3. Prokaryotic Cells(원핵세포)

Classification and Structure of Prokaryotic Cells

원핵세포는 원시적인 핵을 가지고 있는 세포라 생물들은 주로 세균(Bacteria)과 고세균(Archaea)으로 분류되며, 매우 다양한 형태와 크기를 가지고 있습니다. 이 글에서는 원핵생물의 구조와 분류에 대해 자세히 알아볼 것입니다.

 

- 원핵생물은 복잡한 내부 구조를 갖지 않고, DNA는 단순하게 존재합니다. 이 DNA는 핵이라는 공간에 별도로 둘러싸여 있지 않고, 대신 세포 내부의 핵양체(nucleoid region)에 위치합니다.

 

생명체는 크게 세 가지 영역이 있고, 원핵생물의 고세균, 세균과 진핵생물입니다.

• 고세균(Archaea)
  • 고세균은 대부분 호극성균(extremophiles)으로 열악한 환경(고온, 고염분, 빛이 없는 환경)에 서식하며 광합성(photosynthesis)이 아닌 화학 합성(chemosynthesis)을 사용하는 극단적 호염성 생물인 경우가 많습니다.
  • 진핵생물과 유사한 점: Start translation with methionine, Similar RNA poly-merases, Histones
  • 박테리아와 유사한 점: Single circular chromosome, Divide by binary fission or budding
• 세균(Bacteria)
  • 박테리아는 진핵생물과 유사한 구조를 많이 가지고 있으며, 상호 공생(mutualistic symbiosis)과 병원성(pahogenesis) 등 인간과 복잡한 관계를 맺고 있습니다.
  • 모양에 따른 박테리아 분류
    • Cocci: 공(Spherical) 모양
    • Bacilli: 막대(Rod) 모양
    • Spirilli: 나선(Spiral) 모양
  • 대사과정에 따른 박테리아 분류
    • Obligate aerobes(절대호기성): 대사를 위해 산소필요.
    • Obligate anaerobes(절대혐기성): 산소포함된 환경에서는 생존 불가. 혐기성 대사만 가능.
    • Facultative anaerobes(조건혐기성): 산소유무 관계없이 생존가능. 환경에 따라 대사과정 전환.
    • Aerotolerant anaerobes(산소내성 혐기성): 산소포함된 환경에서 생존 가능. 대사를 위해 산소가 필요 없음. 
  • 박테리아의 세포벽(cell wall)과 세포막(cell membrane)은 세포 외피(envelope)를 형성합니다. 이들은 함께 세포 안팎으로 용질의 이동을 제어합니다. 세균은 그람 염색을 통해 분류될 수 있습니다. 이는 세균의 세포 벽 구조에 따른 것으로, Gram-positive 세균은 두꺼운 세포벽을 가지고 있고 Gram-negative 세균은 얇은 세포벽을 가지고 있습니다.
    • Gram-positive: 염색 시 보라색. 두꺼운 세포벽. 세포벽이 peptidoglycan과 lipoteichoic acid로 구성되어 있음.
    • Gram-negative: 염색 시 붉은색. 얇은 세포벽. 세포벽이 peptidoglycan이 이루어져 있고, phospholipids와 lipopolysaccharides을 포함한 외막을 가지고 있습니다.
  • 세균의 이동
    • 세균은 화학물질이나 온도와 같은 자극에 반응하여 이동하는 능력을 가지고 있습니다.(Chemotaxis). 이동의 원동력은 세균의 flagella라는 긴 꼬리와 같은 구조물입니다. Flagella는 세포체를 통해 회전하며, 이 회전이 세균을 앞으로 밀어냅니다.
    • Flagella(편모) 구성
      1. 필라멘트 (Filament): 이 부분은 flagella의 가장 긴 부분으로, 'flagellin'이라는 단백질로 이루어져 있습니다. 필라멘트는 막대처럼 작용하여 세균을 움직이게 하는데 중요한 역할을 합니다.
      2. 기저체 (Basal Body): 이 부분은 flagella를 세포막에 고정시키는 역할을 합니다. 또한, 이 기저체는 flagella를 회전시키는 모터와 같은 역할을 합니다.
      3. 훅 (Hook): 이 부분은 필라멘트와 기저체를 연결하는 역할을 합니다. 훅은 그 자체로는 회전하지 않지만, 기저체의 회전력을 필라멘트로 전달합니다.
  • 원핵생물은 세포막을 사용하여 전자수송 연쇄(electron transport chain)를 수행한다.
    • 이는 원핵생물이 에너지를 생성하는 방식을 말합니다. 전자수송 연쇄는 세포 호흡의 마지막 단계로, 세포의 에너지 화폐인 ATP를 생산합니다. 유사핵생물에서는 이 과정이 미토콘드리아 내부의 내막에서 일어나지만, 원핵생물에서는 미토콘드리아가 없으므로 세포막에서 이루어집니다.
  • 원핵생물의 리보솜은 유사핵생물의 리보솜보다 작다.
    • 리보솜은  아미노산을 연결하여 단백질 합성을 담당하는 세포소기관으로 리보솜 RNA와 단백질로 이루어져 있습니다.
    • 원핵생물의 리보솜은 30S와 50S의 두 하위단위로 이루어져 있으며, 합쳐서 70S 리보솜이라고 합니다.
    • 유사핵생물의 리보솜은 40S와 60S의 두 하위단위로 이루어져 있으며, 합쳐서 80S 리보솜이라고 합니다.
    • S는 세드버그 단위라는 리보솜의 크기와 모양을 측정하는 단위를 가리킵니다. 이 단위에 따라 원핵생물의 리보솜은 유사핵생물의 리보솜보다 상대적으로 작습니다.

Genetics and Growth of Prokaryotic Cells

원핵세포의 분열부터 성장 패턴, 그리고 유전적 다양성까지 살펴보겠습니다.

 

1. 이분법적 분열(Binary Fission): 프로카리오틱 세포는 이분법적 분열을 통해 번식하며, 이 과정에서는 염색체(Chromosome)가 전체적으로 복제되고 세포 크기가 커집니다. 세포벽(Cell Wall)이 세포의 중앙선을 따라 내부로 성장하면서, 이를 두 개의 동일한 딸 세포로 분할합니다. 이는 프로카리오틱 세포가 빠르게 번식하고 대응할 수 있는 메커니즘입니다.
2. 플라스미드와 에피솜(Plasmids and Episomes): 프로카리오틱 세포는 단일 원형 염색체 외에도, 플라스미드라는 엑스트라크로모섬 소재를 가질 수 있습니다. 플라스미드는 항생제 저항 유전자나 병원성 요소들을 포함할 수 있습니다. 이들은 세포가 특정 환경에 대응하게 해 주며, 플라스미드 중 일부는 게놈에 통합될 수 있는 에피솜(Episomes)이라고 부릅니다.
3. 유전적 재조합(Genetic Recombination): 박테리아의 유전자 재조합은 박테리아의 다양성을 증가시킵니다. 이는 진화과정에서 유리한 특성을 빠르게 확산시키는데 중요한 역할을 합니다.
   • 혈질전환, 접합, 형질도입(Transformation, Conjugation, Transduction): 이들은 모두 박테리아가 유전자 재료를 다른 박테리아로부터 얻는 방법입니다.
     • 형질전환(Transformation): 주변 환경의 유전 물질을 세포가 흡수하여 이 물질을 게놈에 통합할 수 있을 때 발생합니다.
     • 접합(Conjugation): Conjugation bridge를 통해 한 박테리아에서 다른 박테리아로 유전 물질을 옮기는 것으로, 플라스미드(Plasmid)가 F+ 세포에서 F- 세포로 옮겨지거나 게놈의 일부가 Hfr(high frequenceys of recombination) 세포에서 수용체로 옮겨질 수 있습니다.
     • 형질도입(Transduction): 박테리오파지 벡터(bacteriophage vector)를 통해 한 박테리아에서 다른 박테리아로 유전 물질을 옮기는 것을 말합니다.
   • 전위(Transposons): 게놈 내에서 삽입하거나 제거할 수 있는 유전인자입니다.
4. 박테리아의 성장(Bacterial Growth): 박테리아의 성장은 예측 가능한 패턴을 따릅니다.
   1. 지연 단계(Lag Phase): 새로운 환경 조건에 적응합니다.
   2. 지수적 단계(Exponential Phase): 성장이 기하급수적으로 증가합니다.
   3. 자원이 줄어들면 정체 단계(Stationary Phase)에서 성장이 정체됩니다.
   4. 자원이 고갈되면 사멸 단계(Death Phase)를 겪게 됩니다.