세균 (Bacteria)

원핵생물과 진핵생물 원핵세포와 진핵세포의 가장 큰 차이점은? 원핵생물 진핵생물 * 바이러스? 세균 미생물 : 진균(곰팡이, 효모) 조류, 원생동물 식물 동물 * 바이러스?

원핵세포(Procaryotic cell)의 특성 크기가 작고 구조가 간단 진정한 핵이 없음 핵막(nuclear membrane) 없음 핵질(핵부위, 핵양체, nucleoid) 진핵세포(eucaryotic cell) : 핵(nucleus) 단 하나의 염색체(chromosome) 단일, 환상의 이중나선 DNA 진핵세포 : 두 개 이상, 쌍으로(상동염색체)

단위막(unit membrane)으로 둘러싸인 세포내 소기관(organelle) 없음 염색체 DNA : 히스톤과 결합하지 않음 히스톤(histone) : DNA와 결합하는 염기성 단백질 단위막(unit membrane)으로 둘러싸인 세포내 소기관(organelle) 없음 진핵세포 : 미토콘드리아(mitochondria) 엽록체(chloroplast) 리보솜(ribosome) : 단백질 합성 원핵세포 : 70S 진핵세포 : 80S (미토콘드리아 & 엽록체는 70S)

원핵세포 : 유사분열(mitosis) 없음 감수분열(meiosis) 없음 유성생식(sexual reproduction) 없음 진핵세포 : 유사분열, 감수분열, 유성생식 있음 원핵세포의 유전자 : 인트론(intron) 없음 진핵세포의 유전자 : 인트론 있음 원핵세포 : 전사와 번역이 모두 세포질에서 진핵세포 : 전사는 핵에서, 번역은 세포질에서

세균 (Bacteria)

세균 (쪽팡이, bacteria) 진정세균 (Eubacteria) : 남조류, 방선균 포함 원핵세포 (Procaryotic cell) 핵막이 없음 단 1개의 염색체 유사분열, 감수분열 없음 – 유성생식 못함 세포벽 – peptidoglycan 단세포 (Unicellular) 고세균 (Archaebacteria) : 주로 극한환경에 서식 진정세균 (Eubacteria) : 남조류, 방선균 포함 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세균의 크기 (sizes of bacteria) Haemophilus influenzae : 0.25 x 1.2 ㎛ Streptococcus pneumoniae : 0.8 ㎛ in dia. Escherichia coli : 0.5 x 1.5 ㎛ Bacillus megaterium : 1.3 x 3 ㎛ Oscillatoria (cyanobacterium) : 5 x 40 ㎛ Epulopiscium fishelsoni : 0.6 mm in length Thiomargarita namibiensis : 0.75 mm in dia. http://bioenv.sunchon.ac.kr

Epulopiscium fishelsoni Giant bacteria Epulopiscium fishelsoni Thiomargarita namibiensis http://bioenv.sunchon.ac.kr

세균의 모양 구균 (coccus - cocci) 간균 (bacillus – bacilli) 비브리오 (Vibrio, comma shaped) 나선균 (spiral bacteria) 섬유상 (filamentous) 기타 Appendaged bacteria Budding bacteria Star-shaped bacteria Square bacteria http://bioenv.sunchon.ac.kr

Shapes of bactera http://bioenv.sunchon.ac.kr

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구균의 배열 (arrangement) 단구균 (monococcus) 쌍구균 (diplococci) 연쇄상구균 (streptococci) 사련구균 (tetrad) 팔련구균 (sarcinae) 포도상구균 (staphylococci) http://bioenv.sunchon.ac.kr

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간균 (Bacillus : rod-shaped bacteria) 단간균 (coccobacillus) 장간균 (filamentous bacillus) 방추상간균 (fusiform bacillus) 연쇄상간균 (streptobacilli) http://bioenv.sunchon.ac.kr

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세균 세포의 구조 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세균 세포의 구조 핵질 (nucleoid) 세포막 (cell membrane, plasma membrane) 세포벽 (cell wall) 세포질 (cytoplasm, protoplasm) 핵질 (nucleoid) 리보솜(ribosome) http://bioenv.sunchon.ac.kr

협막(캡슐, capsule), 점질층(slime layer) 편모 (flagella) 선모 (pilus, fimbriae) 플라스미드 (plasmid) 색소포 (chromatophore) 가스소낭(Gas vacuole) Magnetosome 저장과립체(Inclusion bodies) 세균 엽록소(bacterial chlorophyll) 내생포자 (endospore) http://bioenv.sunchon.ac.kr

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세포막 (Cell membrane) cytoplasmic, protoplasmic, plasma membrane 세포질막, 원형질막 cytoplasmic, protoplasmic, plasma membrane 세포 내부와 외부의 물리적 경계 세포 내부와 외부의 물질 통과 조절 구조 : 단위막 (unit membrane) Fluid Mosaic Model 인지질의 이중충 + 단백질 + 기타 유동성(plasticity) http://bioenv.sunchon.ac.kr

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세포막의 기본구조 : 인지질 이중층 지질(Lipid) : 글리세롤(Glycerol) 지방산(Fatty acid) http://bioenv.sunchon.ac.kr

인지질의 양극성 (amphiphatic) 소수성 (hydrophobic) : 지방산 친수성 (hydrophilic) : 글리세롤 + 인산 + 유기염기 http://bioenv.sunchon.ac.kr

Mosaic : 인지질 이중층 + 막단백질 http://bioenv.sunchon.ac.kr

막 단백질(membrane proteins) 내재 단백질 (integral protein) 주변(표면) (peripheral, surface protein) 양극성 소수성부분 : 인지질 내부 친수성부분 : 인지질 표면 막의 내,외부는 단백질에 의해 결정 Permeases : 물질의 수송에 관여하는 효소들 합성효소 : 물질의 합성에 관여하는 효소들 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세포막의 기능 (Functions of cell membrane) 투과성 장벽(permeability barrier) 물질 수송로(transport system) 에너지 생산(Energy generation) 가수분해효소 분비(secretion of hydrolytic enzyme) 생합성(biosynthesis) 화학주성(chemotaxis) http://bioenv.sunchon.ac.kr

투과성 장벽(permeability barrier) 인지질 이중층의 소수성 → 반투성(semipermeable) 통과함 : 비이온성의 작은 물질 통과 못함 : 이온성 물질 글리세롤보다 큰 비이온성 물질 H2O (small and uncharged) – 자유로 통과 H+ (H3O+) – 자유로 통과 못함 상태적 투과 속도(이동 시스템이 없을 때) Water 100 Glycerol 0.01 Tryptophan 0.001 Glucose 0.001 Cl- 0.000001 K+ 0.0000001 Na+ 0.00000001 http://bioenv.sunchon.ac.kr

삼투현상(Osmosis) 용액의 삼투압 = 세포 내부의 삼투압 등장액(isotonic solution) 생리식염수 (physiological saline) : 0.85% NaCl 고장액(hypertonic solution) 용액의 삼투압 > 세포 내부의 삼투압 세포 내부의 물이 밖으로 이동 ⇒ ? 저장액(hypotonic solution) 용액의 삼투압 < 세포 내부의 삼투압 물이 세포 내부로 이동 : 세포벽이 삼투압에 저항 – 세포막 보호 Osmotic cell lysis (용균현상) http://bioenv.sunchon.ac.kr

물질 수송로(transport system) 선택적 투과성 (selective permeability) 세포막 단백질이 물질의 통로로 작용 membrane transport protein(막수송 단백질) 이온성 물질과 glycerol보다 큰 비이온성 물질 통과 물질에 따라 특이한 통로 있음 – 특이적(specific) http://bioenv.sunchon.ac.kr

세포막을 통한 물질수송 방법 단순확산(simple diffusion) 촉진확산(facilitated diffusion) 물질의 농도구배(concentration gradient)에 따라 속도는 농도차에 비례, 에너지 소모 없음 촉진확산(facilitated diffusion) 물질의 농도구배에 따라 Permease의 작용으로 속도 증가, 에너지 소모 없음 그룹전송(group translocation) 효소들 관여, 물질을 화학적으로 변형 수송, 에너지 소모 능동수송(active transport) 물질의 농도구배에 역행하여 에너지 소모 http://bioenv.sunchon.ac.kr

기타 세포막의 기능 에너지 생산(Energy generation) 가수분해효소 분비(hydrolytic enzymes) 물질수송에 필요한 에너지 생산 호기성균 산화적 인산화, 전자수송 기능적으로 미토콘드리아 내막과 같음 가수분해효소 분비(hydrolytic enzymes) 고분자물질을 영양소로 이용하기 위해 탄수화물(전분, 섬유소 등), 단백질, 지방질, … http://bioenv.sunchon.ac.kr

생합성(Biosynthesis) 화학주성(Chemotaxis) 세포벽, 막 인지질, DNA 복제 관련 단백질 세포막 표면의 특이적 수용체가 물질 인식 이동 – 편모 http://bioenv.sunchon.ac.kr

고세균, 진핵세포의 세포막 세포막의 기본구조는 모든 세포에서 같음 화학성분은 세포 종류에 따라 다름 고세균의 세포막 인지질 : ether bond (glycerol + alcohol) ester bond보다 열에 안정함 가지달린 탄화수소(polyisoprenoid alcohol) 포함 극한환경에서 기능 * ester bond : -OH (alcohol group) + -COOH (carboxyl group) ether bond : -OH (alcohol group) + -OH (alcohol group) http://bioenv.sunchon.ac.kr

진핵세포의 세포막 지질에 sterol과 불포화지방산 포함 Sterol : 구조적으로 견고, 유동성 감소 불포화 지방산 : 유동성 증가 – 내한성과 관계 있음 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세포벽 (cell wall) 세포막의 외부에 존재 기능 : 물리적으로 세포 보호 세포의 모양을 결정 삼투압 지탱 주성분 : Peptidoglycan (backbone) 당류, 단백질, 지질 Mycoplasma : 세포벽 없음 Mycoplasma, Ureaplasma, Acholeplasma 세포벽의 특성에 따라 Gram 양성과 음성으로 구별 http://bioenv.sunchon.ac.kr

펩티도글리칸(peptidoglycan) murein, mucopeptide, muco-complex Glycan : sugars N-acetylglucosamine(G, N-아세틸 글루코사민) N-acetylmuramic acid(M, N-아세틸 뮤라믹 산) beta-1,4 glycosidic bond(당결합)로 교대로 결합 Peptido- : amino acids 일부의 NAM에 tetrapeptide가 결합함 Peptide cross-linkage(펩타이드 가교결합) Glycan chain과 chain은 tetrapeptide를 통해 연결 http://bioenv.sunchon.ac.kr

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그람 염색(Gram staining) 1884 Christian Gram Crystal violet, Safranin(basic fuchsin) 모든 세균은 Gram(+) 또는 Gram(-) 극히 일부는 Gram variable 그람 양성균과 음성균은 세포벽 구성이 다름 약제에 대한 저항성, 물질 분비 능력 등에 차이 http://bioenv.sunchon.ac.kr

Gram (+) vs. Gram (-) 주로 peptidoglycan Teichoic acid 함유 표면에 단백질 함유 20 ~ 80 nm (~ 40 층) 세포벽의 40 ~ 80% Cross-link가 많다 Teichoic acid 함유 세포벽의 10 ~ 50% 폴리인산중합체 NAG와 공유결합 형성 표면에 단백질 함유 투과성이 큼 G(+)보다 복잡하다 peptidoglycan layer OM(outer membrane) Peptidoglycan layer 10 ~ 15 nm 세포벽의 10 ~ 20% Cross-link가 적다 No teichoic acid 투과성이 작다 http://bioenv.sunchon.ac.kr

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그람 음성균의 외막(outer membrane) 외막의 구성 인지질 이중층 (phospholipid bilayer) 단백질 (proteins) - porin 지질 복합당 (LPS, Lipoplysaccharide) 지단백질 (Lipoprotein) 외막의 기능 반투성 : 분자량 800 이상의 물질 통과 못함 (항생물질, lysozyme) 세포 표면에 강한 음성 부여 : 식균작용이 어려움 LPS : O 항원(antigen)으로 작용 (Escherichia coli O:157) 내독소(endotoxin) : http://bioenv.sunchon.ac.kr

주변세포질 (Periplasmic space) Gram (-)의 세포막과 외막 사이 많은 단백질이 존재 : 가수분해효소, 수송 및 운동 관련 단백질, 세포벽 합성 효소 Gram (+) : 세포벽과 세포막 사이 http://bioenv.sunchon.ac.kr

페니실린(penicillin)과 세포벽 푸른곰팡이(Penicillium)가 생산하는 항생물질 1928 Alexander Fleming 세포벽 합성 저해 : 펩티도글리칸의 가교결합 형성 저해 Gram (+)에 더 효과적 http://bioenv.sunchon.ac.kr

라이소자임(lysozyme)과 세포벽 Lysozyme 세균을 lysozyme 처리하면 Gram (+) : 세포벽 완전 제거 펩티도글리탄의 NAG-NAM 사이 당결합 가수분해 침, 눈물, 콧물, 동식물의 점액, 달걀 흰자 세균의 침투 방지 세균을 lysozyme 처리하면 Gram (+) : 세포벽 완전 제거 등장액에서 protoplast 형성 Gram (-) : 외막층(OM) 때문에 EDTA와 함께 처리해야 함 세포벽이 부분적으로만 제거됨 등장액에서 spheroplast 형성 http://bioenv.sunchon.ac.kr

세포벽이 제거되면? Gram (+) : protoplast, Gram (-) : spheroplast 대부분의 세포 기능 유지 분열할 수 없음 인공적인 세포융합이 가능해짐 세포벽은 적정 조건에서 재생 가능 http://bioenv.sunchon.ac.kr