[일반생물학실험]동물세포 및 식물세포의 관찰 1부

실험 목적

1. 동물 구강상피세포의 슬라이드를 제작한다.

2. 식물 양파표피세포의 슬라이드를 제작한다.

3. 구강상피세포와 양파표피세포의 슬라이드를 관찰한다.

실험 이론 및 원리

1. 세포의 발견 과정

세포라는 용어는 로버트 훅(Robert Hooke)이 엷은 코르크 조각을 현미경으로 확대했을 때 만들어졌다. 훅은 관찰하였던 작은 구획을 수도승이 살았던 작은 방이라는 뜻의 라틴어 'cellae'로 명명하였다. 1820년경 식물학자 브라운(Robert Brown)은 처음 핵을 밝혀냈고, 마티아스 슐라이덴(Matthias Schleiden)은 식물세포가 식물의 일부분이지만 하나의 독립된 살아 있는 단위라고 가정하였다. 

슐라이덴은 동물학자 테오도르 슈반(Theodor Schwann)과 함께 주목을 받았다. 그들은 식물과 마찬가지로 동물 조직도 세포와 세포의 산물로 구성되어 있다고 결론 내리고 세포들은 다세포체제의 부분이지만 독립된 생명을 갖고 있다는 것을 함께 인정하였다. 후에 생리학자 루돌프 피르호(Rudolf Virchow)는 모든 세포는 다른 살아 있는 세포에서 전해진다는 것을 알았다.

 

2. 세포설을 구성하는 4가지 개념

1) 모든 살아있는 생물체는 하나 혹은 다수의 세포로 구성된다.

2) 세포는 모든 생물체의 구조적 기능적 단위이다. 세포는 생명의 가장 작은 단위이고, 다세포체제의 부분이지만 각각 살아 있다.

3) 모든 살아 있는 세포는 이미 존재하는 세포에서 유래한다.

4) 세포는 유전 물질을 갖고 있고 분열과정에서 딸세포에 전달한다.

 

3. 세포의 종류

세포는 핵막이나 세포 소기관의 유무에 따라 원핵세포와 진핵세포로 구분된다.

1) 원핵세포

핵막을 갖지 않고 핵모양체를 구성하는 염색체는 1개이며 유사분열을 하지 않는 세포이다. 원형질 유동은 일어나지 않고 아메바운동은 볼 수가 없다. 편모는 단순한 구조를 나타낸다. 광합성, 산화적 인산화는 막에서 이루어지고 엽록체, 미토콘드리아 등의 세포소기관의 분화는 없다. 세균과 남조류를 포함하는 원핵생물이 이러한 세포로 구성된 생물이다.

원핵세포의 구조

 

2) 진핵세포

핵막으로 둘러싸인 핵을 가진 세포. 세균과 남세균 이외의 모든 동물 및 식물 세포가 이에 속하며, 진핵 세포로 된 생물을 진핵생물이라 한다. 염색체 수는 하나 이상이며 유사 분열을 한다. 진핵 세포의 핵에는 DNA가 히스톤(histone) 따위의 단백질과 함께 염색체의 구조를 만들며, 핵 속에는 인이 보인다. 세포질 내에는 세포 소기관이 있으며, 그들은 각각 기관 특유의 기능을 가지고 있다.

막이 있는 소기관
핵 소포체 골지체 소낭 미토콘드리아 엽록체 리소좀 퍼옥시좀 액포	DNA 근접에 대한 보호와 제어 새로운 폴리펩티드 사슬의 이동과 변형; 지질합성 등 새로운 폴리펩티드 사슬의 변형; 단백질과 지질의 선별, 수송 세포 내 물질의 수송, 선별과 소화 등 포도당 분해에 의한 ATP 생성 식물과 일부 원생생물에서 당을 합성 세포내 소화 불활성 독성물질 저장
막이 없는 소기관
리보솜 중심립	폴리펩티드 사슬 조립 세포골격을 위한 기반
기타 요소
세포골격	세포모양, 내부체제 구성, 이동

 

4. 세포소기관의 구조와 기능

후형질	원형질
세포벽, 액포	핵질	세포질
	핵막, 염색체, 인	세포막, 미토콘드리아, 리보솜 엽록체, 중심체, 골지체, 소포체 리소좀 등

 

1) 핵(nucleus)

① 유전물질(DNA)이 들어 있으며 세포의 구조와 기능을 결정하고 통제, 조절 한다.

② 2중막 구조이며 핵공(핵과 세포질 사이의 물질교환)이 존재한다. 그리고 바깥쪽 막은 소포체와 연결되어 있다.

③ 인은 핵질 중 둥근 모양을 하며 검게 보이는 부분으로 비막 구조이자 작은 조직체로 리보핵산과 단백질을 합성하는 데 중요한 역할을 한다.

2) 세포막

① 지질 2중층의 유동 모자이크 구조이다.

② 반투막성 막으로 선택적 투과가 이루어진다.

③ 세포 내 외의 물질 교환 담당한다.

④ 세포와 세포를 구분 짓는 경계막(단일막)이다.

 

3) 미토콘드리아(mitochondria)

① 이중막 구조이며 자체 DNA를 가지기 때문에 자기 복제가 가능하다.

② 에너지를 생성하는 장소로 포도당을 분해해서 에너지를 생성하기 때문에 이화작용이 일어나는 장소이다.

③ 미토콘드리아의 내막은 크리스타 구조로 복잡하게 안으로 접혀 들어가 표면적을 넓 힌다.

④ 기질은 액체상태로 세포호흡에 관여하는 여러 가지 효소가 들어 있다.

 

4) 엽록체(chloroplast)

① 이중막 구조이며 자체 DNA를 가지기 때문에 자기 복제가 가능하다.

② 포도당을 생성하는 동화작용을 한다.

③ 그라나는 명반응이 일어나는 장소로주머니 모양의 틸라코이드가 겹겹이 배열된 내막 구조이다.

④ 스트로마는 암반응이 일어나는 장소로 기질로 채워져 있다.

 

5) 리보솜(ribosome)

① 리보솜은 RNA와 단백질로 이루어진 복합체로서 세포질 속에서 단백질을 합성하는 역할을 한다. 비막구조로서 동화작용을 하는 세포소기관이고 세포질에 떠 있는 것도 있 으나 대부분의 리보솜은 소포체의 표면에 붙어있다.

 

6) 소포체(endoplasmic reticulum)

① 조면소포체에는 mRNA를 읽어 들여 단백질을 만들어내는 리보솜(ribosome)이라는 단백질 복합체가 붙어 있으며 여기에서 진핵세포 대부분의 단백질이 만들어진 후 골지체 로 이동하게 된다.

② 활면소포체는 리보솜이 붙어 있지 않은 부분으로서 단백질의 합성이 전혀 이루어지 지 않고, 주로 지질과 스테로이드 합성의 기능을 한다. 성호르몬이나 부신피질 호르몬 등의 스테로이드 호르몬은 그 기관의 활면소포체에서 생성된 것이다.

 

7). 골지체(golgi body)

① 소포체가 변하여 이루어진 구조물로 막으로 된 여러 개의 원반 모양의 주머니가 포 개어진 구조로 되어있다.

② 단백질의 세포 내 이동은 리보솜(단백질 합성) - 소포체(물질 수송) - 골지체(물질 분비) - 엑소시토시스 - 세포 밖인 과정으로 이동한다.

 

7) 리소좀(lysosome)

① 한 겹의 막으로 둘러싸인 주머니 모양으로 소포체로부터 만들어진다.

② 여러 종류의 가수 분해 효소를 가지고 있어 세포 내 소화를 담당한다.

③ 세포가 기능을 다하여 불필요하게 되면 리소좀의 막이 터져서 세포를 가수 분해 시 켜 다른 세포가 이용할 수 있게 하는 자가분해를 한다.

 

8) 중심립(centriole)

① 주로 동물세포에 존재하며 9+2 구조이다.

② 편모구조와 유사하며 방추사를 형성한다.

③ 미세소관은 튜불린이라는 단백질로 이루어져 있으며 세포가 일정한 형태를 유지하도 록 도와준다.

 

9) 세포벽(cell wall)

① 세포막 바깥쪽의 두껍고 단단한 막으로 세포를 보호하고 모양을 유지시킨다.

② 세포 내의 수분 증발 억제해준다.

 

10) 액포(vacuole)

① 식물세포에만 존재하며 성장한 세포일수록 크기가 크다.

② 삼투압조절을 통해 팽압을 유지함으로써 세포의 모양을 유지시킨다.

 

4. 식물세포와 동물세포의 구조

식물세포의 구조

동물세포의 구조

 

5. 식물세포와 동물세포의 차이점

1) 식물세포와 동물세포에서 액포 관찰

액포는 막으로 싸인 거대한 세포소기관으로 세포벽, 세포 함유물과 마찬가지로 후형질에 속한다. 후형질은 원형질에서 2차적으로 생긴 물질을 말하며, 세포의 생명 활동과는 직접적인 연관이 없다. 액포는 대부분의 식물세포에서 관찰 가능하며 일부 동물세포도 가지고 있는 기관으로, 액포 속에는 당류, 무기염류, 유기산, 단백질 등이 포함된 세포액이 들어 있다. 이 세포액은 같은 세포 내의 액포 간에도 그 구성성분에 차이를 보인다.

① 식물 세포에서 액포의 역할

액포는 세포가 활동하면서 만들어지는 독성물질이나 노폐물 등을 분해하는 역할을 하기도 한다. 동물세포의 경우, 리소좀에 의해 독성물질이나 노폐물 등이 분해되는데, 식물세포는 이러한 역할을 주로 액포가 담당한다. 리소좀이 동물세포에만 존재하는지, 식물세포에도 존재하는지에 대해서는 아직까지 의견이 분분하다. 그러나 식물세포에서 독성물질이나 노폐물을 처리하는 일은 주로 액포가 담당하고 있다는 것에는 이견이 없다. 이외에도 세포 내부의 이온농도 및 산성을 유지하고, 세포의 세포질을 세포막 쪽으로 밀어내어 엽록체를 세포 바깥쪽, 즉 가능한 빛에 많이 노출될 수 있도록 돕는 역할도 수행한다.

액포는 또한 안토시아닌과 같은 색소를 함유하고 있어 세포의 색깔을 결정하기도 한다. 안토시아닌은 단풍나무의 붉은색을 내는 색소이다. 액포는 이렇게 많은 물질들을 저장하고 있기 때문에, 액포와 세포질 사이에 농도 차이가 생기게 되고, 삼투압에 의해 액포 속으로 물이 흡수된다. 물이 흡수되면 액포가 커지고, 커진 액포가 세포벽에 압력을 가하게 되는데, 이렇게 세포 내부에서 외부에 가하는 압력을 팽압이라 한다. 팽압이 증가하면 식물체가 건강하고 탄력 있게 되며 팽압을 유지하지 못하면 세포에 원형질 분리현상이 일어난다. 액포는 이렇게 식물체의 삼투압 조절 및 형태 유지에도 관여한다. 식물에서 세포의 수명이 오래될수록, 또 세포가 커질수록 액포 역시 발달해 크기가 증가하며, 이는 세포 내부의 80% 이상을 차지한다.

② 동물세포에서 액포의 역할

일부 원생생물 및 체내의 대식세포(macrophage)는 세포내소화를 위하여 액포의 일종인 식포(food vacuole)를 이용한다. 또한 원생동물인 아메바나 짚신벌레와 같은 담수산 생물의 체내에는 체표 가까이에 액포의 일종인 수축포(contractile vacuole)를 두어 체내의 잉여 염류나 배출물을 체외로 배출시켜 삼투압을 조절하는 데 이용한다.

 

6. 식물세포에만 있고 동물세포에는 없는 세포 소기관

1) 세포벽

진핵세포에서는 식물세포에만 존재하며, 셀룰로오스, 펙틴, 리그닌 등이 주성분이다. 세포분열이 끝나고 어린 세포가 만들어지면 먼저 1차세포벽이 생기게 되는데, 1차세포벽의 주성분이 셀룰로오스다. 그리고 서로 인접해 있는 두 세포들의 1차세포벽 사이에 중간층이 형성되는데, 이 중간층의 주성분이 펙틴이다. 그러다 세포가 완전히 자라고 나면 1차세포벽의 안쪽에 2차세포벽이 생기는데, 2차세포벽의 주성분은 리그닌이나 큐틴 등으로 매우 견고한 벽이 만들어진다. 

세포벽은 세포막에 비해 두껍고 견고하여 세포를 보호하고 모양을 유지하는 역할을 한다. 식물세포를 농도가 매우 낮은 용액에 넣었을 때, 삼투압에 의해 세포 안으로 물이 흡수되어도 세포가 잘 터지지 않고 모양을 유지할 수 있는 것도 세포벽이 있기 때문이다. 그렇지만 물질의 출입을 조절하는 능력은 없으며 이 기능은 세포막에 의해 수행된다.

 

2) 엽록체

① 엽록체의 구조

전자현미경으로 보면 식물세포 속의 엽록체는 지름이 약 5~10㎛이고 두께는 2~3㎛인 원형이나 타원형의 구조이며, 세포막이 외막과 내막의 이중막 구조로 되어 있다. 내막 안쪽에는 틸라코이드가 층을 이루면서 쌓여 있는 그라나가 있으며 그 사이의 공간에는 여러 가지 광합성에 필요한 효소들이 들어있는 스트로마라는 기질이 있다. 틸라코이드는 한 겹으로 된 막의 납작한 주머니인데, 이 주머니들이 차곡차곡 포개져서 책갈피처럼 층을 구성하고 있는 것이 그라나이고, 이런 구조를 라멜라 구조라고 한다.

② 엽록체의 역할

물과 이산화탄소를 재료로 엽록체에 있는 그라나와 스트로마에서 태양에너지를 흡수하여 포도당과 같은 유기물이 만들어지는데, 이는 식물이 살아가는 데 필요한 에너지원이 된다. 또한 이러한 물질대사의 부산물로 나오는 산소는 인간을 포함한 동물들에게 있어 호흡을 통한 물질대사를 가능하게 함으로써 생명을 이어가는 데에 중요한 역할을 하고 있다.

세포의 성장에 따른 액포의 형성과정	엽록체의 구조
세포벽의 구조

 

7. 가설 설정

1) 동물세포의 관찰 : 구강상피세포 슬라이드제작 및 관찰

① 메틸렌블루로 인해 세포 안의 핵이 염색되어 보일 것이다.

② 프레파라트의 왼쪽에 도말한 세포에는 물대신 생리식염수를 사용했기 때문에 세포가 터지지 않고 본 상태 그대로를 유지 한 채 관찰될 것이다.

③ 동물세포에는 세포벽이 없으므로 세포들이 각이 잡힌 형태를 이루지 않을 것이다.

④ 광학 현미경으로 저배율에서 고배율로 관찰할수록 저배율에서는 보이지 않던 세포소기관들이 고배율에서는 보이게 될 것이다.

 

2) 식물세포의 관찰 : 양파표피세포 슬라이드제작 및 관찰

① 요오드 용액으로 인해 세포 안의 핵이 염색되어 보일 것이다.

② 양파 세포는 식물 세포이기 때문에 세포벽이 있고 따라서 세포 하나하나의 형태가 각이 진 모양일 것이다.

③ 광학 현미경으로 저배율에서 고배율로 관찰 할수록 저배율에서는 보이지 않던 세포 소기관들이 고배율에서는 보이게 될 것이다.

 

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