생리학에 관하여 - 세포의 소기관

1. 세포막

 인체의 세포를 둘러싸고 있는 생체막은 세포막 혹은 원형질막이라 하며 세포막은 세포 내 구조를 외부로부터 분리하여 내부 환경을 보호하고 있다. 세포막은 인지질로 만들어진 이중의 생체막으로 되어 있으며 지질층 사이에는 단백질이 내재하거나 외재한다. 또한 세포막의 외표면에서만 볼 수 있는 올리고당은 세포막 단백질이나 지질층에 결합되어 있다.

 생체막은 단순히 외부 환경으로부터 세포를 분리하는 구조에 불과한 것이 아니라 물질의 이동과 인식, 상해 후의 보수 등 많은 기능을 하는 세포의 살아있는 소기관이다. 세포막의 조성 물질 중 주로 단백질과 올리고당들이 이러한 기능들을 수행하며 단백질은 특히 효소로 작용하여 화학반응을 수행한다.

 세포막은 물질의 이동에 관여한다. 세포막을 통한 물질 이동이 가능하도록 필요한 기구와 많은 정보들을 보유하고 있다. 세포막을 통한 물질 이동은 외부 환경의 변화에 대처하여 내부 환경을 일정하게 유지하는 생체의 항상성을 유지하는 기전이다.

 세포의 표면에는 동종의 세포를 인식하는 기능이 있다. 세포에 의하여 생산된 단백질이 세포막의 외표면에 부착되고 여기에 당질이 결합하여 세포 표면의 본질을 이루게 된다. 이에 따라 동종의 세포들은 같은 조직 내에 모여 있게 되나 외부의 세포가 들어와 부착하게 되면 당단백질의 차이로 인하여 '내 것'이 아닌 '남의 것'으로 인식하고 거부반응을 일으켜 밀어내게 된다. 예를 들어 조직이 손상되어 다른 사람의 조직을 이식받을 때 조직적합성을 신중히 검토하여 이식하고 이식 후에도 면역억제제를 투여하지 않으면 거부반응이 일어나 이식에 실패하게 된다.

 세포막에는 효소활성이 있다. 세포막에 존재하는 효소는 물질 이동 기전에 필요한 단백질일 수도 있고, 호르몬과 같은 외부의 신호 전달물질의 기능을 수행하기 위하여 존재하는 단백질일 수도 있다. 그 외에도 다른 기능을 수행하는 수많은 세포막 효소단백질이 밝혀지고 있으며 조직에 따라 그 단백질의 종류와 기능이 다르다.

 세포막에는 외부 물질을 감지하는 여러 종류의 수용체가 존재한다. 신경섬유의 말단에서 분비되는 신경전달물질을 감지하고 기능을 수행하게 하는 수용체나 일부 호르몬을 감지하는 수용체 등 다양하게 존재한다. 한 가지 물질에 대해서도 여러 종류의 수용체가 존재할 수 있으며, 결합 물질이 같더라도 수용체가 달라지면 그 활성이 달라지기도 한다.

 

2. 핵

인체 세포의 핵은 유전자의 본체라 할 수 있는 DNA와 이 구조를 유지하는 역할을 하는 단백질이 모여 만든 뉴클레오좀을 다량 함유하고 있다. 평상시 이 구조는 가는 실들이 엉켜 있는 것과 같은 그물 형태로 존재하여 염색질이라 불리며 핵 안을 꽉 채우고 있다. 핵 안에서 별도로 염색되어 다르게 보이는 구조는 핵인으로서 이 부분에는 RNA의 합성에 관한 정보가 있어 RNA가 생산된다. 핵은 이중막으로 둘러싸여 있어 핵막이라 부른다. 핵막에는 물질이 드나들 수 있는 통로로 핵공이 존재하며 이 통로를 통해 핵에서 만들어진 RNA가 세포질로 나오고 단백질이 출입한다.

 

3. 리보솜

 리보솜은 단백질 합성 장소로서 인체의 생리기능을 수행하는 데 필요한 단백질의 기본 골격이 만들어지는 곳이다. 단백질의 기본 단위는 아미노산이며, 아미노산의 배열이 단백질의 구조와 물리적, 생리적 특성을 결정하게 된다. 핵 안의 DNA에는 단백질의 아미노산 배열을 결정짓는 유전정보가 실려 있다.

 단백질의 합성 과정은 크게 DNA 유전정보를 복사하는 복제 과정, 이 유전정보를 기초로 새로운 핵산 구조체인 mRNA를 생성하여 정보전달자를 만드는 과정인 전사, 그리고 이 mRNA의 유전정보대로 아미노산을 끌어다 단백질을 만드는 해독과정을 거쳐 원시의 단백질이 만들어지게 된다. 이 세 과정 중 복제와 전사는 핵 안에서 일어나며 세 번째 과정인 해독은 핵 외부의 세포질에 존재하는 리보솜에서 일어난다.

 리보솜은 mRNA를 받아들여 여기 새겨진 유전정보대로 주변의 아미노산들을 끌어다 연결하는데 이때 아미노산을 끌어오는 주체는 tRNA로서 아미노산마다 특이성을 갖는 tRNA가 존재한다. 인체 세포 내 리보솜은 70~80개의 단백질과 여러 개의 RNA 분자들이 모여 이루어진 복합체로서 직경이 약 20nm인 작은 구형의 소기관이다. 리보솜은 세포질에 떠 있기도 하지만 소포체에 붙어 있기도 하다. 리보솜에서 만들어진 단백질은 소포체를 통해 다른 세포 내 소기관인 골지체로 전달되고 분비소포를 통해 세포질이나 세포 밖으로 전달된다.

 

4. 소포체 

 소포체는 단일 막을 형성하고 있는 세포 내 소기관으로 세포질 전역에 걸쳐 네트워크를 형성하고 있다. 표면에 리보솜들이 붙어있는 조면소포체는 납작한 주머니들이 첩첩이 싸여 있는 형태를 이루며 리보솜이 붙어있지 않은 활면소포체는 나무뿌리가 얼기설기 엮어 있는 그물망 형태로 존재한다. 조면소포체는 표면에 붙어있는 리보솜에서 만들어진 단백질들이 내강으로 들어와 다른 소기관이나 세포 외로 이동되는 통로로 사용된다. 활면 소포체에서는 지방산의 탄소 수를 늘이는 지방산 연장반응과 스테로이드 합성반응이 일어나며 칼슘 저장고의 역할도 한다.

5. 미토콘드리아

미토콘드리아는 이중의 막으로 둘러싸여 있는 세포 내 소기관이다. 외막은 물질의 통과가 비교적 쉬운 단층막이다. 내막은 물질의 출입을 엄격히 통제하는 생체막으로 미토콘드리아의 내부 환경을 일정하게 유지해 준다. 내막에는 크리스테라는 주름 구조가 있으며 그 안쪽은 기질로 채워져 있다. 미토콘드리아의 기질에는 미토콘드리아 리보솜과 같은 에너지 대사계가 존재하여 화학에너지인 ATP를 생성하여 인체에 필요한 에너지를 공급한다. 또한 내막은 기질의 환경을 일정하게 유지하기 위하여 물질의 이동을 맡아보는 기구들을 갖고 있다. 미토콘드리아의 기질에는 크기가 작은 DNA가 존재하며 핵 안의 DNA와 구분하여 미토콘드리아 DNA라 불린다. 이렇게 미토콘드리아는 번식에 필요한 DNA와 에너지 생성 기구를 가지고 있어 생물체의 형태를 갖추고 있으므로 상당히 오래전에 세포 속에 기생하던 작은 생물체로부터 유래되었을 가능성이 제시되고 있다.