원핵생물이란 1(구조, 증식, 돌연변이)

저번 글에서는 동물과 식물에서 일어나는 바이러스성 질병과 프리온에 대해 공부했습니다. 이번 글에서는 원핵생물에 대해 더 자세히 알아보겠습니다. 

원핵생물의 구조와 증식

지구상에 존재한 최초의 생물체는 무엇일까요? 바로 약 35억 년 전에 살았던 원핵생물입니다. 대부분의 원핵생물은 단세포이지만 일부 종은 군체의 형태를 이룹니다. 전형적인 원핵세포의 지름은 진핵세포보다 훨씬 작습니다. 원핵세포의 세포벽은 세포 모양을 유지할 뿐만 아니라 물리적으로 보호하고, 세포가 저장액에서 파괴되는 것을 막아줍니다. 세포벽의 구조 및 조성은 진핵생물의 것과 다릅니다. 진핵세포의 세포벽은 셀룰로스나 키틴으로 이루어져 있으나 원핵세포의 경우 펩티도글리칸(peptidoglycan)으로 이루어져 있습니다. 펩티도글리칸은 폴리펩타이드로 연결된 변형된 당의 중합체가 망상구조를 이룬 것입니다. 고세균의 경우 세포벽에는 펩티도글리칸 대신 여러 다당류, 단백질이 있습니다.

 그람염색법(Gram stain)을 통해 세포벽의 구조를 기준으로 세균을 2가지로 분류 가능합니다. 첫 번째는 그람양성세균(Gram-positive)입니다. 펩티도글리칸의 함량이 높은 단순한 세포벽 구조를 가집니다. 두 번째는 그람음성세균(Gram-negative)으로, 세포벽이 펩티도글리칸의 양이 적고 구조가 복잡합니다. 세포벽의 바깥쪽에는 지질다당체(lipopolsaccharide)로 이루어진 막이 있습니다. 그람음성세균은 지질다당체의 지질 성분에 독성이 있고, 외막이 세균을 보호해주기도 합니다. 따라서 그람음성세균이 그람양성세균보다 항생제에 더 내성이 있는 편입니다. 원핵생물의 세포벽은 다당류나 단백질로 구성된 끈끈한 외층으로 둘러싸여 있습니다. 이 층이 명확하게 구분되면 협막(capsule)이라고 하며, 덜 명확하다면 점액층(slime layer)이라고 합니다. 협막과 점액층 모두 원핵생물의 부착, 숙주로부터의 공격을 막는 것을 돕습니다.

 또 하나의 중요한 특징은 내생포자(endospore)입니다. 세균은 물이나 영양분이 부족한 환경에서는 염색체를 복제한 후 단단한 여러 겹의 벽으로 내생포자를 형성합니다. 이것은 일종의 휴면상태로 수분은 거의 없고 물질대사도 일어나지 않습니다. 끓는 물에서도 생존 가능하기 때문에 멸균은 고압 조건에서 121도씨로 해야 합니다. 내생포자의 상태로 있다가 환경이 다시 좋아지면 대사를 원래대로 합니다. 또 일부 원핵생물은 핌브리아(fimbria)라는 털 같은 구조를 이용해 부착합니다. 핌브리아는 선모(pilus) 보다 짧고 개수는 많습니다.

-운동성

원핵생물의 약 절반은 방향성을 가지고 운동할 수 있는 주성(taxis)을 가집니다. 화학주성(chemotaxis)을 가진 원핵생물은 화학물질에 반응해 운동성을 보입니다. 또한 원핵생물의 운동에 관여하는 구조 중 하나가 바로 편모(flagella)입니다. 편모는 원핵세포와 진핵세포가 다릅니다. 원핵생물의 경우 편모의 폭이 좁고 원형질막으로 덮여 있지도 않습니다. 분자적 구성이나 추진 방식도 다릅니다. 따라서 세균, 고세균, 진핵생물의 편모는 각각 독립적으로 진화한 것으로 추정되고 있습니다. 세균의 편모는 모터, 고리, 필라멘트 이렇게 세 부분으로 나눕니다. 

-세포 내부 구조 및 DNA

 원핵세포는 진핵세포보다 세포의 내부 구조나 DNA 배열 등이 단순합니다. 내부가 생체막으로 나누어져 있지 않습니다.(물론 일부에서는 특수한 막 구조가 존재하기도 합니다.) 유전체는 진핵세포와 다르고 DNA 함량도 적습니다. 원형 염색체이고, 단백질은 상대적으로 적은 수가 결합합니다. 이와 비교해 진핵세포는 염색체가 선형이고, 막으로 둘러싸인 핵이 존재합니다. 원핵세포에는 막으로 둘러싸인 핵이 아닌 핵양체(nucleoid)가 있습니다. 또한 플라스미드(plasmid)라고 하는 염색체보다 작고 독립적으로 복제되는 DNA 분자가 있습니다.

-증식

원핵생물은 주로 이분법(binary fission)에 의해 하나의 세포가 2개로 분열하는 방식으로 증식합니다. 1~3시간마다 한 번씩 분열하며, 매우 빨리 증식 가능합니다. 현실적으로는 원핵세포가 무한정으로 증식할 수는 없습니다. 왜냐하면 영양물질이 제한적이고 대사 과정에서 독성물질도 생길 수 있기 때문입니다. 그러나 다른 생물과 비교했을 때 원핵생물은 작고, 이분법에 의해 증식하고, 세대 시간이 짧다고 정리할 수 있습니다.

-원핵생물의 돌연변이

원핵생물은 유성생식을 하지 않기 때문에 유전적 다양성이 있다는 것이 이상하게 보일 수 있습니다. 그러나 원핵세포는 빠르게 증식하고, 그 과정에서 돌연변이가 자주 일어납니다. 예를 들면 대장균에서 염기쌍 치환, 삽입, 결실 등의 변화가 나타나면 유전적 조성이 달라집니다. 또한 유전자 하나당 돌연변이가 발생할 확률이 낮아도 세대 시간이 짧으면 새 돌연변이가 진화의 속도를 높일 수 있습니다. 원핵생물은 진핵생물보다 간단한 것이지 진화적으로 보았을 때 하등의 원시적인 형태라고 보기는 어렵습니다. 이번 글에서는 이렇게 원핵생물의 기본적인 구조와 증식 방법에 대해 알아보았습니다. 다음 글에서는 이어서 유전자 재조합, 원핵생물의 물질대사 등에 대해 공부하겠습니다.