[Molecular Cell Biology]The Diversity and Commonality of Cells 2부






Cell은 크기와 형태에 있어서 놀랄만한 다양성을 나타낸다(Fig. 1). 예를 들어, amoeba (아메바) 와 rotifer (담륜충)의 동영상에서 볼 수 있듯이, 어떤 cell은 신속하게 움직이고 빠르게 변화하는 구조를 가지고 있으며, 또 다른 cell은 움직임이 크고 느리며 구조적인 면에서 안정된 상태로 존재 한다. 한편, oxygen (산소)는 어떤 cell을 죽이기도 하지만 대부분의 cell에서 필수적인 요소이다. 그리고 multicellular organism 내에서 대부분의 cell은 다른 cell과 서로 매우 밀접한 관계를 이루고 있다.



비록 몇몇의 unicellular organism은 독립적으로 살아가지만, 일부 unicellular organism은 군집을 이루며 살거나, 다른 생물과 친밀한 관계를 이루면서 살아가고 있다. 즉, 식물 에서 공기 중의 nitrogen (질소)을 고정할 수 있도록 도와주거나, animal의 창자에서 음식물의 소화를 돕는 bacteria (세균)들과 같은 것들이 그 좋은 예이다. 


이와 같은 다양한 차이에도 불구하고 모든 cell은 구조적으로 공통적인 특징을 가지고 있으며, 근본적으로 동일한 방법으로 복잡한 과정을 수행한다. 따라서 본론은 cell에 관한 내용 소개하면서, 다양한 cell 들의 구조와 기능에 대한 유사성 및 상이성에 관한 내용을 분자 수준에서 다룰수 있는 배경적인 지식을 안내할 것이다.


FIGURE 1 Cells come in an astounding assortment of shapes and sizes. Some of the morphological variety of cells is illustrated in these photographs. In addition to morphology, cells differ in their ability to move, internal organization (prokaryotic versus eukaryotic cells), and metabolic activities. (a) Eubacteria; note dividing cells. These are Lactococcus lactis, which are used to produce cheese such as Roquefort, Brie, and Camembert. (b) A mass of archaebacteria (Methanosarcina) that produce their energy by converting carbon dioxide and hydrogen gas to methane. Some species that live in the rumen of cattle give rise to >150 liters of methane gas/day. (c) Blood cells, shown in false color. The red blood cells are oxygen-bearing erythrocytes, the white blood cells (leukocytes) are part of the immune system and fight infection, and the green cells are platelets that provide substances to make blood clot at a wound. (d) Large single cells: fossilized dinosaur eggs. (e) A colonial single-celled green alga, Volvox aureus. The large spheres are made up of many individual cells, visible as blue or green dots. The yellow masses inside are daughter colonies, each made up of many cells. (f) A single Purkinje neuron of the cerebellum, which can form more than a hundred thousand connections with other cells through the branched network of dendrites. The cell was made visible by introduction of a fluorescent protein; the cell body is the bulb at the bottom. (g) Cells can form an epithelial sheet, as in the slice through intestine shown here. Each finger-like tower of cells, a villus, contains many cells in a continuous sheet. Nutrients are transferred from digested food through the epithelial sheet to the blood for transport to other parts of the body. New cells form continuously near the bases of the villi, and old cells are shed from the top. (h) Plant cells are fixed firmly in place in vascular plants, supported by a rigid cellulose skeleton. Spaces between the cells are joined into tubes for transport of water and food. [Part (a) Gary Gaugler/ Photo Researchers, Inc. Part (b) Ralph Robinson/ Visuals Inlimited, Inc. Part (c) NIH/Photo Researchers, Inc. Part (d) John D. Cunningham/Visuals Unlimited, Inc. Part (e) Carolina Biological/Visuals Unlimited, Inc. Part (f) Helen M. Blau, Stanford University. Part (g) Jeff Gordon, Washington University School of Medicine. Part (h) Richard Kessel and C. Shih/Visuals Unlimited, Inc.]




모든 세포는 원핵세포 또는 진핵세포이다.


생물계는 prokaryotic cell (원핵세포)과 eukaryotic cell (진핵세포)의 두 가지 유형으로 나눌 수 있는데, eukaryote (진핵생물)는 plant (식물), animal, fungus (진균류) 및 protist (원생생물)로 4 개의 kingdom으로 구분하고 있으며, prokaryote (원핵생물)는 bacteria (세균) 및 archaea (고세균)로 구분하고 있다. Prokaryotic cell은 plasma membrane (원형질막)에 의해 둘러싸여 있으며, nucleus (핵)가 명확하게 구분되지 않고, eukaryotic cell에 비하여 상대적으로 단순한 내부 조직으로 되어있다(Figure 2(a)). 


모든 prokaryote는 공통적으로 이러한 형태를 이루고 있으며, prokaryote의 대다수를 차지하는 bacteria는 하나의 cell로 구성된 organism (생물)이고, 이들 중 cyanobacteria (청록세균) 또는 blue-green algae (남조류)는 single cell (단세포)이지만 cell 끼리 실모양의 사슬을 이루어 군집을 이룬다. 비록 bacteria의 cell에는 membrane (막)으로 둘러싸인 구획은 없지만, 많은 protein (단백질)이 cell 내의 수용액인 cytosol (세포기질)에 정확하게 위치하고 있는 것으로 미루어 내부 구조가 존재를 암시하고 있다.


FIGURE 2 Prokaryotic cells have a simpler internal organization than eukaryotic cells. (a) Electron micrograph of a thin section of Escherichia coli, a common intestinal bacterium. The nucleoid, consisting of the bacterial DNA, is not enclosed within a membrane. E. coli and some other bacteria are surrounded by two membranes separated by the periplasmic space. The thin cell wall is adjacent to the inner membrane. (b) Electron micrograph of a plasma cell, a type of white blood cell that secretes antibodies. Only a single membrane (the plasma membrane) surrounds the cell, but the interior contains many membrane-limited compartments, or organelles. The defining characteristic of eukaryotic cells is segregation of the cellular DNA within a defined nucleus, which is bounded by a double membrane. The outer nuclear membrane is continuous with the rough endoplasmic reticulum, a factory for assembling proteins. Golgi vesicles process and modify proteins, mitochondria generate energy, lysosomes digest cell materials to recycle them, peroxisomes process molecules using oxygen, and secretory vesicles carry cell materials to the surface to release them. [Part (a) courtesy of I. D. J. Burdett and R. G. E. Murray. Part (b) from P. C. Cross and K. L. Mercer, 1993, Cell and Tissue Ultrastructure: A Functional Perspective, W. H. Freeman and Company.]


비록 prokaryote가 개별적으로는 작지만 지구 biomass (생물량)의 큰 부분을 차지한다. 예를 들어, bacteria 중 하나인 Escherichia coli (대장균) 1개의 dry weight (건조 중량)는 약 2.5×10-14g 이지만, 전체는 human 평균 체중의 1~1.5㎏ 정도에 해당되며, 이것은 4×1017 개 이상의 개체에 해당된다. 따라서 지구상에 존재하는 bacteria 수는 5×1030 개 정도로 그들의 전체 무게는 1012 Kg 정도일 것으로 추정하고 있다. 한편, prokaryotic cell은 해저 7mile (11.3㎞)의 대 양과 지상 40mile (64㎞)의 대기에서도 발견되는 것으로 미루어 매우 적응력이 강하며, 이러한 bacteria에 저장되어 있는 carbon (탄소)의 양은 plant에 저장되어 있는 carbon의 양과 비슷하다. 


Prokaryotic cell과는 달리 eukaryotic cell은 membrane으로 둘러싸인 명확한 구조의 nucleus 와 internal membrane (내막)으로 싸여 있는 organelle (세포소기관)로 구성되어 있다(Figure 2(b)). 즉, cell의 plasma membrane과 nucleus 사이의 부분을 cytoplasm (세포질)이라고 하는데, 이러한 cytoplasm은 액체 성분인 cytosol과 고체 성분인 organelle로 이루어져 있다. Eukaryote는 multi-cell 형태의 mold (사상균)와 single cell 형태의 yeast (효모)로 분류되는 fungus (진균류), single cell 형태의 protozoa (원생동물), plant kingdom (식물계) 그리고 animal kingdom (동물계)로 이루어져 있다. 


FIGURE 3 All organisms from simple bacteria to complex mammals probably evolved from a common, singlecelled progenitor. This family tree depicts the evolutionary relations among the three major lineages of organisms. The structure of the tree was initially ascertained from morphological criteria: Creatures that look alike were put close together. More recently the sequences of DNA and proteins have been examined as a more information-rich criterion for assigning relationships. The greater the similarities in these macromolecular sequences, the more closely related organisms are thought to be. The trees based on morphological comparisons and the fossil record generally agree well with those those based on molecular data. Although all organisms in the eubacterial and archaean lineages are prokaryotes, archaea are more similar to eukaryotes than to eubacteria (“rue”bacteria) in some respects. For instance, archaean and eukaryotic genomes encode homologous histone proteins, which associate with DNA; in contrast, bacteria lack histones. Likewise, the RNA and protein components of archaean ribosomes are more like those in eukaryotes than those in bacteria.


일반적으로 eukaryotic cell은 지름이 10~100㎛ 정도로 bacteria 보다 크다. 그리고 전형적인 human의 connective tissue (결합조직)의 cell인 fibroblast (섬유아세포)는 지름이 15㎛ 정도이며, 그 건조 중량은 E. coli cell dry weight의 수천 배에 해당한다. 이밖에도 single cell protozoa인 amoeba는 0.5㎜ 보다 길수도 있으며, ostrich egg (타조 알)은 굉장히 크기 때문에 육안으로도 쉽게 볼 수 있는 single cell이다. 모든 cell은 일반적으로 cell의 구조와 구성 분자가 매우 유사하기 때문에 공통의 progenitor cell (원조세포)로 부터 evolution (진화)되었을 것으로 추정하고 있다. 최근 다양한 prokaryote의 DNA sequence (염기서열)를 분석한 결과, bacteria와 archaea의 두 개의 뚜렷한 유형으로 나눌 수 있었다.


그리고 유전인자 측면에서 유사성이 낮은 생물보다 유사성이 높은 생물이 progenitor로부 터 보다 최근에 evolution 되었다는 가설에 따라 Figure 3과 같은 evolutionary lineage (진화계통)를 작성하였다. 이러한 evolutionary lineage에 따르면 archaea와 eukaryote는 서로 나누어지기 전에 eubacteria (진정세균)로부터 분리되었다는 것이다. 그리고 이러한 3개의 organism 군을 정의 하는 DNA sequence와 더불어 archaea의 cell membrane은 bacteria 및 eukaryote의 cell membrane과는 극적으로 다른 화학적인 특성을 갖고 있다. 


특이하게도 많은 archaea들은  생명이 처음 출현했 던 원시 지구의 조건과 유사한 극한 환경에서 성장한다. 예를 들면, halophile (호염균)은 생존하 기 위하여 고농도의 salt (염)를 필요로 하며, thermoacidophile (호열.호산성균)는 pH가 2보다 낮 은 뜨거운 유황 온천(80℃)에서 자란다. 이밖에도 다른 archaea는 oxygen이 없는 환경에서도 생존 하며, 물과 carbon dioxide (이산화탄소)의 결합으로 methane (메탄)을 생성한다.

 

 




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