세포
세포(細胞)는 지구상 대다수 유기체의 기본 구조 및 활동 단위이다. 박테리아 등의 유기체는 단지 세포 하나로 이루어진 단세포 생물이다. 반면, 인간을 포함한 다른 유기체는 다세포이며, 인간의 경우 대략 60조 개 이상의 세포로 구성되어 있다.
세포 이론은 1838년 마티아스 야코프 슐라이덴은 식물체에 대해, 1839년 테오도르 슈반에 의해 세포가 몸을 구성하는 단위가 된다고 주장하였다. 그리고 1855년 피르호가 모든 세포는 세포로부터 만들어진다고 하여 세포설이 확립되었다. 이 이론은 모든 유기체는 하나 이상의 세포로 구성되어 있으며, 모든 세포는 기존의 세포에서 출발했고, 모든 생명 활동 역시 세포에 기반하며, 마지막으로 세포는 스스로의 기능을 정의하고 다음 세대로 정보를 넘겨주기 위해 어떠한 방식으로든 유전 정보를 가지고 있을 것이라고 설명하였다.
세포의 영어 낱말 cell(셀)은 작은 방을 의미하는 라틴어의 "켈라(cella)"에서 유래하였다. 이 이름은 1665년 로버트 훅이 현미경으로 관찰하였던 코르크 세포를 수도승이 살던 작은 방에 비유한데서 유래하였다.
각 세포는 적어도 그 자체로 완전하며, 스스로 활동 가능하다. 즉 영양소를 받아들여서 에너지로 전환하고, 고유한 기능을 수행하며, 필요에 의해 번식할 수도 있는 것이다. 각 세포는 이러한 여러 활동을 수행하기 위한 각각의 소기관을 지니고 있다.
모든 세포는 다음과 같은 능력을 공유하고 있다.
세포를 분류하는 하나의 방법은 스스로 살아가는가, 집단을 이루어 살아가는가 하는 것이다. 유기체는 홀로 혹은 군체를 이루어 독립적으로 살아가는 단세포 형태에서, 각각의 세포가 특화되어 있는 다세포 형태에 이르기까지 다양한 종류가 있다. 인체를 구성하는데는 220 종류의 세포 및 조직이 필요하다.
세포는 또한 내부 구조에 따라 두 가지로 분류될 수 있다.
세포의 형태는 생물의 종류에 따라, 또 같은 생물이라도 조직이나 기관의 종류에 따라 다종다양하다. 그것은 세포의 기능과도 관계가 있지만 외부 요인, 예를 들어 기계적인 압력이나 표면 장력 등에 의해서도 결정된다. 단일 세포는 보통 공모양이 되기 쉽지만 특별한 것(구균)을 제외하면 공모양의 세포는 드물다. 실제로는 공모양이나 약간 변형된 타원체가 된 것(난세포·꽃가루 세포·세균 따위), 세포 표면에 편모나 섬모가 나 있는 것〔(정자·유주자(遊走子)·여러 가지 원생 동물> 등이 있다. 또 아메바·백혈구·점균의 변형체처럼 일정한 형태를 갖지 않고 모양이 끊임없이 바뀌는 세포도 있다.
원핵세포든 진핵세포든 모든 세포는 세포막을 지니고 있다. 세포막은 세포 내부와 외부를 구분지으며, 내부와 외부의 물질 교류를 조절하며, 또한 세포 전이를 유지한다. 세포막 내부에는 염분성의 세포질이 거의 전부를 차지한다. 모든 세포는 유전자를 가지고 있는 DNA와, 효소 등의 단백질을 유전자 발현시키는데 필요한 정보를 가진 RNA를 가지고 있다. 그 외에도 여러 종류의 생체분자 역시 존재하지만, 여기에서는 주요한 세포 구성요소와 기능에 대한 간략한 설명만을 다룬다.
세포막의 가장 큰 역할은 세포내부와 외부를 경계짓는 것이다. 세포막은 일반적으로 지질 이중층(지방형태의 분자)와 단백질로 구성되어 있다. 이러한 세포막 내부에는 영양분 및 부산물을 세포 내부 및 외부로 수송하기 위한 통로 및 펌프 역할을 하는 다양한 종류의 분자가 있다.
세포골격은 중요하면서도 복잡하고 유동적인 구성 요소이다. 주로 하는 일은 세포의 형태를 정의하고 유지하는 것이다. 즉 각각의 세포소기관을 제자리에 고정시키며, 외부 물질을 받아들이는 과정인 세포내 이입을 도와준다. 또한 성장 및 운동시에 세포의 부분을 움직여주는 역할도 한다. 세포골격에는 수많은 단백질이 필요한데, 각각은 방향을 정하고, 서로 묶어주고, 정렬해주는 식으로 세포의 형태를 유지해준다.
DNA와 RNA이라는 두 가지의 유전 물질이 존재한다. 대부분의 유기체는 오랜기간 정보를 저장하기 위해 DNA를 사용하지만, 일부 바이러스(레트로바이러스 등)는 RNA을 이용하여 유전정보를 저장한다. 각 유기체에 해당하는 정보는 DNA나 RNA 순서에 암호화되어 저장된다. 또한 RNA는 mRNA 및 리보솜 RNA를 통해 정보 전달 및 효소 합성등에도 사용된다.
원핵세포의 유전 물질은 세포질의 핵양체 영역에 있는 단순한 순환 DNA 분자(세균 염색체)에 저장된다. 진핵세포의 유전 물질은 따로 존재하는 세포핵 내부에 직선 DNA 형태로 저장된다. 또한 이와는 별개로 추가적인 유전 물질이 미토콘드리아나 엽록체와 같은 세포소기관에 존재하기도 한다.
예를들어, 인간 세포에서 유전 물질 중 유전체는 세포핵에, 미토콘드리아 유전체는 미토콘드리아에 존재한다. 세포핵 유전자는 염색체라고 불리는 46개의 직선 DNA 분자구조로 구성되어 있다. 미토콘드리아 유전체는 세포핵 DNA와는 달리 순환 구조를 지닌다. 미토콘드리아 유전체는 매우 적지만, 중요한 단백질을 합성한다.
외부의 유전 물질(대개는 DNA)이 인공적으로 세포에 주입될 수도 있다. 이 과정은 형질주입이라고 한다. 주입된 DNA가 원래 세포의 유전체에 성공적으로 추가되지 않는다면 주입된 DNA는 일시적으로 존재할 뿐이지만, 성공적으로 추가된다면 안정된 상태로 유지될 수 있다.
인체는 심장, 폐, 콩팥 등과 같은 많은 종류의 장기를 가지고 있으며, 각각은 각자의 기능을 수행한다. 세포 역시 세포소기관이라고 불리는 작은 기관으로 구성되어 있으며, 각 기관은 각자의 역할을 수행한다. 진핵세포의 경우, 각 기관 역시 세포막에 싸여있다.원핵세포는 세포핵을 둘러싸는 핵막이 없다는 점에서 진핵세포와 큰 차이를 지닌다. 또한 진핵세포에게서 특징적인 세포간의 소기관 및 구조물을 가지고 있지 않다. 중요한 예외는 리보솜으로, 진핵세포와 원핵세포에 모두 존재한다. 미토콘드리아, 골지장치, 엽록체와 같은 세포소기관의 대부분의 기능은 원핵세포에서는 세포막이 담당한다. 원핵세포는 3개의 영역을 지닌다. 편모와 필리(세포 표면에 붙어 있는 단백질)라고 불리는 부속 기관 영역, 피막, 세포벽, 세포막으로 구성된 세포외막(cell envelope) 영역, 마지막으로 유전체(DNA) 와 리보솜 및 여러가지 세포 물질을 포함한 세포질 영역이 바로 그것이다.
세포에는 진핵세포와 원핵세포 두 종류가 있다. 원핵세포가 일반적으로 그 스스로 생명체인것에 비해 진핵세포는 일반적으로 다세포 유기체에서 발견된다. 진핵세포는 일반적인 원핵세포에 비해 10배 가량 크고, 부피로 따지면 1000배나 크다. 원핵세포와 진핵세포의 가장 큰 차이는 진핵세포의 경우 특정 세포대사를 하는 세포의 일부분이 세포막에 둘러 싸여 있다는 것이다. 가장 중요한 부분은 세포핵이며 진핵세포의 DNA를 가지고 있는 부분을 세포막으로서 경계짓고 있다. 진핵세포의 진핵(眞核)이라는 이름 역시 "진실된 세포핵"이 있다는 의미이다.
기타 차이점은 다음과 같다.
세포분열과 다음번 세포분열 사이에는 대사과정을 통해 세포가 성장한다. 세포대사는 세포가 영양소를 처리하는 과정이다. 세포대사는 크게 두 과정으로 이루어진다. 하나는 에너지를 얻기 위해 복잡한 분자를 쪼개는 과정인 분해대사이며, 다른 하나는 복잡한 분자를 구성하고 다른 기능을 수행하기 위해 에너지를 사용하는 과정인 합성대사이다. 예로, 복잡한 분자인 설탕은 보다 덜 복잡한 글루코스라는 다당류로 분해된다. 글루코스는 두 경로를 통해 에너지 형태인 아데노신 삼인산(ATP)으로 더욱 쪼개어진다.
첫 번째 경로는 해당(解糖) 과정이다. 해당 과정은 산소를 필요로 하지 않으며 무산소성 대사라고도 한다. 각 반응은 수소 이온을 생성하며, 이는 에너지 단위인 ATP를 얻기 위해 사용된다. 원핵세포에서 해당과정은 에너지를 전환하는 유일한 방법이다. 진핵세포에서 가능한 두 번째 경로는 크레브스 회로 혹은 구연산 회로라고 불리는 과정이다. 이는 미토콘드리아에서 일어나며, 모든 세포 기관을 동작시킬만큼의 충분한 ATP를 생산할 수 있다.
세포분열은 하나의 모세포가 두 개의 딸세포로 분해되는 과정이다. 이 과정은 다세포 생물에서는 성장을 의미하며, 단세포 생물에서는 생식을 의미한다. 원핵세포는 이분열에 의해 분열되며, 진핵세포는 대개 유사분열이라 불리는 세포핵분열 과정을 거친 뒤 세포질 분열 과정을 통해 세포분열을 한다. 이배체 세포는 일배체 세포를 만들기 위해 감수분열을 한다. 일배체는 다세포 생물에서 생식자의 역할을 수행하며, 새로운 이배체 세포를 구성하기 위해 세포핵융합을 한다.
DNA 복제는 세포분열이 일어날때마다 필요하다. 복제는 다른 세포 기능과 마찬가지로 기능을 수행하기 위해 특정한 단백질을 필요로 한다.
단백질 합성은 세포가 단백질을 생산해내는 과정이다. DNA 전사는 mRNA(전령 RNA) 분자를 DNA 주형으로부터 합성해내는 과정을 의미한다. 이 과정은 DNA 복제와 아주 유사하다. mRNA가 생성된 후에는 새로운 단백질 분자가 번역 과정을 통해 합성된다.
단백질 합성을 담당하는 세포 기관은 리보솜이다. 리보솜은 RNA으로 구성되어 있으며 대략 80개의 서로 다른 단백질로 구성된다. 리보솜이 mRNA를 만나면, mRNA를 단백질로 번역하는 과정이 시작된다. 리보솜은 단백질의 구성요소인 아미노산을 가지고 있는 tRNA(전달 RNA)를 받아들인다. tRNA는 mRNA와 단백질간의 변환기로 작용한다. 아미노산은 점점 자라나서 폴리펩타이드 고리를 형성하며, 결국에는 단백질이 된다.
단백질은 1차구조, 2차구조, 3차구조, 4차구조로 이루어지는데, 총 20종류의 아미노산이 어떻게 연결되는지에 따라 다르게 만들어진다. 이러한 구조별로 무한히 많은 단백질이 만들어진다고 보인다.
1차구조에 의해 아미노산들이 배열을 하게된다.
2차구조에 의해, 나선이나 병풍구조 혹은 아무 규칙성이 없이 아무렇게나 꼬여있는 상태를 만들게 되고, 대표적인 예로 사람의 손톱과 모발을 구성하는 단백질인 케라틴을 들 수 있다.
3차구조는 2차구조를 가진 단백질들이 공간적으로 꼬이고, 구부러지고 접히면서 입체구조를 갖게 된다. 이때 단백질 접힘(protein folding)현상이 나타난다. 예로는 세포의 원형질 속에 들어있는 대부분의 구형의 효소들이다.
4차구조는, 3차구조를 지닌 단백질 분자들이 두개 이상 모여서 집합체를 형성하면서 만들어진다. 이런 과정을 거치며 생물학적 기능을 나타낸다. 예로서 헤모글로빈이 있다.
세포의 기원은 생명의 기원과 동일하며, 생명의 진화에서 가장 중요한 단계의 하나이다. 세포의 탄생은 생명 이전의 화학 물질에서 생물학적인 생명체로의 길을 만들었다.
생명이란 것을 DNA 분자라는 자기복제기의 개념으로 생각한다면, 세포는 두 개의 기본 목적을 만족한다. 즉 외부 환경에서의 보호와 생화학적인 행위의 국한이 그것이다. 외부 환경에서의 보호는 약한 DNA 고리를 변화하는 특히 해로운 환경에서 지키는 것이며, 세포가 진화하는 가장 큰 이유의 하나이다. 생화학적인 행위의 국한은 생물학적인 진화를 위해서 필수적이다. 세포에 포함되어 있지 않은 채 자유롭게 다니는 (즉 국한되지 않은) DNA 분자도 역시 효소를 생성하지만, 이 효소는 생산한 DNA 뿐만 아니라 주변의 DNA에도 이득(예를 들어 뉴클레오타이드 생산 등)을 준다. 즉 누군가 운 좋은 DNA 분자가 변이로부터 보다 나은 효소를 생산할 수 있는 능력을 얻게 되었다고 하더라도 이를 공유할 수 있으므로 DNA 분자는 선택의 압력을 훨씬 낮게 느끼게 된다.
만약 모든 DNA 분자가 세포 내에 존재한다면, 즉 생화학적인 행위가 세포 내부에 국한된다면, DNA가 생성하는 효소 역시 DNA 근처에 유지된다. DNA 분자는 다른 DNA가 생산하는 것이 아닌 자신이 생산하는 효소의 이득을 직접적으로 누리게 된다. 이는 다른 DNA 분자는 주변 DNA 분자의 긍정적인 변이로부터 어떠한 이득도 얻지 못하는 것임을 의미한다. 다시 말하면 긍정적인 변이는 변이를 포함하고 있는 세포 그 자체에게만 이득을 준다는 것이다. 이것이 현재 우리가 알고있는 생명의 진화의 가장 큰 요인인 것으로 생각된다. (이 설명은 단지 단순화된 설명일뿐이다. 실제 세포 등장 이전의 생명 형태의 분자구조는 RNA 형태였으며, 이는 복제기와 효소의 역할을 동시에 수행한다. 하지만 중심 이론은 동등하다.)
생화학적으로, 프로티노이드로 구성되는 세포 형태의 타원체는 인산을 촉매로 사용해서 아미노산을 가열하면 관찰할 수 있다. 프로티노이드는 세포막의 여러 기본적인 기능을 가지고 있다. RNA 분자를 포함한 프로티노이드 기반의 원시 세포는 지구상에 처음으로 등장한 세포 형태일 가능성이 있다.
또 다른 이론은 고대 연안의 격한 바닷가가 거대한 실험실과 같은 역할을 해서 최초의 세포를 만들기 위한 엄청난 수의 실험을 진행했다는 것이다. 해안에 부딪혀 부서지는 파도는 거품을 만들어낸다. 바다에 불어오는 바람은 표류물을 해안으로 가져오는 것처럼 물질을 해안으로 가져온다. 유기 분자 역시 같은 방식으로 해안선에 집중되었을 가능성이 있다. 얕은 해수는 따뜻했을 것이며, 증발을 통해 더욱 분자 농도를 증가시켰다. 대부분이 수분으로 구성된 거품은 순간적으로 사라진것과는 달리, 유성의 거품은 보다 안정하며 이른바 "실험"에 보다 많은 시간을 제공했을 것이다. 인지질은 생물 발생 이전의 바다에서 풍부했던 일반적인 유성 성분의 예이다. 인지질은 또한 중요한 특징을 가지는데, 같이 연결되면 이중 지방층 세포막을 형성할 수 있는 것이다. 단일 지방층은 유분만을 포함할 수 있으며, 수용성의 유기 분자를 내포할 수 없다. 반면 이중 지방층은 수분을 포함할 수 있으며, 이후 세포막을 구성했으리라 생각된다.
진핵세포는 원핵세포의 공생에서 진화한 것으로 생각된다. 특히 미토콘드리아나 엽록체와 같은 스스로의 DNA를 가지고 있는 세포소기관은 각각 세균이나 남조류가 과거 공생한 흔적이 아닐까 생각된다. 반면 이들을 포함하는 세포는 과거 고세균으로부터 유래한 것이라는 생각이다. 이러한 이론을 내부공생설이라고 한다.
하지만 수소발생소포(hydrogenosome)와 같은 세포소기관이 미토콘드리아에 앞서 있었는가 혹은 그 반대인가 하는 논쟁은 현재 진행 중이다. 진핵세포의 기원에 관해서는 수소 가설을 참조하기 바란다.
생물체는 생물체 내에서 일어나는 화학반응(물질대사)를 통하여 생명활동에 필요한 에너지를 얻을 뿐만 아니라 생물체의 구성 성분을 합성하기도한다. 생명체 내에서 일어나는 물질대사 중 이화작용은 생물체가 섭취한 영양소를 분해하여 에너지를 만들어 내는 반응이고, 동화작용은 이화작용으로 생성된 에너지를 이용하여 간단한 화합물로부터 복잡한 구조의 화합물을 만들어 내는 반응이다.