구독상품안내
[지구과학]
세포 구조의 알파와 오메가
세포는 모든 생물의 기능적, 구조적 기본 단위를 말한다. 대부분의 생물체는 세포 구조를 통해 그 특성을 알 수 있다. 이번 호에서는 세포 구조를 살펴보고 관련된 기본 개념들을 이해하도록 한다.
원핵세포와 진핵세포
원핵세포는 히스톤 단백질이 결합돼 있지 않은 원형 염색체를 갖고 있다. 막구조물을 갖고 있지 않으며 특히 유전물질이 막으로 둘러싸여 있지 않다. 리보솜의 크기와 모양도 진핵세포와 다르다. 소포체, 골지체 등의 막으로 구성된 세포 소기관이 없으며 미토콘드리아나 엽록체도 없는 대신 물질대사에 관여하는 효소들을 가진 세포막이 있다. 진핵세포의 세포벽이 셀룰로오스로 구성된 것과 달리 원핵세포의 세포벽은 펩티도글리칸으로 구성돼 있다. 원핵생물은 5계 분류체계에서는 원핵생물계에 해당한다. 요즘은 생물을 3영역(domain)으로 분류하는데, 세균영역과 고세균영역이 원핵세포로 돼 있을 정도로 방대한 분류군이다.
진핵세포는 핵막으로 둘러싸인 핵을 갖고 있다. 5계 분류체계에서 단세포성인 원생생물계와 균계, 식물계, 동물계를 이룬다. 최근 3영역 분류에서는 진핵생물영역을 구성한다. 진핵생물의 세포는 핵이 핵막에 둘러싸여 있다. DNA는 히스톤 단백질과 결합해 응축돼 있으며 선형이다. 세포질에는 막성 구조체인 소포체, 골지체 등이 있으며 물질대사를 담당하고 있는 미토콘드리아와 엽록체 등의 세포 소기관이 분화돼 있다.
세포 내 공생설
세포 내 공생설은 린 마굴리스가 주장한 가설로서, 서로 다른 특징을 갖고 있는 원핵생물들이 공생의 과정을 통해 다른 세포 내부에 살면서 진핵생물로 진화했다는 것이다. 이 가설에 따르면 미토콘드리아는 호기성 세균으로부터, 엽록체는 호기성 광합성 세균으로부터 유래했다.
세포 내 공생설을 지지하는 미토콘드리아나 엽록체의 특징으로 우선 미토콘드리아와 엽록체가 자체의 DNA를 갖고 있다는 점을 들 수 있다. 미토콘드리아나 엽록체가 필요로 하는 단백질들은 대부분 핵의 DNA가 만들지만, 몇몇 단백질과 리보솜은 자체 DNA로부터 합성된다. 미토콘드리아와 엽록체의 DNA는 원핵생물과 같이 원형이다. 또한 진핵세포는 리보솜의 크기도 다르다. 리보솜의 크기를 나타낼 때 원심분리 시 침강하는 정도를 보고 ‘S’라는 단위로 크기를 표기한다. 진핵세포는 80S 리보솜을 갖고 있지만 미토콘드리아와 엽록체는 원핵세포의 리보솜과 동일한 70S 리보솜을 갖고 있다. 마지막으로 각 생물들의 rRNA의 염기서열을 비교하면, 엽록체와 미토콘드리아의 rRNA가 세균의 것에 더 가깝다는 것을 알 수 있다.
1. 세균은 원핵생물이며 단세포로 돼 있고, 동물이나 식물 등 다세포 생물은 진핵생물이며 많은 세포로 이뤄져 있다. 또 다세포 생물의 세포는 세균의 크기에 비해 수백 내지 수천 배의 크기다.
1) [난이도 하] 다세포 생물이 진핵세포로 이뤄진 점에 대해 장단점을 설명하시오.
2) [난이도 중] 원핵세포와 진핵세포의 세포 내 구조물 차이로 인한 전사와 번역과정의 차이를 설명하시오.
3) [난이도 상] 진핵생물의 핵 내의 단백질은 어떻게 생성된 것일지 설명하시오.
전문가 클리닉
1) 원핵세포에 없는 진핵세포의 구조물들이 어떻게 다세포 생물의 복잡성을 만드는 데 도움이 되는지 생각해봅니다. 다세포 생물의 기능 분화와 이를 뒷받침하기 위한 세포의 구조적 변화에 필요한 조건들이 무엇일지 답해보세요.
2) 진핵세포의 전사와 번역은 시간적, 공간적으로 분리돼 일어납니다. 이러한 변화는 핵막이 존재하기 때문에 있는 것입니다.
3) 진핵생물은 핵 내에 단백질을 갖고 있습니다. 이들은 염색체의 꼬임과 접힘을 이끄는 히스톤 단백질, 세포분열에 관여하는 단백질, DNA중합효소, 전자 조절 인자, RNA중합효소 등입니다.
예시답안
1) 일반적으로 진핵세포는 원핵세포에 비해 크기가 크며 내부 막구조물이 있어서 세포를 유지하기 위한 과정과 세포 분열 과정이 복잡하고 더 많은 에너지가 소모된다. 따라서 급격한 환경변화에 대한 적응력이 원핵세포에 비해 약하다. 하지만 진핵세포는 세포막 안에 기능이 분화돼 있는 막구조물을 갖고 있으며 이를 통해 원핵세포가 할 수 없는 다양한 기능을 수행할 수 있다. 다세포 생물은 개체를 이루기 위해 세포 수준을 넘는 조직과 기관의 분화가 필수적이다. 이를 위해서는 각각의 세포가 특정한 기능을 수행하는 세포로 분화돼야 한다. 때문에 다세포 생물은 다양한 세포 소기관을 갖고 있는 진핵세
포로 구성돼야 한다.
2) 원핵세포의 유전물질은 핵양체라고 불리는 부분에 존재하며 세포질에 노출돼 있다. 하지만 진핵세포는 유전물질이 핵막에 의해 둘러싸여 있으며 세포질과 구분돼 있다. 원핵세포는 핵이 없기 때문에 DNA에서 mRNA가 만들어지는 전사와 mRNA에서 단백질이 합성되는 번역이 동시에 진행된다. 하지만 진핵세포에서는 핵막 내부에서 DNA를 토대로 mRNA가 합성되며, 이 mRNA는 핵공을 빠져나와 리보솜과 결합한 뒤 세포질이나 소포체에서 번역 과정을 마친다. 즉 원핵세포는 전사와 번역이 동시에 일어나지만 진핵세포는 전사는 핵막 안에서, 번역은 세포질이나 소포체에서 일어난다.
3) 단백질의 합성은 리보솜에서 일어나며 세포질 또는 소포체에서 번역과정이 진행된다. 그러므로 핵에 필요한 단백질도 핵이 아닌 세포질에서 합성된다. 이렇게 합성된 단백질은 핵막에 있는 핵공을 통해 핵 내부로 들어간다. 이를 위해 합성되는 초기에 단백질은 위치를 지정하는 신호서열을 갖고 있으며 이 신호서열이 인식되면 세포 내에서는 단백질을 핵으로 이동시킨다.
2. 진핵세포에 대한 다음 물음에 답하시오.
1) [난이도 중] 세포막 유동성을 보여줄 수 있는 실험을 구상해보시오.
2) [난이도 중] 크기와 농도가 같은 수용성 분자와 지용성 분자가 있다면 어느 것이 세포막을 더 잘 통과하겠는지, 그 이유는 무엇인지 설명하시오.
3) [난이도 상] 사람의 몸에는 핵이 없는 세포도 있다. 이 세포가 핵이 없어 갖는 장점은 무엇인가? 이 세포에 미토콘드리아와 같은 세포소기관은 있는지 설명하시오.
전문가 클리닉
1) 세포막의 유동성을 설명하는 유력한 모델인 유동 모자이크설을 설명하기 위해 인지질의 바다에 단백질이 떠있는 모습을 상상해봅시다. 이러한 유동성을 설명하기 위해 기존의 실험을 넘어 어떤 실험을 하면 좋을지 창의적인 발상이 필요합니다.
2) 문제의 의도상 단백질에 의한 수송을 제외하고 설명해야 합니다. 세포막을 구성하는 인지질 이중층의 성격을 인지질의 구조를 통해 설명하고, 수용성 분자와 지용성 분자가 세포막을 통과할 때 어떤 상황을 만나게 되는지 분자의 특성과 연관지어 생각해봅니다.
3) 우리 몸에서 적혈구는 핵이 없는 세포입니다. 정확히 말하면 발달과정에서 핵이 없어진 세포입니다. 적혈구의 본래의 기능에 충실하기 위해 적혈구가 어떤 선택을 했는지 생각해보세요. 그리고 미토콘드리아가 적혈구에 있다면 어떤 영향을 줄지 생각해봅시다.
예시답안
1) 막 단백질은 인지질층의 유동성 때문에 고정돼 있지 않고 그 위치가 변할 수 있다. 세포막의 유동성을 증명하기 위해서 막 단백질에 형광 표지자를 붙여 일부분을 제거하거나
서로 다른 세포를 융합해 관찰하는 실험을 설계할 수 있다. 실제로는 다음의 실험에서 유동성을 증명했다. 1970년 실시된 한 실험에서 쥐의 세포 막 단백질에 녹색형광 항체를 붙이고, 사람의 세포 막 단백질에 적색형광 항체를 부착시켰다. 이후 쥐의 세포와 인간의세포를 융합시켜 시간에 따라 형광물질을 관찰해보면 처음에는 서로 다른 형광의 구역이 나뉘어 있다가 시간이 지나면서 형광이 섞여 나타나는 걸 볼 수 있다. 이를 통해 세포막이 유동성을 갖고 있음을 알 수 있다.
2) 크기와 농도가 같다면 단백질에 의한 수송을 제외할 때 지용성 분자가 더 잘 통과한다. 세포막을 구성하는 인지질은 친수성 머리 부분과 소수성 꼬리 부분으로 구성돼 있어 친수성 부분이 막의 바깥쪽을 향하고 소수성 꼬리 부분이 안쪽을 향하고 있기 때문이다. 수용성 물질은 극성을 가진 이온이나 분자들이 많은데, 이러한 분자들은 무극성인 소수성 부분을 지나기 어렵다. 반면 지용성 분자들은 대부분 무극성 분자들로서 인지질 이중층의 소수성 부분을 지나기 쉽다. 그러므로 지용성 분자들이 세포막을 더 잘 통과한다.
3) 사람의 몸에서 핵이 없는 세포는 적혈구다. 골수에서 혈구가 생성될 때 미성숙 적혈구는 핵을 갖고 있지만 성숙과정에서 탈핵(핵을 세포 밖으로 밀어냄) 과정을 거치면서 핵이 존재하지 않는 세포가 된다. 핵은 세포에서 가장 큰 세포소기관으로 핵이 없어진 적혈구는 세포막 안에 많은 공간을 산소를 운반하는 단백질인 헤모글로빈을 저장하는 데 사용할 수 있다. 적혈구는 핵뿐 아니라 미토콘드리아도 없다. 적혈구는 산소를 운반하는 세포인데 만약 적혈구에 미토콘드리아가 있다면 헤모글로빈이 갖고 있는 산소를 미토콘드리아가 소모해, 적혈구 본래의 기능인 산소운반 기능을 수행할 수 없다. 1
[생물]
지형류의 발생
해수의 밀도가 깊이에 따라 급격하게 변하는 해수층을 밀도 약층이라 한다. 표층 해류는 이 밀도 약층 위에 나타나는 물의 흐름으로서 발생 메커니즘에 따라 취송류(에크만 수송), 지형류, 경사류 등으로 구분할 수 있다. 이번 호에서는 지형류의 원리에 대해 자세히 알아보자.
세포 구조의 알파와 오메가
세포는 모든 생물의 기능적, 구조적 기본 단위를 말한다. 대부분의 생물체는 세포 구조를 통해 그 특성을 알 수 있다. 이번 호에서는 세포 구조를 살펴보고 관련된 기본 개념들을 이해하도록 한다.
원핵세포와 진핵세포
원핵세포는 히스톤 단백질이 결합돼 있지 않은 원형 염색체를 갖고 있다. 막구조물을 갖고 있지 않으며 특히 유전물질이 막으로 둘러싸여 있지 않다. 리보솜의 크기와 모양도 진핵세포와 다르다. 소포체, 골지체 등의 막으로 구성된 세포 소기관이 없으며 미토콘드리아나 엽록체도 없는 대신 물질대사에 관여하는 효소들을 가진 세포막이 있다. 진핵세포의 세포벽이 셀룰로오스로 구성된 것과 달리 원핵세포의 세포벽은 펩티도글리칸으로 구성돼 있다. 원핵생물은 5계 분류체계에서는 원핵생물계에 해당한다. 요즘은 생물을 3영역(domain)으로 분류하는데, 세균영역과 고세균영역이 원핵세포로 돼 있을 정도로 방대한 분류군이다.
진핵세포는 핵막으로 둘러싸인 핵을 갖고 있다. 5계 분류체계에서 단세포성인 원생생물계와 균계, 식물계, 동물계를 이룬다. 최근 3영역 분류에서는 진핵생물영역을 구성한다. 진핵생물의 세포는 핵이 핵막에 둘러싸여 있다. DNA는 히스톤 단백질과 결합해 응축돼 있으며 선형이다. 세포질에는 막성 구조체인 소포체, 골지체 등이 있으며 물질대사를 담당하고 있는 미토콘드리아와 엽록체 등의 세포 소기관이 분화돼 있다.
세포 내 공생설
세포 내 공생설은 린 마굴리스가 주장한 가설로서, 서로 다른 특징을 갖고 있는 원핵생물들이 공생의 과정을 통해 다른 세포 내부에 살면서 진핵생물로 진화했다는 것이다. 이 가설에 따르면 미토콘드리아는 호기성 세균으로부터, 엽록체는 호기성 광합성 세균으로부터 유래했다.
세포 내 공생설을 지지하는 미토콘드리아나 엽록체의 특징으로 우선 미토콘드리아와 엽록체가 자체의 DNA를 갖고 있다는 점을 들 수 있다. 미토콘드리아나 엽록체가 필요로 하는 단백질들은 대부분 핵의 DNA가 만들지만, 몇몇 단백질과 리보솜은 자체 DNA로부터 합성된다. 미토콘드리아와 엽록체의 DNA는 원핵생물과 같이 원형이다. 또한 진핵세포는 리보솜의 크기도 다르다. 리보솜의 크기를 나타낼 때 원심분리 시 침강하는 정도를 보고 ‘S’라는 단위로 크기를 표기한다. 진핵세포는 80S 리보솜을 갖고 있지만 미토콘드리아와 엽록체는 원핵세포의 리보솜과 동일한 70S 리보솜을 갖고 있다. 마지막으로 각 생물들의 rRNA의 염기서열을 비교하면, 엽록체와 미토콘드리아의 rRNA가 세균의 것에 더 가깝다는 것을 알 수 있다.
1. 세균은 원핵생물이며 단세포로 돼 있고, 동물이나 식물 등 다세포 생물은 진핵생물이며 많은 세포로 이뤄져 있다. 또 다세포 생물의 세포는 세균의 크기에 비해 수백 내지 수천 배의 크기다.
1) [난이도 하] 다세포 생물이 진핵세포로 이뤄진 점에 대해 장단점을 설명하시오.
2) [난이도 중] 원핵세포와 진핵세포의 세포 내 구조물 차이로 인한 전사와 번역과정의 차이를 설명하시오.
3) [난이도 상] 진핵생물의 핵 내의 단백질은 어떻게 생성된 것일지 설명하시오.
전문가 클리닉
1) 원핵세포에 없는 진핵세포의 구조물들이 어떻게 다세포 생물의 복잡성을 만드는 데 도움이 되는지 생각해봅니다. 다세포 생물의 기능 분화와 이를 뒷받침하기 위한 세포의 구조적 변화에 필요한 조건들이 무엇일지 답해보세요.
2) 진핵세포의 전사와 번역은 시간적, 공간적으로 분리돼 일어납니다. 이러한 변화는 핵막이 존재하기 때문에 있는 것입니다.
3) 진핵생물은 핵 내에 단백질을 갖고 있습니다. 이들은 염색체의 꼬임과 접힘을 이끄는 히스톤 단백질, 세포분열에 관여하는 단백질, DNA중합효소, 전자 조절 인자, RNA중합효소 등입니다.
예시답안
1) 일반적으로 진핵세포는 원핵세포에 비해 크기가 크며 내부 막구조물이 있어서 세포를 유지하기 위한 과정과 세포 분열 과정이 복잡하고 더 많은 에너지가 소모된다. 따라서 급격한 환경변화에 대한 적응력이 원핵세포에 비해 약하다. 하지만 진핵세포는 세포막 안에 기능이 분화돼 있는 막구조물을 갖고 있으며 이를 통해 원핵세포가 할 수 없는 다양한 기능을 수행할 수 있다. 다세포 생물은 개체를 이루기 위해 세포 수준을 넘는 조직과 기관의 분화가 필수적이다. 이를 위해서는 각각의 세포가 특정한 기능을 수행하는 세포로 분화돼야 한다. 때문에 다세포 생물은 다양한 세포 소기관을 갖고 있는 진핵세
포로 구성돼야 한다.
2) 원핵세포의 유전물질은 핵양체라고 불리는 부분에 존재하며 세포질에 노출돼 있다. 하지만 진핵세포는 유전물질이 핵막에 의해 둘러싸여 있으며 세포질과 구분돼 있다. 원핵세포는 핵이 없기 때문에 DNA에서 mRNA가 만들어지는 전사와 mRNA에서 단백질이 합성되는 번역이 동시에 진행된다. 하지만 진핵세포에서는 핵막 내부에서 DNA를 토대로 mRNA가 합성되며, 이 mRNA는 핵공을 빠져나와 리보솜과 결합한 뒤 세포질이나 소포체에서 번역 과정을 마친다. 즉 원핵세포는 전사와 번역이 동시에 일어나지만 진핵세포는 전사는 핵막 안에서, 번역은 세포질이나 소포체에서 일어난다.
3) 단백질의 합성은 리보솜에서 일어나며 세포질 또는 소포체에서 번역과정이 진행된다. 그러므로 핵에 필요한 단백질도 핵이 아닌 세포질에서 합성된다. 이렇게 합성된 단백질은 핵막에 있는 핵공을 통해 핵 내부로 들어간다. 이를 위해 합성되는 초기에 단백질은 위치를 지정하는 신호서열을 갖고 있으며 이 신호서열이 인식되면 세포 내에서는 단백질을 핵으로 이동시킨다.
2. 진핵세포에 대한 다음 물음에 답하시오.
1) [난이도 중] 세포막 유동성을 보여줄 수 있는 실험을 구상해보시오.
2) [난이도 중] 크기와 농도가 같은 수용성 분자와 지용성 분자가 있다면 어느 것이 세포막을 더 잘 통과하겠는지, 그 이유는 무엇인지 설명하시오.
3) [난이도 상] 사람의 몸에는 핵이 없는 세포도 있다. 이 세포가 핵이 없어 갖는 장점은 무엇인가? 이 세포에 미토콘드리아와 같은 세포소기관은 있는지 설명하시오.
전문가 클리닉
1) 세포막의 유동성을 설명하는 유력한 모델인 유동 모자이크설을 설명하기 위해 인지질의 바다에 단백질이 떠있는 모습을 상상해봅시다. 이러한 유동성을 설명하기 위해 기존의 실험을 넘어 어떤 실험을 하면 좋을지 창의적인 발상이 필요합니다.
2) 문제의 의도상 단백질에 의한 수송을 제외하고 설명해야 합니다. 세포막을 구성하는 인지질 이중층의 성격을 인지질의 구조를 통해 설명하고, 수용성 분자와 지용성 분자가 세포막을 통과할 때 어떤 상황을 만나게 되는지 분자의 특성과 연관지어 생각해봅니다.
3) 우리 몸에서 적혈구는 핵이 없는 세포입니다. 정확히 말하면 발달과정에서 핵이 없어진 세포입니다. 적혈구의 본래의 기능에 충실하기 위해 적혈구가 어떤 선택을 했는지 생각해보세요. 그리고 미토콘드리아가 적혈구에 있다면 어떤 영향을 줄지 생각해봅시다.
예시답안
1) 막 단백질은 인지질층의 유동성 때문에 고정돼 있지 않고 그 위치가 변할 수 있다. 세포막의 유동성을 증명하기 위해서 막 단백질에 형광 표지자를 붙여 일부분을 제거하거나
서로 다른 세포를 융합해 관찰하는 실험을 설계할 수 있다. 실제로는 다음의 실험에서 유동성을 증명했다. 1970년 실시된 한 실험에서 쥐의 세포 막 단백질에 녹색형광 항체를 붙이고, 사람의 세포 막 단백질에 적색형광 항체를 부착시켰다. 이후 쥐의 세포와 인간의세포를 융합시켜 시간에 따라 형광물질을 관찰해보면 처음에는 서로 다른 형광의 구역이 나뉘어 있다가 시간이 지나면서 형광이 섞여 나타나는 걸 볼 수 있다. 이를 통해 세포막이 유동성을 갖고 있음을 알 수 있다.
2) 크기와 농도가 같다면 단백질에 의한 수송을 제외할 때 지용성 분자가 더 잘 통과한다. 세포막을 구성하는 인지질은 친수성 머리 부분과 소수성 꼬리 부분으로 구성돼 있어 친수성 부분이 막의 바깥쪽을 향하고 소수성 꼬리 부분이 안쪽을 향하고 있기 때문이다. 수용성 물질은 극성을 가진 이온이나 분자들이 많은데, 이러한 분자들은 무극성인 소수성 부분을 지나기 어렵다. 반면 지용성 분자들은 대부분 무극성 분자들로서 인지질 이중층의 소수성 부분을 지나기 쉽다. 그러므로 지용성 분자들이 세포막을 더 잘 통과한다.
3) 사람의 몸에서 핵이 없는 세포는 적혈구다. 골수에서 혈구가 생성될 때 미성숙 적혈구는 핵을 갖고 있지만 성숙과정에서 탈핵(핵을 세포 밖으로 밀어냄) 과정을 거치면서 핵이 존재하지 않는 세포가 된다. 핵은 세포에서 가장 큰 세포소기관으로 핵이 없어진 적혈구는 세포막 안에 많은 공간을 산소를 운반하는 단백질인 헤모글로빈을 저장하는 데 사용할 수 있다. 적혈구는 핵뿐 아니라 미토콘드리아도 없다. 적혈구는 산소를 운반하는 세포인데 만약 적혈구에 미토콘드리아가 있다면 헤모글로빈이 갖고 있는 산소를 미토콘드리아가 소모해, 적혈구 본래의 기능인 산소운반 기능을 수행할 수 없다. 1
[생물]
지형류의 발생
해수의 밀도가 깊이에 따라 급격하게 변하는 해수층을 밀도 약층이라 한다. 표층 해류는 이 밀도 약층 위에 나타나는 물의 흐름으로서 발생 메커니즘에 따라 취송류(에크만 수송), 지형류, 경사류 등으로 구분할 수 있다. 이번 호에서는 지형류의 원리에 대해 자세히 알아보자.
