A Tour of the Cell (세포로의여행iris.nyit.edu/~jlee26/pics/rptse/03 - RPTSE Bio - Ch. 04.pdfA...

Lectures by Dr. Jong B. Lee

Chapter 4A Tour of the Cell (세포로의여행)

Oct. 16, 2015

모든 생물의 몸은 세포로 구성되어 있으며, 모든 생명현상은세포활동의 종합적 결과라고 할 수 있다. 따라서, 세포는생명체의 형태적 단위일 뿐만 아니라 기능적 단위이기도 하다. 그러므로 생물의 생장, 유전, 진화 등을 이해하기 위해서는 먼저세포의 특성을 이해하여야 한다.

생물은 하나 하나의 세포가 독립된 생물로 되어있는단세포생물과 많은 세포로 구성되어 있는 다세포생물로 나눌 수있다.

다세포생물은 구조와 기능이 같은 종류의 세포가 모여서 조직을이룬다.

세포 (Cell)는 일반적으로 1개의 핵을 가지고 있으며 외계와세포질막과 세포벽에 의해서 구분되어지는 원형질 덩어리를세포라 한다. 이와 같은 세포는 매우 작기 때문에 현미경이발달한 후에 비로소 그 존재가 알려지게 되었으며 연구의대상이 될 수 있었다.

ORGANIC COMPOUNDS (유기화합물)

RPTSE BIO Fall 2015 Jong B. Lee, PhD, All rights reserved.

ORGANIC COMPOUNDS (유기화합물) 1665년 Robert Hooke: 죽은 식물의 조직인 코르크(cork)의 구조를

현미경 하에서 관찰하여 벌집과 같이 작은 구획으로 갈라져 있음을보고, 이것을 최초로 cell이라고 하였다. Hooke가 관찰한 것은세포가 아니라 이미 죽은 세포로서 세포내용물질이 없어진식물세포의 세포벽만 관찰한 것이다.

1831년 Robert Brown: 세포내에서 가장 중요한 핵을 발견하였다. 1835년 de Jardin, 1846년 von Mohl: 세포내의 물질을 통틀어

원형질 (protoplasm)이라고 하였다. 1838년 Mathias Schleiden: 모든 식물이 세포로 구성되어 있음을

알았고 1839년 Theodor Schwann: 모든 생물체는 세포를 바탕으로 한다고

하였다. 즉 이러한 세포설은 모든 생물은 기본적 공통성이 있음을강조하였다.

1858년 Rudolf Virchow: 세포는 반드시 세포로 부터 유래된다고함으로써 생명의 영속성과 진화에 관한 문제가 제기될 수 있는 바탕을제공하였다 (세포설의 완성)


단세포생물: 아메바, 짚신벌레현미경 하에서 아메바를 바늘로 찔러 세포의 내용물이

밖으로 흘러 나오면 죽게 된다.

동물:심장을 떼어내면 그 동물은 죽는다. 그러나 떼어낸 심장을

적당한 조건에 두면 상당기간 박동운동을 할 수 있다. 이때심장의 각 세포들은 활발하게 호흡을 하면서 수축운동을하는 세포의 운동이 정지하면서 심장의 박동은 중단된다. 이와 같이 생명현상은 세포를 기본단위로 하고 있으며세포가 생명의 기능적인 단위임을 알 수 있다.

생명현상이세포를기본으로한다는사실


1900년경 S. 라몬 이 카할(오른쪽)이그린 눈의 망막세포에 분포된 신경세포(왼쪽)


세포세계에대한소개

현미경으로 세포의 구조와 기능을 연구한다

원생생물인 Trichodina의 광학현미경 사진

광학현미경 (light microscope, LM): 0.2 마이크로미터

전자현미경 (electron microscope, EM): 0.2 나노미터 (큰 원자의 크기까지 가능)

주사전자현미경 (scanning electron microscope, SEM)

투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)


The most powerful electron microscopes can

magnify up to 100,000 times and

distinguish between objects 0.2 nanometers apart.

Light microscopes are still very useful for studying living cells.

현미경으로세포의구조와기능

The electron microscope (EM, 전자현미경) uses a beam of electrons, which results in 100-fold better resolution than light microscope.

분해능력: 0.2 nanometer

Two kinds of electron microscopes reveal different parts of cells.

Scanning electron microscopes (SEMs, 주사전자현미경) examine cell surfaces.

Transmission electron microscopes (TEMs, 투과전자현미경) are useful for studying the internal structure of a cell.

Electron Microscope (EM, 전자현미경)

현미경으로세포의구조와기능

Light Micrograph (LM)Scanning Electron

Micrograph (SEM)

TYPES OF MICROGRAPHS

Transmission Electron

Micrograph (TEM)

주사현미경 (SEM)

섬모의 주사전자현미경 사진


투과현미경 (TEM)

섬모의 투과전자현미경 사진


세포의 크기는 매우 다양하며 생물의 종류에 따라 다르며 동일 생물체내에서도조직에 따라 다르다. 실제 큰 새의 알은수 cm나 되는 난세포이며, 박테리아의경우 1.0um밖에 되지 않는다.

대체로 광학현미경으로 관찰이 가능하며수 um에서 수십 um 정도인 것이 많다. 사람의 적혈구는 지름이 약 7.5um이며, 백혈구는 8-10um인데 이와같은 크기가세포로서는 보통이다. 큰 세포로는 동물의 난자를 들 수 있다

세포의 크기와 비슷한 대상

세포의크기는기능에따라다양


세포의 최대 크기는 영양을 취하고 노폐물을 처리할 수 있도록표면적이 충분히 확보되는 한도에 의해 결정된다. 큰 세포는 작은 세포에 비하여 표면적이 넓으나, 같은 모양일 때 그 체적에대한 표면적의 비가 작은 세포보다 더 낮다.

체적이 같은 세포라도 그 크기에 따라 표면적이 달라진다


자연의법칙에의하여세포의크기가정해진다

세포는크게두개의군으로나눌수있다

The countless cells on Earth fall into two basic categories:

Prokaryotic cells (원핵세포) - Bacteria and Archaea (고세균류)

o 원핵세포는약 35억년전에나타났음

Eukaryotic cells (진핵세포) – protists(원핵생물), plants, fungi, and animals.

o 진핵세포는약 21억년전에나타났음


All cells have several basic features They are all bounded by a thin plasma membrane

(원형질막).

Inside all cells is a thick, jelly-like fluid called the cytosol (시토졸혹은키토졸), in which cellular components are suspended.

All cells have one or more chromosomes ( 염색체) carrying genes made of DNA.

All cells have ribosomes (리보솜), tiny structures that build proteins according to the instructions from the DNA.


원핵세포 (prokaryotic cell)는크기가작고구조가단순

크기: 2-8㎛, 진핵세포의 약1/10

DNA: 코일모양으로 뭉쳐 있어핵양체(nucleus-like)를형성하고 있으며 막으로둘러싸여 있지 않다

원형질막: 세포질을 감싸고있음

원핵세포벽: 원형질막바깥층으로 매우 단단한화학복합체로 세포를 보호하고그 모양을 유지하도록 도와준다

피막: 접착성인 외막으로세포벽을 싸고 있다

선모(pili) 편모(flagella)

원핵세포


진핵세포는기능에따라막으로분할되어있다

동물, 식물, 원생생물, 균류

원핵세포보다 훨씬 복잡하다

핵 (nucleus): 2중막으로 둘러싸여 주변의 세포질과 유전물질의

분리상태를 유지

세포질 안에는 막으로 둘러 싸여 있으며, 각각의 고유 기능을 가지고

있는 세포소기관들이 있다

막성소기관: 핵, 소포체, 골지체, 미토콘드리아, 리소좀, 퍼옥시좀

세포대사 (cellular metabolism)는 막성 세포소기관에서 일어 난다

세포벽: 셀룰로오스나 키틴으로 구성

DNA: 환형 보다는 선형 염색체에 배열, 단백질이 밀접하게 결합되어

있음


동물세포 / 식물세포

Unlike animal cells, plant cells haveChloroplasts (염록체), which convert light

energy to the chemical energy of food in the process of photosynthesis, and

Protective cell walls.

Only animal cells have lysosomes (리소좀), bubbles of digestive enzymes surrounded by membranes. 리소좀: 세포질 내의 과립이며 가수 분해 효소를

함유


동물세포


식물세포


내막계를이루고있는소기관


핵은 세포의 유전자 조절 중심기관이다 고등생물의 세포는 반드시 한 개의 핵을 가지고 있어서 진핵세포 (eukaryotic

cell)라 하며 핵은 세포의 생활을 지배한다 할 수 있다

o 핵의 구성: 핵막, 핵액, 염색체, 인 (핵소체) 으로 구성되어 있다.

o 핵의 수: 한 개의세포에는 한 개의 핵을가지고 있으나다핵세포는 2개 이상의핵이 존재

o 위치: 세포의 중앙o 형태: 구형 내지 타원형,

소시지, 나선상, 환상o 크기: 수 m에서 20-30

m

핵과 조면소포체

2m

nuclearEnvelope

(핵막)

Nucleus(인 (핵소체))

세포핵


Cytoplasm(세포질)

PlasmaMembrane(원형질막) Nucleus (세포핵)

Organelle(세포기관)

fibers

Plasmamembrane

40m 5m

A living cell seen under a light microscope, showing nucleus and cytoplasm

세포핵


세포핵

인 (핵소체)핵막 소공

염색질


핵원형질

인 (핵소체)


핵질과 세포질을 가르는 얇은 2중막으로 되어 있다. 여기에 여러개의 핵공 (nuclear pore)이 뚫려져 있다. 2중막의 두께는 약 300Å (1Å =10-10m = 0.1nm)

핵공(nuclear pore): 직경 300-700Å 핵공은 단백질분자가 통과할 수 있다. 핵공을 통하여 물질이 안팎으로 통과

할 수 있다. 2중막 바깥쪽 막이 흔히 세포질 쪽으로 돌출하여 그 돌출부가 소포체와

연결되어 있다.

핵막 (nuclear membrane)

염색사 부분에 DNA가 존재 DNA가 histon과 결합하여 핵단백질로 존재 염색체의 상세한 형태에 관해서는 세포분열 중기와 후기에서 잘 관찰되어 왔다.

따라서 옛날에는 염색체가 세포분열시에만 나타나고 분열이 끝나면 없어진다고오인되기도 하였다.

간기(interphase)에는 염색체가 풀어져서 길게 늘어난 상태로 존재하는데 이와 같은상태의 염색체를 염색질 (chromatin)이라 한다.

구성: DNA, 단백질 및 RNA (유전 및 세포분열에서 다룸)

25m

nucleus nuclear envelope condensed chromosomes

염색질 (chromatin)


25m

인 (nucleus)


150-30Å의 과립과 직경 60-120Å의 가늘고 긴 fibril과 저전자밀도의 기질로 되어 있다.

간기 핵은 1개 또는 그 이상의 인(nucleolus)을 가지고 있다.

형 태: 일반적으로 구형

구 성: 뉴클레올로네마(nucleolonema)와 부정형의 기질.

구성물질: RNA와 단백질

기 능: RNA합성과 단백질합성에 관계한다는 것으로추정하고 있다.

핵액 (nuclear sap)


단백질 합성장소로 추정

단백질, RNA 및 가수분해효소

핵질의 대부분을 차지하며, 핵 내에서 바탕이 되는 부분이다.

전자현미경으로 관찰하면 불규칙한 모양의 미세한입자(20∼30nm)의 상으로 보인다.

화학적 조성은 아직 밝혀지지 않았다.

단백질이 기본, RNA 와 여러가지 가수분해효소가 들어 있다.

내막끼리 서로 연결되어 있는 것도 있고 그렇지 않은 경우도있지만 내막은 서로 세포질 그물망을 형성하여 내막계를이루고 있다.

세포소기관 중 소포체(endoplasmic reticulum, ER: 그리스어로 세포 안에 있는 그물처럼 연결된 망)는 내막계가서로 연결되어 있음을 보여주는 가장 좋은 예이다.

소포체에는 조면소포체와 활면소포체가 있으며, 조면소포체의 막은 핵막의 바깥쪽 막과 연결되어 있고 소포체내의 공간은 소포체 막에 의하여 세포질과 분리되어 있다. 그래서 소포체 막과 핵막은 세포 내부를 두 부분으로분리한다.

세포를 구획으로 나누는 것은 내막계의 주 기능이다.


세포소기관은내막계로연결되어있다

조면소포체(rough endoplasmic reticulum, rough ER): 과립이 있어거칠게 보이는 것.

리보좀이 박혀있어 막을 만드는 기능과 세포가 분비하는 단백질을 만드는기능

막의 바깥 면에 리보솜이 부착. 리보솜이 소포체 바깥쪽에 붙어 두 개의막에 의해 채널이 형성

세포 밖으로 분비될 단백질을 만들고 있는 세포에서 나타남 ex) 분해효소, 호르몬

폴리펩티드가 합성되면 소포체로들어간다

당이 폴리펩티드와 연결되어소포체에서 나갈 준비

소포체는 이것을 수송소포라고하는 작은 주머니로 포장

분비단백질을 가진 수송소포가소포체에서 나와 골지체로 이동

골지체에서 최종 형태로 가공된단백질이 원형질막을 통해 세포밖으로 분비

조면소포체에서의 분비 단백질의 합성 및 포장


조면소포체에서막성분과단백질을만든다

활면소포체(smooth endoplasmic reticulum, smooth ER): 무과립소포체는 초면소포체와 연결되어 있으며, 이는 리보좀이없이 관으로 이루어진 망상 구조로 막에 있는 효소가 그 기능을담당한다.

지질 (지방산, 인지질, 스테로이드 등)을 합성 세포와 근육 수축을 위한 칼슘이온의 저장 분비 및 저장 세포에 풍부 소장의 활면소포체 – 지질 분해 산물을 흡수하는 경로에서

중요한 역할을 한다 간세포의 활면소포체 – 화학물질을 해독시키는 산화효소를 포함 글리코겐이 포도당으로 분해되는 단계 중 한 단계를 담당하는

효소 포함 정소, 난소, 부신피질등에 많이 분포한다

활면소포체는기능이다양하다


활면소포체


조면소포체에서 나온 소낭 (vesicle)이 모여 기원된 것

골지시스터나 (식물체에서 딕티오좀 (dictyosome)이라불린다)를 포함

분비기능을 갖는 세포에 발달해 있다

조면소포체로부터 오는 다양한 단백질을 단계적으로변형시키는데 관여

형태: 막으로 납작하게 둘러싸인 여러개의 주머니가 겹쳐있으며, 소포계,활면막, 골지액포 등으로 이루어져 있다. 망상, 환상, 봉상, 입상

활면소포체에 들어 있던 물질이 여기서 농축되고 저장된다.

저장된 물질은 적당한 조건이 되면 세포 밖으로 분비된다.

골지체에서세포생성물이마무리되고분류되어이동한다


골지체


membrane-bounded vesicles

golgi apparatus

endoplasmic reticulum (세포질망상구조, 소포체)

nuclear envelope

1 m

(C)

(B)(A)

골지체 (Golgi apparatus)


리소좀 (Lysosome) 단일막의 주머니 모양

식물세포에서의 존재에 대해서는 이견이있지만, 동물세포에서는 거의 모든 유형의세포에서 발견

조면소포체(RER)에서 합성되어 골지체에의해 포장된 강력한 가수분해효소 (약40종)가 들어있어 세포내 소화 (백혈구의식균작용, 올챙이의 꼬리분해 등)에관여한다.

효소의 효과적작용을 위해 산성조건이필요한데, 세포질로부터 자기내부로양성자를 펌프해 들여옴으로써 산성조건을만듬 (세포가 터지더라도 세포질에 대한손상이 방지됨)

자기소화작용(autophagy): 세포내의손상되었거나 노화된 세포기관들이 분해액포로 흡수되어 리소좀의 효소에 의해가수분해 된다.


백혈구 내 리소좀의 모양

리소좀의형성과기능


리소좀 축적증: 리소좀의 가수분해 효소 중 한 개의 효소가결핍되어 생기는 병으로 분해되지 못한 물질이 리소좀에축적되어 비정상적인 크기로 커진 리소좀으로 다른 세포의기능을 수행할 수 없게 한다.

이 질환은 대부분 소아 초기에 치명적이다.

폼페병: 리소좀에 글리코겐 소화효소가 결핍되어 글리코겐이간세포에 축적되는 병

테이삭스병: 리소좀의 지방분해료소가 결핍되어 뇌 신경세포에지방 함유량이 높아지고 세포가 손상되어 신경계 기능을마비시킨다.

비정상적인리소좀은치명적인질환을유발한다


액포(vacule)는 막으로 둘러싸인 주머니로 내막계에 속하며, 크기와 모양이다양하고, 여러 가지 기능을 한다.

물을 흡수하여 식물세포의 크기가 커지도록 하고, 생명유지에 필요한화학물질이나 세포의 물질대사에 의한 부산물을 저장할 수 있다

식물세포의 중심액포 원생생물의 수축포

액포는세포의기능을유지하고관리한다


세포 내에서 수 많은 구획을 이룬다.

중요한 역할은 물질을 한 방향으로 보낸다는 점이다.

막 구조의 세포기관 : 세포막, 핵막, 미토콘드리아, 소포체, 골지체, 리소좀, 엽록체

막이 없는 구조물 : 인, 리보좀, 중심체, 염색체

2중 막인 구조물 : 핵막, 미토콘드리아, 엽록체

내막계의요약


내막계를이루고있는소기관


에너지전환에관여하는소기관


엽록체는 태양에너지를 화학에너지로 바꾼다 고등식물세포와 조류에만 있으며 비교적 납작한 난형의 형태를 하고

있으며 2중막으로 싸여 있다.

직경 ; 5∼8 m, 두께 ; 2∼4 m. 하나의 식물세포에는 50개 이상의 엽록체. 이중막, chlorophyll이 있어 녹색. Photosynthesis (광합성). 광인산화<ATP>.

엽록체 속: 엽록소 (chlorophyll)가 있어 광합성 작용o 스트로마 (stroma): 균등의 기질o 그라나 (grana): 얇은 막(thylakoid) 라고 하는 막으로 된 넓적한 낭

들이 층상구조를 하고 있으며 엽록소는 이들 막에 들어 있다.o 효소: 스트로마

식물세포는 엽록체 외에 백색체와 잡색체가 들어 있다 (여러 가지 색)

엽록체


옥수수엽육세포의엽록체


chlorophyll-containingmembranes

outermembrane

innermembrane

cellwall vacuole

엽록체 (Chloroplasts)


엽록체 (Chloroplasts)


엽록체의내부구조


Chloroplast(엽록체)

Thylakoid

Lamella

Chloroplast

Mesophyll cells(엽육세포)

Outermembrane

Innermembrane

Stroma

Granum



One Granum

Granum

Light-absorbingpigments

Thylakoids

Thylakoid

ATPsynthase

Stroma

Lumen



Bacteria를 제외한 산소호흡을 하는 모든 세포는 반드시미토콘드리아를 갖고있다.

이중막 구조이며 크리스타 구조 (표면적을 넓히는 주름 잡힌구조)이다

세포호흡에 관계하는 여러효소가 들어있어 세포내 호흡을 통해생명활동에 필요한 에너지를 생산한다

자체적인 DNA와 리보솜이 있어 단백질 합성을 할 수 있고스스로 증식할 수 있다

형태: 0.2∼5 m 크기의 과립상 막으로 둘러싸여 있고 영양물질을 산화하는 효소를 갖고있다 외막 : 단백질과 지질이 주성분, 두께 50Å 내막 : 60-70Å 막간 층 : 외막과 내막 사이 60-80Å Cristae : 안쪽으로 함입된 것

막의 구성: 인지질, 단백질 미토콘드리아 내: 호흡효소군, TCA cycle, ATP생성

미토콘드리아는섭취한음식에서화학에너지를얻는다


미토콘드리아


세포뼈대와관련구조


세포는 내부에 뼈대를 가지고 있다 대부분의세포소기관은세포를구조적으로지지할수있는구조를갖추고있다. 또한진핵세포에는가는섬유로된그물형태의지지구조가있는데이를통틀어세포뼈대 (cytoskeleton)라한다.

세포뼈대

세포 뼈대는 세 가지 주요 섬유로 이루어져 있다 미세섬유(microfilament) : 가장 가는 섬유, 주성분 액틴(actin) 미세소관(microtubule) : 가장 굵은 섬유, 튜불린이라고 하는 구형의

단백질로 만들어진, 속이 비어 있는 원통형 관이다. 중간 섬유(intermediate filament) : 중간 두께, 섬유 모양의 단백질이

밧줄과 같은 구조를 하고 있다

세포 뼈대를 이루는 섬유

세포뼈대와관련구조


진핵세포의 편모와 섬모의 구조

섬모와편모는미세소관이휘어지면서움직인다


섬모와 편모에서 미세소관이 휘어지는 기작

섬모와편모는미세소관이휘어지면서움직인다


진핵세포의표면과연접


세포는 세포 표면에 의해 보호되고, 지지되고, 서로 연결된다

식물세포와세포연접

동물세포표면과세포연접


진핵세포의세포소기관은기능에따라네종류로나뉜다


과연외계인이존재할까?

모든생명체는동일한기본구조를가지고있다


연습문제


1. 원핵세포의 핵양체 부위는 진핵세포의 핵과 어떻게 다른가? 2. 다음 소기관 중 공통적이지 않은 것은 무엇인가?

리보좀(ribosome), 리소좀(lysosome), 미토콘드리아, 엽록체, 퍼옥 시솜.

3. 조면소포체(rough endoplasmic reticulum)를 거칠게 만드는것은 무엇 때문인가?

4. 활면소포체(smooth endoplasmic reticulum)의 3가지기능은 무엇인가?

5. 단백질-분비세포에서 소포체와 골지체의 관계는 무엇인가?6. 리소좀에 이상이 생겼을 때, 과녕 어떻게 특정 물질은 세포에

과잉으로 축적되는가?7. 광합성은 무슨 일을 하는가?

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