원핵세포와 진핵세포
본문대장균 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?
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.
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
1.4.3예제 풀이
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.
- 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.
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.