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지구를 구성하는 각 권역은 상호작용을 통해 유지되는 하나의 커다란 시스템이다. 이와 마찬가지로 생명체도 단순히 세포들의 집합이 아니다. 각 세포들이 모여 조직과 기관을 구성하고, 이 조직과 기관들은 각자의 기능을 수행함과 동시에 서로 상호작용 하면서 하나의 생명 시스템을 이룬다. 

지금 이 순간에도 생명체를 이루는 세포 안에서는 여러소기관이 자신의 기능을 수행하면서 세포의 생명을 유지하기 위해 서로 끊임없이 협력하고 있다. 세포는 세포막을 통해 세포 안팎으로 끊임없이 물질의 출입을 조절한다. 또한, 세포 내 정보의 흐름을 이용해 생명 활동에 필요한 다양한 단백질을 합성하기도 한다.

[1. 생명체의 구성]

생명 시스템을 구성하는 기본 단위, 세포

눈에 보이지 않을 만큼 작은 아메바부터 아프리카 초원을 여유롭게 거니는 거대한 코끼리까지. 생명체는 그 크기에 상관없이 모두 세포라는 기본 단위로 이뤄져 있다. 다만 아메바와 같은 단세포 생물은 하나의 세포로 생명 활동을 유지하지만, 코끼리와 같은 다세포 생물은 수많은 세포가 모여 조직을 이루고, 조직이 모여 기관을 이루며, 기관이 모여서 하나의 개체가 된다. 이들은 끊임없이 서로 상호작용하고 있다.

세포에서는 개체의 생존에 필요한 다양한 생명현상이 나타난다. 이는 세포 내에 서로 다른 기능을 하는 다양한 소기관들이 있음을 의미한다. 세포는 기능과 역할이 잘 분업화된 ‘세상에서 가장 작은 공장’과 같다.

세포의 구조

핵은 유전 물질인 DNA를 갖고 있으며, 세포의 구조와 기능을 결정함과 동시에 생명체를 이루는 유전정보를 저장하고 있다. 세포에서 일어나는 생명활동의 중추라고 할 수 있다.

미토콘드리아는 세포 호흡이 일어나는 장소로 동물세포와 식물세포에 모두 존재한다. 산소를 소비하면서 포도당을 물과 이산화탄소로 분해하고, 생명활동에 필요한 에너지를 얻는다.

엽록체는 식물세포에만 존재하는 소기관으로, 빛에너지를 이용해 물과 이산화탄소를 포도당으로 바꾸는 ‘광합성’을 한다.

막의 구조가 아닌 작은 알갱이 모양의 세포 소기관인 리보솜은 단백질을 합성한다. 리보솜에서 합성된 단백질은 소포체를 통해 골지체 또는 세포의 다른 곳으로 운반된다. 골지체는 단백질을 세포 밖으로 분비하는 데 관여한다.

모든 세포는 세포막으로 둘러싸여 있다. 세포막은 세포안을 주변 환경으로부터 분리하고, 세포 안팎으로 물질의 출입을 조절한다. 식물세포는 동물세포와 달리 세포막 바깥쪽에 단단한 세포벽을 갖고 있는데, 이는 식물세포 자체를 보호하고 세포의 형태를 유지하는 데 중요한 역할을 한다.

또한 식물세포에는 물, 색소, 노폐물 등을 저장하는 소기관인 액포가 크게 발달해 있다.

세포막

세포막은 세포를 둘러싸고 있는 얇은 막으로, 여러 물질이 이 막을 통해 세포 안팎으로 이동한다. 하지만 세포벽과 달리 세포막은 물질의 종류에 따라 어떤 물질은 잘 투과시키고, 어떤 물질은 잘 투과시키지 않는다. 세포막의 이런 성질을 ‘선택적 투과성’이라고 하는데, 이는 세포막의 독특한 구조에서 기인한다.

세포막은 주로 인지질과 단백질로 이뤄져 있는데, 인지질은 친수성을 띤 부분과 소수성을 띤 부분을 함께 갖고 있다.지질의 일종인 인지질은 친수성 부분이 세포막의 바깥쪽으로 배열돼 수용성 환경과 접하고, 소수성 부분이 세포막의 안쪽으로 마주보도록 배열된 이중층 구조다.

단백질은 인지질 사이사이에 박혀 있는데, 인지질이 이리저리 흐르듯 움직이는 유동성을 띠기 때문에 단백질의 위치도 유동적이다. 산소, 이산화탄소와 같은 분자는 인지질을 직접 통과할 수 있지만 포도당과 아미노산 같은 친수성 물질, 단백질과 같은 고분자 물질은 인지질 층을 직접 통과할
수 없다.

세포막을 통한 물질의 이동: 확산과 삼투

‘확산’이란 기체나 액체 상태의 물질이 용질 분자의 자발적인 운동에 의해 고농도인 곳에서 저농도인 곳으로 이동하는 현상을 말한다. 산소나 이산화탄소처럼 크기가 작은 입자들은 세포막의 인지질을 경계로 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 확산된다. 폐포와 모세혈관 사이에서 일어나는 기체교환 과정도 확산에 해당한다.

세포막을 경계로 세포 안팎에 농도가 서로 다른 용액이 있을 때에는 물 분자가 세포막을 통해 용질의 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동한다. 이 현상을 ‘삼투’라고 한다. 배추를 소금에 절이면 배추의 부피가 줄어드는 현상, 식물이 뿌리털로 물을 흡수하는 현상, 목욕을 하면 손이 쭈글쭈글해지는 현상 등이 삼투에 해당한다.

삼투는 막을 경계로 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물이 이동하는 현상이므로 확산의 일종으로 생각할 수 있다.

동물과 식물세포에서의 다양한 삼투 결과

삼투가 일어나면 세포의 모양이 달라지기도 한다. 적혈구를 적혈구보다 농도가 높은 용액(고장액)에 넣으면 혈구 안에서 물(H2O)이 빠져나가 적혈구가 쭈글쭈글해진다. 반면 적혈구보다 농도가 낮은 용액(저장액)에 적혈구를 넣으면, 혈구안으로 물이 들어와 적혈구의 부피가 점점 증가한다. 일정크기 이상으로 커진 적혈구는 결국 세포막이 터지게 되는데, 이를 ‘용혈현상’이라고 부른다.

식물세포인 양파 세포를 저장액에 넣으면 물이 세포 안으로 들어와 양파 세포의 부피가 커진다. 하지만 식물세포는 적혈구와 달리 세포막 바깥에 단단한 세포벽이 있어서 세포가 팽창해도 터지지 않는다. 반면, 양파 세포를 고장액에 넣으면 물이 세포 밖으로 빠져나가면서 세포질의 부피가 줄어들다가 결국에는 세포막이 세포벽에서 떨어지는 원형질 분리현상이 일어난다.

[2. 물질대사와 효소]

물질대사_생명 유지에 필요한 화학반응

생명을 유지하기 위해 생명체 내에서 일어나는 모든 화학반응을 ‘물질대사’라고 한다. 음식물에서 얻은 크기가 큰 영양소를 체내에서 흡수할 수 있도록 크기가 작은 영양소로 분해하는 과정인 ‘이화작용’, 크기가 작은 영양소를 생명활동에 필요한 물질로 합성하는 과정인 ‘동화작용’이 모두 물질대사에 해당한다.

포도당을 이용해 에너지를 획득하는 세포 호흡 과정은 포도당을 연소시키는 과정과 같은 화학반응이지만, 연소와 같은 일반적인 화학반응과는 차이가 있다.

위 그림은 실험실에서 포도당을 연소시키는 과정과 세포 내에서 일어나는 세포 호흡 과정을 나타낸 것이다. 실험실에서 포도당을 연소하기 위해서는 400도에 가까운 높은 온도가 필요하다. 이 때 포도당은 산소와 격렬하게 반응하며 순간적으로 많은 열과 빛을 낸다.

그러나 포도당이 생명체 안에서 분해 돼 이산화탄소와 물이 생성될 때에는 체온 수준의 낮은 온도면 된다. 이런 세포 호흡에서는 단계적인 반응과 함께 에너지가 소량이지만 지속적으로 방출된다. 이는 동일한 반응 물질과 생성 물질이라고 해도 반응 경로가 달라서 나타나는 현상이다.

왜 동일한 반응 물질과 생성 물질 사이에서 이렇게 다른 반응 경로가 나타날까? 그 이유는 생명체 내에서 일어나는 화학반응인 물질대사에는 ‘생체 촉매’가 관여하고 있기 때문이다. 촉매란 반응 과정에서 소모되거나 변화하지 않으면서 반응 속도를 바꾸는 물질이다. 그 중에서도 생명체 내에서 화학반응에 관여하는 촉매를 생체 촉매 혹은 ‘효소’라고 부른다.

활성화 에너지_화학반응을 위한 최소한의 에너지

모든 화학반응이 일어나기 위해서는 반응을 일으키기 위한 최소한의 에너지인 ‘활성화 에너지’가 필요하다. 활성화 에너지의 크기를 바꾸면 화학반응의 속도를 조절할 수 있는데, 촉매가 바로 활성화 에너지의 크기를 바꾸는 역할을 한다. 아래 그림은 효소의 유무에 따른 활성화 에너지의 변화를 나타낸다. 효소는 활성화 에너지를 낮춰 화학반응이 빠르게 일어나도록 한다.

과산화수소의 경우 실온에서 물과 산소로 매우 천천히 분해 된다. 하지만 과산화수소가 들어 있는 시험관에 소의 생간이나 감자를 작게 잘라 넣으면 과산화수소의 분해 속도가 빨라진다. 소의 생간이나 감자에 들어있는 효소인 ‘카탈레이스’ 덕분이다. 카탈레이스는 과산화수소가 분해 되기 위해 필요한 활성화 에너지의 크기를 낮춰 과산화수소의 분해 속도를 높인다. 이처럼 효소는 우리 몸속에서 일어나는 여러 화학반응의 활성화 에너지를 낮춰 체온 정도의 낮은 온도에서도 매우 빠르게 물질대사가 일어날 수 있도록 돕는다.

효소의 주성분은 단백질인데, 생명체는 세포의 핵에 저장돼 있는 유전정보에 따라 세포 내에서 효소를 합성하고 이용한다. 이러한 효소 덕분에 생물은 스스로 물질대사를 하고 생명을 유지할 수 있다. 바이러스가 독자적인 물질대사를 할 수 없는 이유도 독자적인 효소계를 갖고 있지 않기 때문이다.

효소의 특성_기질 특이성

침 속의 아밀레이스는 녹말을 엿당으로 분해한다. 그래서 밥을 입 속에 일정 시간 이상 물고 있으면 밥알의 녹말이 엿당으로 분해 돼 단맛이 난다. 그런데 침 속의 아밀레이스는 단백질이나 지방은 분해하지 못한다. 이는 효소가 오직 특정한 반응물과 결합하는 특성 때문이다. 이를 ‘기질 특이성’이라고 한다.

각각의 효소는 기질(반응물질)과 결합하는 장소를 갖고 있다. 이를 ‘활성 부위’라고 한다. 왼쪽 아래 그림에서 효소 X에 물질 A와 B가 결합하려고 한다. 하지만 효소 X가 가진 활성 부위는 오직 물질 A와 결합할 수 있는 구조여서, 물질 B는 결합하지 못한다.

결국 효소 X에 의해 물질 A는 새로운 물질 C로 분해 됐고, 물질 B는 여전히 처음 상태로 남아있다. 이런 기질 특이성은 효소가 단백질을 주성분으로 하면서 각각의 효소마다 특정한 입체 구조를 갖기 때문에 나타나는 특징이다.

이밖에도 효소는 반응 속도를 빠르게 한다는 점, 화학반응에서 자신은 변하지 않아 반응 후 다시 재사용된다는 점, 주성분이 단백질이기 때문에 고온에서는 변성이 일어나 제 기능을 할 수 없다는 점 등의 특징을 갖고 있다.

일상생활 속 효소의 이용

효소에 대한 과학적 지식이 없었던 과거에도 동서양을 막론하고 인간은 다양한 형태와 방식으로 효소를 이용했다. 우리나라의 경우 된장, 고추장, 김치 등과 같은 식품을 만들 때 효소를 이용했으며, 서양의 경우 치즈, 포도주, 맥주 등을 만들 때 효소를 이용했다. 요즘에는 식품뿐만 아니라 각종 생활 제품을 만들거나 의약학 연구를 하는 데에도 효소를 활용하고 있으며, 앞으로 그 활용 범위는 더욱 늘어날 것이다.

[3. 세포 내 정보의 흐름] 

세포 속의 유전물질

각각의 생물이 나타내는 다양한 특성을 ‘형질’이라고 하며, 형질은 유전정보에 의해서 결정된다. 유전정보는 DNA에 저장되고, 각각의 유전정보가 저장된 DNA의 특정 부분을 ‘유전자’라고 한다. 유전자를 구성하는 염기는 A(아데닌), G(구아닌), T(티민), C(시토신)으로 네 종류이지만, 네 가지 염기가 수많은 조합을 이뤄 다양한 정보를 저장한다.

이중나선 구조인 DNA는 히스톤이라는 단백질과 함께 염색사와 염색체의 기본단위인 뉴클레오솜을 이룬다. 평상시에는 세포가 핵 속에서 염색사의 형태로 존재하지만, 세포가 분열하는 동안에는 염색사가 응축된 염색체의 형태로 존재한다.

유전자와 단백질의 관계

동양인은 대부분 눈동자가 갈색이다. 반면, 서양인의 눈동자는 대부분 파란색이다. 눈동자의 색깔은 왜 다를까? 오른쪽 위 그림은 갈색 눈동자와 파란색 눈동자가 나타나는 과정을 나타낸다.

동양인은 대부분 갈색 눈동자 유전자를 갖고 있다. 갈색눈동자 유전자를 가진 사람은 멜라닌 합성 효소를 많이 만든다. 여기서 멜라닌은 동물의 조직에 있는 검은색 또는 흑갈색 색소를 말한다. 멜라닌 합성 효소가 많으면 많은 양의 멜라닌을 합성할 수 있고, 그 결과 눈동자가 갈색이 된다.

반면 서양인은 대부분 파란색 눈동자 유전자를 가지고 있다. 이 유전자는 갈색 눈동자 유전자에 비해 멜라닌 합성효소를 적게 만든다. 결국 멜라닌이 소량 합성되고, 파란색 눈동자를 갖게 된다. 즉 유전자에 따라 합성할 수 있는 단백질의 종류와 양이 달라지고, 이렇게 합성한 단백질의 기능에 따라 다양한 형질이 나타난다.

그런데 한 가지 의문이 든다. 단백질에 대한 정보는 핵 속의 DNA에 저장돼 있고, 단백질을 만드는 소기관은 세포질에 존재하는 리보솜이다. 그렇다면 핵 속 DNA에 저장된 정보는 어떻게 리보솜에 전달될까?

세포에서 유전정보의 흐름

세포에서 유전정보는 핵 속의 DNA에 저장돼 있지만, 단백질은 세포질에 있는 소기관인 리보솜에서 합성된다. 문제는 DNA 분자의 크기가 매우 커서 핵막을 빠져 나오지 못한다는 점이다. DNA가 핵막을 빠져 나와 리보솜에 정보를 전달할 수 있다고 쳐도, 수많은 리보솜에서 동시에 단백질이 만들어지는 원리를 설명할 수가 없다. 즉, 세포는 핵 속의 DNA에 저장된 정보를 다른 방식으로 리보솜에 전달해야만 한다.

이 과정에 관여하는 것이 바로 RNA이다. 세포는 단백질을 만들기 위해 핵 속에서 DNA가 가진 유전 정보를 또 다른 형태의 핵산인 RNA에 전달한다. 이 과정을 ‘전사’라고 한다. 전사를 마친 RNA는 세포질로 나와 리보솜으로 이동한 뒤 자신이 갖고 있는 유전 정보를 가진 단백질을 합성한다. 이렇게 리보솜에서 RNA에 의해 단백질이 합성되는 과정을 ‘번역’이라고 한다.

분자생물학의 ‘중심원리(Central Dogma)’라고 불리는 이 가설은 DNA의 분자구조를 밝힌 프랜시스 크릭에 의해서 제안됐으며, 이후 수많은 과학자들이 다양한 방식으로 입증했다. 오른쪽 위 그림은 분자생물학의 중심원리에 의해서 단백질이 합성되는 과정을 보여준다. 이렇게 합성된 다양한 단백질에 의해 다양한 형질이 나타난다.

코드, 트라이플렛코드, 코돈

DNA가 갖는 염기서열을 ‘코드’라고 한다. 그런데 생명체는 코드 한 개가 아니라, 세 개를 묶어서 비로소 하나의 의미가 있는 정보를 만든다. 이를 ‘트라이플렛코드’라고 한다.

트라이플렛코드가 전사돼 RNA의 형태가 된 것을 ‘코돈’이라고 한다. 하나의 코돈은 하나의 아미노산을 결정할 수 있다. 그러면 왜 이렇게 3개의 염기가 모여 하나의 아미노산을 지정하게 됐을까? 하나의 염기가 하나의 아미노산을 결정하면 안 될까?

DNA가 갖는 염기는 A, G, T, C로 총 4가지이다. 그리고 DNA가 가진 정보를 통해서 번역 돼야 하는 아미노산은 20가지다. 이때, 염기 1개가 아미노산 1개를 지정한다면 어떻게 될까? 4가지 아미노산에 대한 정보밖에 갖지 못할 것이다.

만약 염기 2개의 조합이 아미노산 1개를 지정한다면 총 16개의 아미노산을 지정할 수 있다. 그렇지만 여전히 20개의 아미노산을 지정하기에는 부족하다. 최소 3개의 염기 조합은 돼야 64가지 염기 조합이 생기고, 20개의 아미노산에 해당하는 각기 다른 정보를 모두 다르게 지정할 수 있다.

물론 이때도 해결해야 하는 문제가 있다. 아미노산의 수 보다 염기 조합의 수가 더 많다는 점이다. 생명체는 서로 다른 조합의 염기들이 동일한 아미노산을 지정할 수 있게 함으로써 이 문제를 해결했다. 각각의 염기 조합들이 언제나 정해진 아미노산만을 지정한다는 것에는 변함이 없다. 1개의 코돈은 하나의 아미노산을 지정하고, 64가지 코돈은 각자의 정보에 해당하는 아미노산을 지정하면서 수많은 단백질을 합성한다. 지구상에 존재하는 거의 모든 생명체는 이런 방법으로 유전정보를 저장하고, 단백질을 합성한다.

염기 변이가 단백질 변화 유발

단백질 정보를 저장하고 있는 유전자에 변이가 일어난다면 어떻게 될까? 앞에서 정리한 것처럼 유전자가 갖는 염기서열에 변화가 생기면, 그 염기서열에 의해 지정되는 아미노산에 변화가 생기고, 이는 단백질의 변화로 이어진다.

실제로 둥근 모양의 적혈구가 뾰족한 낫 모양으로 변해 산소 운반 능력이 떨어지는 낫모양적혈구 빈혈증은 헤모글로빈을 구성하는 염기 한 개의 변화로 생기는 질병이다. 이외에도 페닐알라닌 대사에 필요한 효소의 유전자에 변이가 생기는 페닐케톤뇨증과 같은 다양한 대사질환도 실제로 아주적은 염기서열의 변이에 의해 발생한다.

살아있는 생명체는 눈에 보이지도 않을 만큼 작은 세포에서부터 조직, 기관, 개체로 이어지는 체계적인 시스템이다.

그 안에서 다양한 원리와 원칙에 따라 일어나는 모든 과정은 알아갈수록 경이롭다.