나뭇잎 교과서

원핵세포와 진핵세포

세균과 사람 세포는 모두 세포막, 세포질, DNA, 리보솜을 가집니다. 그런데 세균에는 핵막도 소포체도 없고, 리보솜의 크기와 세포벽의 성분도 다릅니다. 이 차이가 왜 생겼는지 크기와 막 넓이로 따져 보고, 그 차이가 항생제에 어떻게 쓰이는지 알아봅니다.

본문

원핵세포와 진핵세포

본문

대장균 같은 세균은 지름이 1 μm 정도이고, 우리 몸의 세포는 지름이 10~30 μm로 수십 배 크다. 세균의 세포 안은 거의 한 칸짜리 방이지만, 진핵세포 안은 핵막, 소포체, 골지체, 미토콘드리아 같은 막으로 잘게 나뉘어 있다. 세포가 커지면 무엇이 어려워지며, 세포 안의 막은 그 문제를 어떻게 풀까?

그림 1. 공 모양 세포의 표면적 ÷ 부피는 \(\frac{3}{r}\)이다. 반지름이 10배 커지면 부피 단위당 표면은 10분의 1로 줄어, 막을 통해 물질을 주고받기 어려워진다.
먼저 알아야 할 것세포 소기관의 구조와 기능(세포 소기관), 구의 겉넓이와 부피(수학), 핵산과 단백질.

1.4.1원핵세포와 진핵세포

원핵세포는 핵막이 없어 DNA가 세포질에 그대로 있고, 막으로 둘러싸인 소기관이 없다. 세균과 고세균이 여기에 속한다. 진핵세포는 핵막으로 둘러싸인 핵이 있고, 미토콘드리아, 소포체, 골지체 같은 막성 소기관이 있다. 동물, 식물, 균류, 원생생물의 세포가 진핵세포이다. 리보솜, 세포막, 세포질은 두 세포 모두에 있다. 다만 원핵세포의 리보솜은 진핵세포의 것보다 조금 작고 구조가 다르다.

정리 1.4.1 크기와 표면적

반지름 \(r\)인 구의 표면적은 \(4\pi r^2\), 부피는 \(\frac{4}{3}\pi r^3\)이므로 \[\frac{\text{표면적}}{\text{부피}} = \frac{3}{r}\] 이다. 세포가 커질수록 부피에 비해 막의 넓이가 작아진다.

세포는 막을 통해 양분과 산소를 받고 노폐물을 내보낸다. 또 원핵세포는 세포막에서 ATP를 만든다. 그런데 세포가 커지면 필요한 물질은 부피에 비례하여 늘지만 막은 표면적만큼만 늘어 따라가지 못한다. 그림 1에서 반지름을 1 μm에서 20 μm로 바꾸어 보자. 부피당 표면은 20분의 1이 된다.

1.4.2세포 안의 막

진핵세포는 세포 안에 막을 겹겹이 두어 이 문제를 풀었다. 미토콘드리아의 주름진 내막, 넓게 펼쳐진 소포체의 막은 ATP를 만들고 단백질과 지질을 만드는 작업대를 크게 늘린다. 또 막으로 나뉜 작은 방마다 서로 다른 환경을 만들어, 리소좀 속은 산성으로, 세포질은 중성으로 유지하며 서로 방해하지 않고 일을 나눈다. 그래서 진핵세포는 원핵세포보다 수천 배 큰 부피를 가지고도 살아갈 수 있다.1

특징원핵세포진핵세포 핵막없음있음 막성 소기관없음미토콘드리아, 소포체 등 크기1~5 μm10~100 μm
그림 2. 원핵세포는 작고 단순하며, 진핵세포는 크고 안이 막으로 나뉘어 있다.

1.4.3예제 풀이

예제 1.4.2

지름 1 μm인 세균과 지름 20 μm인 동물 세포를 공 모양으로 보자. 두 세포의 부피는 몇 배 차이이며, 부피당 표면적은 몇 배 차이인가? 동물 세포가 세균과 같은 비율의 막 넓이를 가지려면 세포막의 몇 배 넓이의 막이 세포 안에 있어야 하는가?

지름이 20배이므로 부피는 \(20^3 = 8000\)배이고, 부피당 표면적 \(\dfrac{3}{r}\)은 20분의 1이다.

세균과 같은 비율의 막을 가지려면 동물 세포의 전체 막 넓이가 세포막의 20배여야 한다. 즉 세포 안에 세포막 넓이의 약 19배만큼 막이 더 있어야 한다. 막 하나의 두께가 수 nm에 불과하므로 이만한 넓이의 막도 부피는 크게 차지하지 않는다. 실제로 간세포를 조사하면 소포체와 미토콘드리아 내막을 합친 막 넓이가 세포막의 수십 배에 이른다. 그래서 세포 속 막은 큰 세포가 일을 해낼 수 있게 하는 작업대이다.

아래 탐구 카드에서 진핵세포가 막을 잔뜩 둔 까닭을 표면적으로 따져 보고, 항생제가 세균만 죽이는 원리를 살펴보자.

  1. 미토콘드리아와 엽록체는 자기 DNA와 원핵세포형 리보솜을 가지고 있다. 그래서 먼 옛날 큰 세포 속에 들어와 함께 살게 된 세균에서 비롯되었다는 세포 내 공생설이 널리 받아들여진다.
마무리

원핵세포는 핵막과 막성 소기관이 없이 작고, 진핵세포는 핵과 막성 소기관을 갖추고 크다. 세포가 커지면 표면적 ÷ 부피가 \(\frac{3}{r}\)로 줄어 막을 통한 물질 교환과 에너지 생산이 어려워진다. 그래서 처음 질문의 진핵세포는 세포 안에 막을 잔뜩 두어 작업대를 넓히고 방을 나누어, 큰 부피를 가지고도 일을 해낸다.

탐구 1

진핵세포는 왜 세포 안에 막을 잔뜩 두었을까?

표면적과 부피 · 확산 시간 · 계산
부피
—
막 넓이
—
부피당 막 넓이
—
중심까지 확산
—

세포를 공으로 보고 계산했다(표면적 πd², 부피 πd³/6). 세포 안의 막은 간세포에서 잰 비율(세포막이 전체 막의 약 2 %, Alberts 『세포의 분자생물학』)을 써서 세포막의 약 50배로 두었고, 확산 시간은 단백질 크기 분자(세포질에서 확산 계수 약 10 μm²/s)가 반지름 r만큼 퍼지는 데 걸리는 어림값 r²/(6D)이다.

  1. 질문대장균은 지름이 1 μm 안팎이고, 사람 세포는 대개 10~30 μm이다. 원핵세포에는 핵막도 소포체도 없는데, 진핵세포는 왜 세포 안을 막으로 잘게 나누었을까?
  2. 복원세포는 막을 통해 물질을 주고받고, 막에 박힌 단백질로 ATP를 만들고 물질을 운반한다. 그래서 막 넓이는 세포가 일할 수 있는 작업대의 넓이와 같다.
  3. 설명지름이 d인 공의 표면적은 d²에, 부피는 d³에 비례하므로, 부피당 표면적은 6/d로 세포가 커질수록 줄어든다. 지름이 20배가 되면 부피당 막 넓이는 1/20이 되고, 게다가 물질이 세포 중심까지 퍼지는 시간은 거리의 제곱에 비례해 늘어난다.
  4. 연결진핵세포는 세포 안에 소포체, 골지체, 미토콘드리아의 크리스타 같은 막을 펼쳐 이 문제를 풀었고, 막으로 나뉜 공간마다 서로 다른 조건(pH, 효소)을 유지할 수도 있다. 반면 원핵세포는 작게 머물러 표면만으로 충분한 막 넓이를 확보하며, 호흡과 광합성의 전자 전달계도 세포막에 둔다.
  5. 적용대장균에서 사람 간세포로 바꾸면 부피당 막 넓이가 몇 분의 1이 되는지 보자. 그리고 간세포에서 ‘세포 안의 막도 세기’를 켜면 부피당 막 넓이가 어느 크기의 세포와 비슷해지는지, 난자처럼 아주 큰 세포는 확산 시간이 얼마나 되는지 확인해 보자.
  6. 판단‘원핵세포는 작고 진핵세포는 크다’는 경향일 뿐 규칙이 아니다. 지름 0.5 mm가 넘는 세균(티오마르가리타)도 있는데, 세포 대부분을 커다란 액포가 차지해 실제 세포질은 얇은 층에 불과하다. 또 세포가 공 모양이 아니라 납작하거나 가늘고 길면 같은 부피에서도 표면적이 커지므로, 이 계산은 공 모양을 가정한 어림이다.

확인조건이 달라지면

공 모양 세포의 지름이 3배가 되었다. 세포막 넓이, 부피, 부피당 막 넓이는 각각 몇 배가 될까?

읽기 2

항생제는 왜 세균만 죽이고 사람 세포는 두고 갈까?

읽기 · 원핵세포와 진핵세포

페니실린은 세균을 죽이지만 사람 세포에는 거의 해가 없고, 스트렙토마이신은 세균의 단백질 합성을 막지만 사람의 단백질 합성은 막지 않는다. 약이 두 세포를 구별할 수 있는 까닭은 두 세포의 구조가 몇 군데서 분명히 다르기 때문이다.

1무엇이 같고 무엇이 다른가

모든 세포는 세포막으로 둘러싸여 있고, 안에 세포질이 있으며, 유전 물질로 DNA를 쓰고, 리보솜에서 단백질을 만든다. 차이는 DNA를 어디에 어떤 모양으로 두는지, 세포 안에 막으로 된 구조가 있는지에서 나온다.

원핵세포 세균, 고세균진핵세포 원생생물, 균류, 식물, 동물
DNA핵막 없이 세포질의 핵양체에 있음. 대개 고리 모양 DNA 1개, 작은 고리 DNA(플라스미드)가 따로 있기도 함핵막으로 싸인 핵 속에 있음. 선형 DNA 여러 개가 히스톤 단백질에 감겨 염색질을 이룸
세포 안의 막 구조없음 (소포체, 골지체, 미토콘드리아, 엽록체가 없음)있음 (핵막, 소포체, 골지체, 리소좀, 미토콘드리아, 엽록체 등)
리보솜70S (30S + 50S 단위체)세포질에는 80S (40S + 60S 단위체)
미토콘드리아와 엽록체 안에는 70S와 비슷한 작은 리보솜
세포벽세균은 펩티도글리칸이 주성분식물은 셀룰로스, 균류는 키틴, 동물은 없음
크기대개 1~10 μm대개 10~100 μm
호흡·광합성 장소세포막(광합성 세균은 세포막이 접혀 들어간 막)미토콘드리아, 엽록체

S는 원심 분리할 때 가라앉는 빠르기를 나타내는 단위(스베드베리)이다. 크기와 모양에 따라 달라지므로 단위체 값을 그냥 더해도 전체 값이 되지 않는다(30 + 50 ≠ 70).

2차이를 겨누는 약

페니실린은 세균이 펩티도글리칸 세포벽을 만드는 효소를 막는데, 사람 세포에는 펩티도글리칸이 없으므로 표적도 없다. 스트렙토마이신과 테트라사이클린은 70S 리보솜의 작은 단위체에 붙어 번역을 방해하지만, 사람 세포질의 80S 리보솜에는 잘 붙지 않는다. 반대로 세균에 없는 구조를 겨누는 약은 세균 감염에 효과가 없고, 감기 같은 바이러스 감염에 항생제가 듣지 않는 것도 표적이 없기 때문이다.

3진핵세포 안의 ‘세균 닮은’ 소기관

미토콘드리아와 엽록체는 2중막으로 싸여 있고, 고리 모양 DNA와 70S와 비슷한 리보솜을 가지며, 세균처럼 둘로 나뉘어 늘어난다. 그래서 먼 옛날 원시 진핵세포에 들어간 호기성 세균과 광합성 세균이 공생하다 소기관이 되었다는 세포 내 공생설이 널리 받아들여진다. 일부 항생제를 오래 쓰면 부작용이 생기는 까닭 중 하나도 미토콘드리아 리보솜이 세균 리보솜과 닮았기 때문이다.

판단‘원핵세포에는 소기관이 없다’는 말은 막으로 싸인 소기관이 없다는 뜻이다. 원핵세포에도 리보솜이 있고, 리보솜은 막이 없는 구조이기 때문이다. 또 원핵생물 중 고세균은 세포벽에 펩티도글리칸이 없고, DNA 복제와 전사 방식은 오히려 진핵생물과 닮은 점이 많아서, 겉모습만으로 세균과 같은 무리로 묶지 않는다.

확인조건이 달라지면

어떤 약이 70S 리보솜의 단백질 합성만 선택적으로 막는다고 한다. 이 약을 사람 세포에 오래 처리하면 가장 먼저 영향을 받을 것으로 예상되는 곳은?

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