

원생생물은 수축 포 (contractile vacuoles) 를 함유함 - 기능 : 세포 내 물을 지속적으로 pumping out Nucleus Contractile vacuoles

13 엽록체는 태양에너지를 화학에너지로 바꾼 다 에너지전환에 관여하는 소기관 엽록체 스트로마 내. 외막 그라나 빛으로 부터 ATP 합성 막사이공산 (Intermembrane space) 포도당합성 엽록체는 식물과 몇몇 원생생물이 함유함 엽록체는 태양에너지를 흡수  당 분자의 화학에너지로 전환

미토콘드리아 : 동 - 식물 다 존재 - 세포호흡 (cellular respiration) 을 수행 - This process uses the chemical energy in food to make ATP for cellular work 14 미토콘드리아는 영양분으로 부터 화학에너 지를 얻는다

Figure 4.16 외막 MITOCHONDRION 막사이 공간 내막 Cristae Matrix ATP 합성

세포골격과 지지 미세소관 (microtuble) 미세섬유 (microfilament) 중간섬유 (intermediated filament)

조 직 상피조직 결합조직 근육조직 신경조직

기관과 기관계

. 모델 개체 : 모든 세포는 공통의 조상으로부터 기원하며, 진화적으로 보존 되어 왔기에 하나의 개체를 연구함으로써 얻어지는 지식은 가른 개체를 이해하는데 도움을 준다. 1) 대장균 - 작은 막대형 진정세균 ( 원핵생물 ) - 분자생물학의 관심의 초점 / 번식속도가 빠르고 단순하다 - 사람이나 척추동물의 장에 서식 / 영양배지가 든 배양용기에서 배양가능 - 유전정보 : 두 가닥으로 된 원형 DNA/460 만 쌍의 뉴클레오타이 드 /4300 종의 단백질 합성가능 (cf. 인간 : 3,000 Mbp M : 10 6 ) - 분자 수준의 생명의 기본적인 기작 연구에 기여 (DNA 복제 )

2) 효모 - 가장 단순한 형태의 진핵생물 / 맥주나 빵의 원료 - 작은 단세포 곰팡이 / 식물, 동물과 가까운 유연관계 - 단단한 세포벽 / 운동성이 없음 / 엽록체 없음 / 미토콘드리아 있 음 - 매우 빠른 증식 / 대장균의 2.5 배 크기의 DNA - 진핵세포의 기본적인 생명활동의 기작 이해에 기여 : 핵과 세포 구성요소의 복제, 세포분열주기 (ex. 돌연변이 효모 : 유전자 도입으로 치료 )

3) 애기장대 - 담쟁이류 잡초 / 현화식물 ( 식물 ) - 선택된 모델 식물 - 실내배양가능 /8-10 주 만에 개체당 수천 개의 자손을 만 듬 / 효모의 8 배 크기의 유전정보 (1 억 1,000 만개 뉴클레오 타이드 ) - 농작물의 발생 및 생리학에 대한 정보 제공

4) 파리, 선충, 생쥐, 사람 - 초파리 : 생물학 연구의 중심 / 다세포 동물에서 가장 많은 종 류는 곤충류 - 80 년 전 유전의 단위인 유전자가 염색체상에 존재함을 초파 리를 통해 밝힘 - 배아와 유충의 발생기작에 대한 연구 - 선충 : 세포의 분열과 이동, 분화를 포함한 생명현상이 엄격 하게 일어남을 제시 - 70% 정도의 사람 단백질 유사체가 존재 - 생쥐 : 포유동물 / 초파리보다 2-3 배의 유전 정보량을 가짐 - 포유동물의 유전, 발생, 면역 및 세포 생물학 연구에 기여 - 인간 : 인간 세포의 연구