세포의 구조와 기능 2(미토콘드리아와 엽록체의 역할 및 구조, 세포골격과 세포 표면 및 연결)

 저번 글에는 세포의 기본적인 구조와 원핵세포, 진핵세포 비교, 그리고 여러 세포소기관들에 대해서 공부를 해보았습니다. 그럼 이번 글에는 이어서 중요한 세포소기관인 미토콘드리아와 엽록체의 역할 및 구조, 그리고 세포골격 등에 대해서 알아보겠습니다.

1. 미토콘드리아

 기본적으로 생명체는 외부로부터 받은 에너지를 다른 형태로 전환해서 사용하는 경우가 많습니다. 진핵세포에서 미토콘드리아와 엽록체가 바로 에너지 형태를 바꾸는 역할을 담당하는 세포소기관입니다. 미토콘드리아(mitochondria)는 대부분의 진핵세포에서 나타나며, 산소를 이용해 영양소를 분해해 ATP를 얻는 세포호흡이 일어납니다. 미토콘드리아의 수는 항상 같지는 않고 세포의 물질대사 활성도와 관련이 있습니다. 예시로 움직임이 많은 세포들은 단위 부피당 미토콘드리아의 수가 많습니다. 

 미토콘드리아는 두 개의 막으로 둘러싸여 있습니다. 각각의 막은 단백질이 끼어 있는 인지질 이중층으로 구성됩니다. 외막은 매끄럽고, 상대적으로 내막은 주름져 있는 크리스타(cristae)라는 구조로 이루어져 있습니다. 내막은 미토콘드리아의 내부를 외막과 내막 사이의 공간, 그리고 내막으로 둘러싸인 미토콘드리아 기질로 나눕니다. 이 기질에는 효소들뿐만 아니라 리보솜, 미토콘드리아의 DNA가 있습니다. 일부의 세포호흡이 여기서 일어납니다. 내막 속에 끼어 있는 단백질은 ATP를 만드는 효소이며, 주름진 구조가 표면적을 넓혀 주어 에너지 생산성을 높여줍니다.

2. 엽록체

 엽록체는 녹색 색소인 엽록소를 가지며, 광합성을 통해 당을 만듭니다. 주로 식물의 잎이나 조류 등에서 발견됩니다. 엽록체는 두 개의 막으로 이루어진 피막으로 덮여 있습니다. 그리고 이 두 개의 막은 막사이공간에 의해 분리됩니다. 엽록체 내부에는 틸라코이드(thylakoid)라는 연결된 주머니 모양의 막구조가 있습니다. 이 틸라코이드가 포커칩처럼 쌓인 형태를 그라눔(granum)이라고 부릅니다. 틸라코이드 밖의 액체 부분은 스트모라(stroma)라고 하며, 엽록체의 DNA뿐만 아니라 효소, 리보솜이 있습니다. 이렇게 엽록체는 막사이공간, 스트로마, 틸라코이드 이 세 부분으로 나뉩니다. 엽록체는 세포골격을 따라 세포 내부에서 이동할 수 있습니다.(이것은 미토콘드리아도 마찬가지입니다)

3. 퍼옥시즘

 퍼옥시즘(peroxisome)은 앞의 두 세포소기관과 달리 하나의 막으로 둘러싸여 있습니다. 퍼옥시즘은 물질에서 수소를 제거해 산소로 전달하는 산화작용을 합니다. 부산물로는 과산화수소를 만듭니다. 퍼옥시즘의 산화반응은 다양한 기능을 수행합니다. 지방산을 산화해 미토콘드리아로 보내 에너지원을 만들기도 하고, 독성 물질의 수소 부분을 전달해 독성도 제거합니다. 부산물인 과산화수소도 독성이 존재하지만, 바로 이것을 물로 바꿔주는 효소가 있습니다. 

4. 세포골격

과거에 생물학자들은 진핵세포의 소기관은 세포에 둥둥 떠 다닐 것이라 예상했습니다. 그러나 현미경 기술이 발전함에 따라 세포질 내부에서 섬유의 네트워크인 세포골격(cytoskeleton)을 발견합니다. 세포골격은 세포를 지지하며 모양을 유지하며, 내부의 움직임에도 관여합니다. 이때 세포의 운동성은 세포골격과 운동 단백질의 상호작용에 의해 나타납니다. 소낭 및 소기관들은 운동단백질을 이용해서 세포골격을 따라 이동합니다.

-미세소관(microtubule)

세포골격은 미세소관, 미세섬유, 중간섬유 이렇게 세 가지 섬유로 구성됩니다. 미세소관은 이 중 가장 굵고, 미세섬유(액틴 필라멘트라고도 부릅니다)는 가장 가늡니다. 중간섬유는 이름처럼 중간 정도의 굵기입니다. 미세소관은 모든 진핵세포의 세포질에 있으며, 튜불린(tubulin)이라는 구형 단백질로 이루어져 있습니다. 튜불린 분자는 알파와 베타 튜불린의 dimer로 구성되며, 양쪽 끝에 이것이 추가되면 미세소관의 길이가 길어집니다. 이때 미세소관의 양 끝이 살짝 다른데 한쪽 끝이 더 빠르게 dimer를 붙이거나 방출해 +라고 합니다. 또한 미세소관은 운동 단백질을 가진 소기관이 이동하는 길을 제공하고, 세포분열 시 염색체 분리에도 관련 있습니다.

-중심체와 중심립

미세소관은 동물세포에서 핵 근처의 중심체(centrosome)에서 뻗어 나옵니다. 중심체는 한 쌍의 중심립(centriole)이며, 각각은 3개의 미세소관이 하나의 단위로 9묶음이 둥글게 배열된 구조입니다. 동물세포를 제외한 많은 진핵세포는 중심체가 없고, 미세소관의 조직화에 다른 방법을 사용합니다.

-섬모와 편모

섬모와 편모는 움직임에 관여합니다. 단세포성 진핵생물의 상당수는 섬모와 편모를 이용해 물속에서 이동하며, 조직 표면의 액체를 이동시킬 수도 있습니다. 대부분의 세포의 표면에는 운동성 섬모가 많이 있으며, 편모는 일반적으로 세포당 1개이거나 상대적으로 수가 적습니다. 움직이는 양상도 다릅니다. 편모는 중심축과 동일하게 힘이 작용하는 '파동 운동'을 한다면, 섬모는 역타와 회복타를 교대로 운동합니다. 비운동성 섬모도 세포당 한 개 존재하며, 신호를 받는 역할을 합니다. 섬모와 편모는 공통된 미세구조를 가지기도 합니다. 즉 세포막 신장 부분에 미세소관의 중심 부분이 있습니다. 미세소관의 dimer들이 고리로 배열되고, 중간에 미세소관 2개가 있습니다. 이것을 "9+2" 패턴이라고 부릅니다. dimer에 붙은 디네인이 구부림 운동을 하여 섬모와 편모를 구부러지게 합니다.

-미세섬유

 미세섬유(microfilament)는 얇고 단단한 막대 모양이며, 액틴(actin)으로 구성되어 있습니다. 즉 액틴 소단위체가 연결된 두 개의 사슬이 꼬여져 있는 선형 필라멘트입니다. 미세섬유는 미세소관과 다르게 장력에 견디게 합니다. 그리고 운동 관련 세포의 수축기구에 속합니다. 마이오신(myosin) 단백질과 얽혀 있고, 수천 개의 미세섬유가 근육세포를 따라 평행하게 배열됩니다. 

-중간섬유

중간섬유(intermediate filament)는 미세소관과 미세섬유와 달리 척추동물 등의 일부 진핵생물에서만 관찰 가능합니다. 중간섬유는 장력 유지에 관여하며, 앞 두 섬유보다 영구적인 세포의 지지를 담당합니다. 즉, 세포의 모양 강화뿐 아니라 소기관 위치 고정에 중요합니다. 세포 사멸 이후에도 중간섬유망은 남아 있는 경우가 많습니다.

5. 세포 간의 연결

이제 세포 내부가 아닌 표면을 공부해 봅시다. 세포 외 구조들도 필수적인 세포 기능에 관여하므로 내부만큼 연구의 핵심입니다. 

-세포벽

세포벽(cell wall)은 식물세포의 표면 구조이며, 세포 보호와 형태 유지, 그리고 지나친 물 흡수 방지 등의 역할을 합니다. 이밖에도 원핵생물, 단세포 진핵생물, 균류도 세포벽을 가집니다. 굵기는 세포막보다 두꺼워 수 마이크로미터에 달합니다. 기본적인 구조는 다당류인 셀룰로스가 다른 다당류와 단백질 기질에 끼어든 형태입니다. 1차 세포벽(primary cell wall)은 어린 식물세포에서 분비하는 것으로, 얇고 구부러지기가 쉽습니다. 그러다가 세포가 다 성장하면 세포벽을 강화합니다. 다른 세포는 세포막과 1차 세포벽 사이에 2차 세포벽(secondary cell wall)을 만들기도 합니다. 

-동물세포의 세포외기질

이와 비교해서 동물세포는 세포외기질(extracellular matrix)을 가집니다. 당단백질, 탄수화물 분자 등으로 구성됩니다. 당단백질의 대부분은 콜라겐(collagen)이 차지하며, 세포에서 분비됩니다. 콜라겐은 프로테오글리칸(proteoglycan)이라는 당단백질의 그물에 끼어들어 있습니다. 어떤 세포들은 피브로넥틴(fibronectin) 등의 다른 당단백질에 의해 세포외기질에 부착됩니다. 바로 세포막의 인테그린(integrin)이라는 세포 표면의 수용체 단백질과 피브로넥틴, 세포외기질 단백질이 결합합니다.

-세포 간 연접

동물은 밀착연접, 데스모솝, 간극연접 이 세 가지의 세포간 연접이 있으며, 모두 체내 상피조직에 있습니다. 밀착연접(tight junction)은 이웃하는 세포들의 막이 밀착해서 단단하게 붙어 있습니다. 세포 주변을 밀봉해 세포 외 용액이 빠져나가는 것을 막는 역할을 합니다. 데스모솜(desmosome)은 세포를 조여 근육의 근세포들을 연결합니다. 간극연접(gap junction)은 교통 연접이라고도 불리며, 가까운 세포 사이에 세포질 통로를 제공합니다. 즉, 구멍을 통해 다양한 분자들 및 이온 등이 통과합니다.

이렇게 이번에는 미토콘드리아와 엽록체, 퍼옥시즘, 세포골격, 세포벽, 세포외기질, 세포 간 연접 등에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 세포막에 대해 더 자세히 공부해 보겠습니다.