제 4 장 세 포
식물세포에 대한 연구 과정
1655년 영국의 물리학자인 Robert Hooke는 현미경을 이용하여 나무 수피의 코르 크 박편을 관찰하여 처음으로 세포(cell)라는 용어를 만들었다.
1838년 독일의 식물학자 슈라이덴은 ‘모든 식물은 세포로 이루어져 있다’고 했다.
1858년 비르초우는 “동물은 오로지 동물로부터 생겨나고 식물은 오로지 식물로부터 생겨나듯이, 세포 역시 오직 기존의 세포에서만 생겨난다”고 하였다.
슈라이덴, 시반 그리고 비르초우 이들 3인의 관찰을 바탕으로 하여 19세기 초 세포 설(cell theory)이 탄생하였다.
세포설에 따르면 세포는 모든 생명체의 기본구조이며, 모든 세포는 양친세포로부터 생겨난다고 한다.
Pine needle plant cell walls seen under a light microscope
고사리 배우체 세포
1. 생물은 하나 혹은 많은 작은 세포로 되어 있다.
2. 세포의 두 가지 형은 원핵세포와 진핵세포이다.
2.1 세포막, 세포질, 리보좀은 모든 세포에 존재한다.
2.2 세포막의 기능은 물질 교환과 수송이다.
2.3 핵은 진핵생물의 유전정보를 가진다.
2.4 내막계는 물질을 합성하고 수송한다.
2.5 세포골격과 운동 단백질은 세포를 움직인다.
2.6 미토콘드리아는 세포 내 화학에너지의 변환 장소이다 2.7 퍼옥시좀은 방어효소를 가지고 있다.
3. 식물 세포는 진핵세포의 일반구조와 다른 성분도 가진다.
3.1 셀룰로오스가 풍부한 세포벽은 식물체를 지지하고 보호한다.
3.2 원형질연락사에 의해 식물세포는 연결되어 있다.
3.3 색소체(엽록체, 백색체, 잡색체)는 광합성 및 기타 기능을 가진 곳이다.
3.4 액포는 식물세포에서 중요한 역할을 한다.
제 4 장 세 포
1. 생물은 하나 혹은 많은 작은 세포로 되어 있다.
단세포생물과 다세포생물
하나의 세포로 이루어진 생물을 단세포생물이라 한다(그림 4-1a).
대부분의 박테리아와 고세균, 많은 원생동물, 곰팡이 일부가 포함된다.
부분의 해초류, 곰팡이, 식물, 동물과 같이 크기가 커서 쉽게 보이는 생물들은 수많 은 작은 세포로 이루어져 있으므로 다세포 생물이라 한다.
a. 다세포 생물은 흔히 유형이 다른 하나 이상의 조직을 갖는다(그림 4-1b).
b. 조직이란 유사한 구조와 기능을 갖는 세포 집단을 말한다.
bacterium
세포
후크가 관찰한 작은 방에 해당하는 것은 나무 수피의 코르크 조직을 이루는 죽은 세포들이었다(그림 4-1c).
대부분의 세포들은 크기가 극히 작아서 1㎛(백만분의 1미터) 내지 100㎛의 범위에 있다.
그림 4-1. 세포와 조직. (a) 단세포 광합성 녹조류인 Chlorotetraedron 몇몇 세포들.
(b) 수 많은 작은 녹색 세포로 이루어진 식물조직. 각 세포는 세포벽으로 둘러 싸여 있다. (c) 코르크 병마개 의 단면으로서 코르크 조직의 개별 세포들을 보여 준다. 성숙한 코르크 조직의 세포들은 죽는다.
녹조류 식물조직 코르크 조직
2. 세포의 두 가지 형은 원핵세포와 진핵세포이다.
2.1 세포막, 세포질, 리보좀은 모든 세포에 존재한다.
2.2 세포막의 기능은 물질 교환과 수송이다.
2.3 핵은 진핵생물의 유전정보를 가진다.
2.4 내막계는 물질을 합성하고 수송한다.
1) 소포체(endoplasmic reticulum) 2) 골지장치
2.5 세포골격과 운동 단백질은 세포를 움직인다.
1)세포골격의 성분 : microtubule, microfilament, intermediate filament 2)운동 단백질의 유형 : kinetin, dynein, myosine
3) 편모(flagella)
2.6 미토콘드리아는 세포 내 화학에너지의 변환 장소이다.
2.7 퍼옥시좀은 방어효소를 가지고 있다.
원핵세포
반면에 박테리아, 고세균은 단순한 원핵세포로 이루어져 있기 때문에 원핵생물 (prokaryote)이다.
원핵세포는 세포막, 세포질(리보좀을 포함하는 수용액 성분) 그리고 리보좀만을 가 지고 있으며, 핵 및 기타 소기관을 가지고 있지 않다(그림 4-8).
진핵세포
식물, 동물, 곰팡이, 원생동물은 복잡한 진핵세포로 이루어져 있기 때문에 진핵생물 (eukaryote)로 알려져 있다.
진핵세포란 핵 이외에도 막에 둘러싸인 구조 즉 소포체(ER)와 골지체로 이루어진 내막계를 갖는 세포로 정의 된다.
식물세포는 진핵세포이기 때문에 핵과 미토콘드리아, 세포골격, 퍼옥시좀, 색소 및 기타 소기관을 갖는다(그림 4-7).
2. 세포의 두 가지 형은 원핵세포와 진핵세포이다.
그림 4-8. 투과 전자현미경으로 관찰한 원핵세포.
이 세포(대장균)는 식물세포나 다른 진핵세포에서 볼 수 있는 복잡한 내부구조가 결여되어 있 다. 이 세포를 채우고 있는 작은 점들은 리보좀이다. 이들 리보좀은 진핵세포의 리보좀에 비해 크기가 작다. 가는 DNA 가닥도 관찰된다.
그림 18-2. 원핵세포와 진핵세포의 구조.
(a) 원핵세포의 내부 구조는 아주 작은 진핵세포의 것보다 더 간단하다.
(b) 진핵세포의 내부구조. 핵과 다른 소기관들은 투사전자현미경을 사용해 관찰할 수 있 다.
2.1 세포막, 세포질, 리보좀은 모든 세포에 존재한다.
모든 진핵세포와 원핵세포는 적어도 세 가지의 성분을 공통적으로 가지고 있다.
a. 세포막(cell membrane) ～ 원형질막이라고 알려져 있으며, 세포질의 외부 경계 를 이루며, 인지질, 단백질 및 기타물질로 이루어져 있다.
b. 세포질(cytoplasm) ～ 리보좀과 기타 세포 구조들을 포함하는 수용액 성분이다.
c. 리보좀(ribosome) ～ 단백질과 RNA로 이루어져 있으며, 세포의 단백질 합성 장소이다.
2.2 세포막의 기능은 물질 교환과 수송이다.
모든 세포는 내부에 단백질을 포함하는 세포막을 갖는다.
세포막은 선택적 투과성을 가지고 있다.
a. 물, 산소, 이산화탄소, 질소 등 전하를 띠지 않는 매우 작은 분자들은 세포막을 쉽게 통과할 수 있다.
b. 반면에 전하를 가진 이온이나 큰 분자들은 세포막에 존재하는 특이적인 막 수송 체 단백질들을 통과하지 않고는 통과할 수 없다(그림 4-9).
그림 4-9. 세포막의 운반체 단백질.
각각의 운반체 단백질은 세포막을 통하여 특정한 큰 분자를 운반한다. 운반체는 분자(녹색) 와 결합하여 그 모양을 변화시킴으로서 막의 반대쪽에 분자를 방출한다.
1) 일부 세포막 단백질은 환경정보를 인식한다.
세포막의 수용체 단백질은 주위 환경의 화학적 신호전달물질과 결합한다. 신호전 달물질과 결합한 수용체는 신호를 세포질로 전달하여 세포질에서 반응이 일어나게 한다.
예를 들면 세포막 수용체는 식물의 다른 부위에서 생성된 호르몬 분자를 인식한다.
식물 호르몬은 식물의 발달, 개화, 과실 성숙 및 기타 많은 대사과정에 영향을 미친 다.
An incompatible pollination in Brassica showing the inhibition of self-pollen (Po) and the inability of the emerging pollen tube (Pt) to invade the wall of a stigma epidermal cell (SE).
http://www.pnas.org/content/94/18/9516.full
2) 일부 세포막 단백질은 세포 내외로 물질을 수송한다.
분자들은 세포막에서 수송단백질이라고 하는 통로를 통해 세포를 출입한다.
세포막의 수송단백질은 필요한 물질이나 정보는 세포 안으로 이동하도록 허용하지 만, 유해하거나 불필요한 물질의 출입은 제한한다.
수송단백질은 세포막의 50～75%를 차지할 만큼 세포에게 중요하다. 이들은 일명 운반체, 채널(channel), 혹은 펌프 단백질로 알려져 있다.
예를 들면 식물의 뿌리 세포는 인산이온, 질산 이온과 암모늄 이온 등은 뿌리 세포 막에서 수송 단백질을 통해서 회득된다.
다른 세포막 단백질들은 당이나 아미노산과 같은 유기분자를 수송한다.
3) 선택적 막 투과성은 삼투현상의 기초이다.
식물세포와 세포의 수분이동에 대해서는 먼저 삼투에 대한 이해가 필요하다.
삼투(osmosis)는 세포 내부의 수용액과 세포 외부의 수용액에 용해된 물질의 상대 적 농도에 따라 세포 안 혹은 밖으로 물이 이동하는 현상을 말한다.
이러한 삼투의 원인은 물의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물이 이동하려는 경향 때문이다.
그림 4-10. 용질의 균형.
(a) 등장액에는 세포와 같은 양의 용 질이 들어 있다. 따라서 세포로 들어가는 물의 양과 나오는 물의 양(청 색 화살표)이 같다.
세포 외부의 수용액은 세포 내부의 수용액의 농도에 따라 등장액, 저장액, 고장액 세 가지로 구분된다.
a. 세포 외부의 수용액이 세포 내부의 수용액과 같은 경우 등장액이라고 한다.
• 세포 외부와 내부의 수용액의 용질의 농도가 같은 경우 .
• 세포는 삼투 균형을 이루고 있으므로 세포의 실질적인 물 함량은 변하지 않는다 (그림 4-10a).
b. 외부 수용액이
<
세포 내부의 수용액보다 낮은 경우 저장액이라고 한다.• 세포 외부의 수용액이 세포 내부의 수용액의 용질의 농도보다 낮다.
• 세포 밖으로 나오는 물 분자보다 들어가는 물 분자가 많으므로 세포는 팽창하여
터지게 될 것이다(그림 4-10b).• 그러나 대부분의 원핵생물을 비롯하여 많은 원생생물, 곰팡이 및 식물들은 물
흡수에 따른 세포팽창을 억제할 수 있도록 세포벽을 발달시켰다(그림 4-10c).(b) 저장액에는 용질이 세포 내부보다 낮은 농도로 들어 있다. 이 경우 세 포로 물이 더 많이 확산되어 들어가 게 되므로 세포가 파열된다.
(c) 세포 내부의 용질 농도가 높아서 세포질이 외부로 팽창될 때(적색 화 살표)(세포가 저장액에 있을 때) 세포벽은 세포의 파열을 방지한다.
일부 담수의 원생생물들은 수축포(contractile vacuole)를 갖는다(그림 4-11).
그림 4-11. 수축포. 일부 원생동물은 낮은 용질 농도의 외부 환경에 대처하기 위해 막 주머니에 물을 축적하여(a) 주기적으로 세포 밖으로 배출 한다(b).
c. 세포 외부 수용액이
>
세포 내부의 수용액보다 높은 경우 고장액이라고 한다.• 세포 외부의 수용액이 세포 내부의 수용액의 용질의 농도보다 높다.
• 이 경우에 물은 세포 밖으로 이동하기 때문에 세포질의 수축 즉 원형질분리가
일어난다(그림 4-12).그림 4-12. 원형질분리.
(a) 외부 환경과 삼투적 균형을 이루고 있는 식물 세포의 사진(Elodea의 잎).
(b) 잎이 고 장 액 속 에 놓 임 으 로 써 탈 수 된 세 포에 서 는 세포막이(화살표) 세포벽으로부터 분리된다.
환경과 삼투적 균형을 이루고 있는 세포는
(c) 세포를 나가는 물의 양과 세포로 들어오는 물의 양(청색 화살표)이 동일하다.
고장액 속에 든 세포는
(d) 물을 뺏기므로 세포막은 세포벽에서 떨어져 나온다(적색의 화살표).
*엘로데아속은 자라풀과에 속하며 12종(種) 의 수생식물로 이루어진 속임.
4) 일부 식물은 염 환경에 적응 되었다.
일부 식물은 사막이나 해안 염습지와 같은 고염 생육지에서도 생장을 계속할 수 있 다. 이러한 식물들은 염생식물(halophyte)이라고 알려져 있다.
염생식물은 삼투에 의한 세포손상을 방지 할 수 있는 다양한 적응능력을 갖추고 있 다.
a. 많은 식물은 액포에 NaCl을 축적하거나 세포질에 유기용질을 축적한다.
이렇게 함으로써 세포 안과 밖의 용질농도가 균형을 이루게 한다.
b. 일부 염생식물은 염을 배출하기도 한다.
예를 들면 해안가의 맹그로브(mangrove)는 잎의 표면에 염을 분비한다(그림 4-14).
c. 일부 염생식물은 여분의 염을 특수한 조직에 고립시킨다.
예를 들면 우리나라 해안가 등에 서식하는 퉁퉁마디는 염분을 마디 끝에 저장했다 가 염분이 많아지면 마디를 끊어 식물이 피해를 입지 않게 한다.
그림 4-14. 염분 적응 식물.
(a)블랙 맹그로브는 잎의 표면에서 과잉의 염분을 배출함으로써 고염 환경에 적응한다.
(b)퉁퉁마디
(a) (b)
5) 엔도시토시스와 엑소시토시스도 세포막을 통해 물질을 수송한다.
막 수송체 단백질이 운반할 수 없는 입자나 기타물질을 세포가 수송할 필요가 있 을 때는 어떻게 할까?
진핵세포는 엔도시토시스와 엑소시토시스를 통해 이러한 수송이 가능하다(그림 4-15).
엑소시토시스(exocytosis)
소포(vesicle)라고 하는 구형의 막으로 물질을 둘러싸서 세포 밖으로 운반하는 것 이다.
소포는 세포막과 유사한 물질로 이루어져 있으므로 세포막과 쉽게 융합되어 내용 물을 세포 밖으로 배출할 수 있다.
식물 뿌리가 토양을 뚫고 자랄 때 뿌리 세포의 윤활작용을 도와주는 다당류 점액 질을 다량으로 분비하는데 이를 위해 뿌리 세포는 엑소시토시스를 이용한다.
그림 4-15. 엑소시토시스, 엔도시토시스, 식작용.
(a) 소포에 싸인 물질은 소포와 세포막의 융합을 통하여 세포 밖으로 이동한다(엑소시토시스). 물질 이 세포 안으로 이동할 때는 그 반대 과정을 취한다(엔도시토시스).
엔도시토시스(endocytosis)
물질을 구형의 세포막으로 둘러싸서 세포 내로 끌어들인 후 세포질에서 소포를 막 에서 분리시키는 과정이다.
엔도시토시스의 한 예로서 콩과식물의 뿌리 세포로 질소고정 박테리아가 들어가 는 것을 들 수 있다.
교과서 68쪽을 보시오
만일 식물 세포를 순수한 물에 담그면 의 변화로 인해 세포가 팽창되어
세포막이 세 포벽을 압박할 때까지 물이 세포로 들어갈 것이다. 이것을 세포의 팽압이라고 하는데 팽압은 세포막 내부와 외부의 수분 퍼텐셜이 같아질 때까지 증가하며, 같아진
상태에 서는 세포막을 통한 물의
순수한 이동은 일어나지 않는다(그림 E 4.1A).
물의 소실에 의해 세포가 죽는 것을 피하 기 위한 적응 기작으로서 건조, 추위, 혹은 고염환경에 저항성이 있는 식물들은 자신 들의 세포질 내의 용질농도를 조절할 수 있는 능력이 있다. 이것을 삼투조절
(osmotic adjustment)이라고 한다. 용질이 추가되면 세포의 Ψw가 감소되어 세포 밖 의 물을 안으로 끌어들임으로서 원형질분 리를 방지한다.
반대로 식물세포를 진한 소금물 용액 에 담그면 물은 세포를 빠져 나온다.
세포는 팽 압을 잃고 세포막이 세포벽 에서 떨어져 나옴에 따라 원형질분리 가 일어난다(그림 E 4.1B).
교과서 68쪽을 보시오
2.3 핵은 진핵생물의 유전정보를 가진다.
핵(nucleus)은 진핵세포에서 유전정보인 DNA를 보관하는 장소이다(그림 4-16).
두 개의 막으로 이루어진 핵막이 핵의 내부 즉 핵질을 둘러싸고 있다.
또한 핵에는 세포질 리보좀을 생성하는 인(nucleolus)이 들어 있다.
핵막에는 단백질에 둘러싸인 구멍 즉 핵공들이 있다.
그림 4-16. 진핵생물의 핵.
이중막으로 된 핵막과 인이 보인다.
인 핵막 핵
진핵세포의 핵 DNA는 단백질과 결합하여 염색체(chromosome)를 형성한다(그림 4-17).
그림 4-17. 염색체, 염색사, 인.
양파 뿌리의 표본에서 DNA는 보라색 으로 염색되었다. 중앙의 큰 세포는 분 열 중이며 뚜렷한 염색체를 가지고 있 다.
세포분열을 행하지 않고 있는 세포들은 DNA가 펼쳐져 있어서(뚜렷한 염색체가 보이지 않음) 염색사라고 한다.
2.4 내막계는 물질을 합성하고 수송한다.
내막(endomembrane)은 단백질이 묻혀 있는 인지질 막이라는 점에서 세포막과 유사하지만 세포질에 존재한다는 것이 다르다.
내막계는 세포질에 있는 모든 내막들을 총칭한다.
핵막은 흔히 내막계와 연결되어 있으며 구조적으로도 유사하다.
내막계의 2가지 주요한 성분은 소포체와 골지장치이다(그림 4-18b).
그림 4-18. 투과 전자 현미경으로 관찰한 내막계.
(a)소포체(화살촉 표시). 여기에서 보여준 것은 조면 소포체로서 표면에 리보좀을 가지고 있다.
(b) 골지체.
1) 소포체(endoplasmic reticulum)
소포체(ER)란 납작해진 막상 주머니나 관이 그물처럼 얽힌 구조를 갖고 있으며, 두 가지 형태 즉 활면소포체와 조면소포체가 있으며, 서로 연결되어 있다.
a. 활면소포체 ～ 막을 합성하는데 필요한 지방산과 인지질을 생산한다.
또한 활면소포체는 유해한 독소가 덜 해로운 분자로 분해되는 곳이기도 하다.
b. 조면소포체 ～ 조면소포체의 표면은 리보좀으로 덮여 있어서 울퉁불퉁 거칠어 보인다.
• 리보좀은 단백질과 RNA로 이루어진 작은 구형구조. 단백질을 합성하는 장소
• 조면소포체에서 생산된 단백질은 여러 단계를 거쳐 세포 밖으로 방출된다(그림 4-19).
그림 4-19. 내막계.
(a) 세포 밖으로 분비되는 단백질들은 조면소포체에 결합된 리보좀 에서 합성된다.
(b)와 (c) 새롭게 합성된 단백질은 조면소포체를 지나, 작은 소포에 포장된다.
(d) 이들 소포는 골지체로 이동하여 여기에서 형성면과 융합한다.
(e) 분비면에서 단백질, 탄수화물 혹은 당단백질들은 소포에 둘러싸 여 포장된 후, (f) 세포막을 이동하여 세포막과 융합하고,
(g) 아울러 소포의 내용물은 세포 밖으로 방출된다. 이러한 과정을 통하여 세포막의 표면적 은 더욱 증가한다.
2) 골지장치
a. 골지장치의 구조 ～ 골지장치는 하나 이상의 골지체 즉 시스터네(cisternae)라고 하는 팬케이크 모양의 막상 주머니가 층을 이루어 배열한 구조로 이루어 졌다 (그림 4-18b).
b. 골지장치의 기능 ～ 세포의 물질을 생산하고 공정하여 적절한 장소로 배분하는 것이다.
• 골지체의 효소들은 소포체에서 단백질에 첨가되었던 당 사슬들을 정돈하거나 공 정한다.
• 또한 식물의 골지체는 세포벽형성에 참여하는 비셀루로오스 다당류 즉 펙틴 (pectin)과 헤미셀루로오스를 합성하기도 한다.
골지장치의 구조(http://micro.magnet.fsu.edu/cells/golgi/golgiapparatus.html )
http://movementofsubstances.blogspot.com/
http://faculty.southwest.tn.edu/rburkett/Cell%20structure%20and%20function.htm
2.5 세포골격과 운동 단백질은 세포를 움직인다.
세포의 운동은 세포골격 및 이와 결합된 운동 단백질의 활동 때문에 가능하다.
식물세포 운동의 한 예로 세포질 유동을 들 수 있다.
1) 세포골격의 성분
세포골격에는 세 가지 종류가 있는데 모두 가늘고 긴 단백질 섬유로 이루어져 있다.
이들 섬유들은 세포를 구조적으로 지지하는 역할을 한다.
a. 미세소관 ～ 속이 빈 튜브 모양의 미세소관의 벽은 튜블린 단백질로 이루어져 있고, b. 미세섬유 ～ 가느다란 미세섬유는 2개의 액틴 단백질 사슬이 꼬여 있는 형태.
c. 중간섬유 ～ 중간 굵기인 중간섬유가 서로 다른 유형의 단백질 서브 유니트들로 구성.
미세소관(cytoskeleton), 미세섬유(microfilament), 그리고 중간섬유(inter-mediate filament).
http://psy.sabryfattah.com/wp-content/uploads/cytoskeleton-structures.jpeg http://library.thinkquest.org/C004535/cytoskeleton.html
2) 운동 단백질의 유형
a. 세 가지 종류의 운동 단백질이 있는데 키네신(kinesin), 디네인(dynein), 미오신 (myosin)이다. 세포 내에서 미오신은 빠르게 움직이지만 키네신은 천천히 그러 나 꾸준히 움직이고 디네인은 활주운동을 한다.
b. 세포골격의 섬유들은 각각 특정 운동 단백질과 결합되어 있다. 세포 운동을 일 으키기 위하여 키네신과 디네인은 미세소관과 결합하지만 미오신은 미세섬유와 상호작용한다.
c. 진핵세포의 핵분열 동안에 일어나는 염색체의 활발한 이동은 미세소관 및 운동 단백질 때문에 가능하다.
그림 4-20. 운동 단백질인 키네신은 미세소관을 따라 소포를 이동시킨다.
ATP형태의 화학에너지는 이와 같은 세포 운동을 일으키는데 사용된다.
3) 편모
일부 진핵세포는 하나 혹은 그 이상의 편모(flagella) 혹은 섬모(cilia)를 가진다.
이들 편모나 섬모는 세포의 유영활동을 가능하게 한다.
편모는 조류 및 기타 원생동물에서 흔하게 나타나며, 일부 곰팡이 세포에서도 볼 수 있고 동물이나 식물의 정자세포에서도 발견된다.
2.6 미토콘드리아는 세포 내 화학에너지의 변환 장소이다.
미토콘드리아는 진핵세포의 주된 에너지 생산 구조이다(그림 4-22).
a. 이들 내막에 접혀진 부분을 크리스테(cristae)라고 하는데, 이들은 효율적인 에 너지 대사에 필요한 효소와 다른 분자들이 부착할 수 있는 넓은 표면적을 제공 한다.
b. 내막의 안쪽에는 수용액상의 기질(matrix)이 있으며, 여기에도 수용성 효소들이 포함되어 있다.
그림 4-22. 미토콘드리아.
(a) 미토콘드리아의 모식도. (b) 미토콘드리아의 투과 전자 현미경 관찰 사진.
미토콘드리아는 엽록체와 마찬가지로 이중막으로 둘러싸여 있다. 내막은 주름이 잡혀져 크리 스테를 형성한다. 막으로 둘러싸인 가운데 부분을 기질이라고 한다.
2.7 퍼옥시좀은 방어효소를 가지고 있다.
a. 퍼옥시좀 : 일련의 효소를 가지는 세포 소기관이지만 단일막으로 둘러 싸여 있 다. 퍼옥시좀은 식물 광합성에 중요하며, 파괴물질로부터 세포질을 보호하는
소기관이다.
퍼옥시좀에서 발견되는 특징적인 효소는 카탈라아제(catalase)이다(그림 4-23).
카탈라아제는 2H2O2 → 2H2O ＋ O2를 촉매하는 효소이다.
그림 4-23. 퍼옥시좀.
투과 전자현미경 사진. 퍼옥시좀 내의 커다란 결정은 효소인 카탈라아제로 이 루어져 있다.
b. 글리옥시좀 : 기름 함량이 높은 땅콩과 해바라기 종자에는 퍼옥시좀과 유사한
미소체인 글리옥시좀이 들어 있다.
종자가 발아하는 동안 저장된 지질을 당으로 전환시켜 유식물이 광합성을 통해 양분을 합성하기 시작할 때까지 유식물의 유지를 돕는다.
2. 세포의 두 가지 형은 원핵세포와 진핵세포이다.
2.1 세포막, 세포질, 리보좀은 모든 세포에 존재한다.
2.2 세포막의 기능은 물질 교환과 수송이다.
2.3 핵은 진핵생물의 유전정보를 가진다.
2.4 내막계는 물질을 합성하고 수송한다.
1) 소포체(endoplasmic reticulum) 2) 골지장치
2.5 세포골격과 운동 단백질은 세포를 움직인다.
1)세포골격의 성분 : microtubule, microfilament, intermediate filament 2)운동 단백질의 유형 : kinetin, dynein, myosine
3) 편모(flagella)
2.6 미토콘드리아는 세포 내 화학에너지의 변환 장소이다.
2.7 퍼옥시좀은 방어효소를 가지고 있다.
3. 식물 세포는 진핵세포의 일반구조와 다른 성분도 가진다.
3.1 셀룰로오스가 풍부한 세포벽은 식물체를 지지하고 보호한다.
1) 셀룰로오스
2) 식물 세포벽의 비셀룰로오스 성분 3) 일차 세포벽과 이차 세포벽
3.2 원형질연락사에 의해 식물세포는 연결되어 있다.
3.3 색소체(엽록체, 백색체, 잡색체)는 광합성 및 기타 기능을 가진 곳이다.
1) 엽록체
2) 식물과 녹조류의 색소체(백색체)는 녹말을 형성한다.
3) 꽃과 과일의 잡색체는 녹말이 아닌 색소체이다.
3.4 액포는 식물세포에서 중요한 역할을 한다.
3. 식물 세포는 진핵세포의 일반구조와 다른 성분도 가진다.
식물 세포는 진핵세포에서 일반적으로 발견되는 모든 구성성분 이외에도 추가로 몇 가지 특성을 가지고 있다.
식물 세포가 대부분의 다른 진핵세포와 구별되는 점은 다음과 같다(표 4-1).
셀룰로오스가 풍부한 세포벽, 원형질연락사, 중심 액포, 색소체를 갖는다는 점이다.
3.1 셀룰로오스가 풍부한 세포벽은 식물체를 지지하고 보호한다.
식물 세포벽이 수행하는 주된 역할은 식물로부터 스트레스를 완화시켜 주는 것이다.
a. 식물 세포벽은 삼투 스트레스로부터 세포를 보호하고, 병원성 미생물로부터의 공격에 대하여 저항성을 갖도록 도와준다.
b. 식물 세포벽은 세포의 모양에 영향을 미치고 식물의 단단함을 증가시킨다.
식물 세포벽에는 다당류 셀룰로오스가 풍부하게 들어 있으나, 이외에도 세포벽의 기능에 필수적인 비셀룰로오스인 다당류, 당단백질 및 기타물질이 들어 있다.
1) 셀룰로오스
a. 식물 세포벽의 주된 구조적 성분은 긴 탄수화물 중합체의 사슬인 셀룰로오스로 이루어져 있으며 이들은 다른 탄수화물 및 단백질에 의해 서로 연결되어 있다.
b. 셀룰로오스는 적어도 식물 세포 건조 중량의 15% 내지 30% 이상을 차지한다.
c. 셀룰로오스는 그 풍부한 양과 질긴 성질 때문에 종이, 옷감, 기타 생산품을 만드 는데 이용되어 왔다.
그림 3-11. 섬유소(cellulose)는 식물의 구조를 구성하는 탄수화물이다.
(a) 목화씨에 부착된 섬유소가 풍부한 털 세포. (b) 고배율 현미경을 사용해 세포벽에서 관찰 된 섬유소의 미세섬유 가닥들. (c) 섬유소 분자들이 결속되어 미세섬유를 형성하는 모습. (d) 섬유소분자들은 포도당 분자들의 사슬들이 수소결합으로 연결되어 형성된다. (e) 전분과는 달리 연결되는 포도당 분자들은 뒤집어진 형태이며, 노란색으로 표시된 -OH기는 (d)에서 보 여준 수소결합에 관여한다.
2) 식물 세포벽의 비셀룰로오스 성분
식물의 세포벽에는 셀룰로오스 이외에도 헤미셀룰로오스나 펙틴과 같은 기타 다당 류 및 단백질이 들어 있다.
a. 헤미셀룰로오스 ～ 포도당 및 기타 당류의 중합체로서 셀룰로오스 섬유를 상호 결합시키는 역할을 한다.
b. 크실로글루칸(xyloglucan) ～ 포도당과 크실로오스(xylose)를 포함하는 중합체인 크실로글루칸은 육상 식물 세포벽에는 들어 있으나, 녹조류에는 들어 있지 않다.
c. 펙틴(pectin) ～ 또 다른 다당류로서 물과 칼슘 이온을 결합하여 젤리와 같은 기 질을 형성함으로서 세포와 세포 사이의 공간 뿐 아니라 셀룰로오스 피브릴 사이 의 공간을 채운다(그림 4-24).
사람들은 식물 세포벽에서 추출한 펙틴의 겔 형성능력을 이용하여 젤리, 캔디 및 기타 식료품을 제조한다.
그림 4-24. 식물의 세포벽 성분들.
셀룰로오스 피브릴, 헤미셀룰로오스, 펙틴, 당단백질의 배열을 보여주는 모식도.
3) 일차 세포벽과 이차 세포벽
생장 중인 식물 세포는 일차 세포벽만을 가지며, 식물 세포가 크기 증가를 멈춘 후에는 이차 세포벽을 형성한다(그림 4-25).
a. 일차 세포벽 - 세포의 팽창에 따라 길게 늘어 날 수 있는 능력이 있다. 세포의 크기가 확장되기 위해서는 세포벽 성분의 유연성 조절과 더불어 액포가 물을 흡수해야 한다.
b. 이차 세포벽 - 식물 세포가 크기 증가를 멈춘 후에는 셀룰로오스
미크로피브릴과 접착성 다당류로 이루어진 이차 세포벽이 일차 세포벽의 안쪽에 축적된다.
그림 4-25. 식물의 세포벽.
애기장대의 수분 통도조직 세포를 보여준다. 저배율로 나타난 (a)의 경우 일차 세포 벽은 세포 주위 전체를 둘러싸는 형태로 축적되어 있다.
이차 세포벽의 물질은 나중에 축적 되지만 일차 세포벽 전체를 둘러싸는 것은 아니 다. (b)에 나타난 부위는 (a)의 박스로 둘러싸인 부분에 해당한다. (c) 일차 세포벽과 이차 세포벽을 모식적으로 나타낸 것이다.
3.2 원형질연락사에 의해 식물세포는 연결되어 있다.
식물 및 많은 조류의 인접한 세포들은 비록 세포벽을 사이에 두고 분리되어 있지만, 상호연락이 가능하다. 이것은 세포질을 연결하는 통로인 원형질연락사
(plasmodesmata)가 있기 때문이다(그림 4-26).
식물의 원형질연락사는 단순한 개방된 통로가 아니라 세포막으로 둘러싸여 있으며, 중심부에 한 가닥의 소포체를 가지고 있다.
그림 4-26. 원형질연락사.
(a) 투과 전자현미경 사진.
(b) 이웃한 세포 사이에서 소포체가 원형질연 락사를 통해 뻗어 있는 모양을 보여주는 모 식도.
소포체와 세포막 사이의 열린 부분에는 단백질이 들어 있는데 이 단백질들은 세 포 사이의 물질 통과를 조절하는 것으로 생각되고 있다.
- 이온이나 핵산 크기의 분자들이 원형질연락사를 통해
식물에 상처가 생기면 식물은 캘로스(callose, β-glucan)라고 하는 접착성 다당류를 만들어 상처 부위의 원형질연락사를 막아버린다.
3.3 색소체는 광합성 및 기타 기능을 가진 곳이다.
색소체에는 엽록체, 백색체 그리고 잡색체가 있다.
1) 엽록체
식물의 잎과 녹색 부위에는 엽록체(chloroplast)라고 하는 세포 소기관이 들어 있 다. 엽록체는 광합성의 필수적 색소인 엽록소(chlorophyll)를 포함한다.
식물과 조류의 세포에는 하나의 세포 당 엽록체가 40～50개인 경우가 대부분이다.
색소체는 이중막으로 둘러싸이며 엽록체 안에는 층을 이루어 배열된 막이 있는데, 이것을 틸라코이드(thylakoid)라고 한다(그림 4-27).
광합성에서 중요한 역할을 하는 엽록소 및 기타 분자들은 틸라코이드에 결합되어 있다.
틸라코이드가 점유하지 않은 부분은 스트로마(stroma)이다.
스트로마에는 광합성에 필요한 여러 효소가 들어 있으며, 원핵생물의 경우와 유사한 DNA와 리보좀도 들어 있다.
그림 4-27. 엽록체.
(a) 엽록체의 모식도.
(b) 옥수수 엽록체의 투과 전자현미경 사진으로 스트로마와 틸라코이드 막을 보여 주고 있으며, 틸라코이드 막의 일부는 동전을 쌓아 올린 것 같은 층상구조를 이루고 있다.
삽입도는 원으로 표시된 부분을 확대 한 것이다.
화 살 촉 으 로 표 시 한 부 분 은 엽 록 체의 이 중 포 막이 다 . 화 살 표 들 은 2 개 의 틸 라 코 이 드 층상구조를 표시한다.
(c) 동전과 같이 생긴 막의 층상구조를 바닥 쪽에서 바라보이도록 엽록체를 절단한 현미경 사진이다.
그림 4-28. 뿌리 세포의 녹말체.
(a) 투과 전자현미경 사진. 녹말체에는 수많은 녹말 과립이 들어 있으며, 엽록체에 서 발견되는 방대한 틸라코이드 막을 찾아 볼 수 없다.
(b) 녹말체에 포함된 녹말립(청자색으로 염색된)을 보여 주는 뿌리 조직의 광학 현미경 사진.
2) 식물과 녹조류의 색소체(백색체)는 녹말을 형성한다.
식물과 녹조류에서 광합성의 탄수화물 산물은 특징적인 녹말립을 이루어 스트로 마에 보관된다. 녹말체 또는 백색체(amyloplast)는 녹말을 풍부하게 함유하고 있 는 색소체이다. 주로 뿌리나 녹말 저장조직에서 발견된다(그림 4-28).
이러한 녹말은 특히 최적속도의 광합성이 일어나지 못하는 때와 같이 필요한 경우 에는 에너지 생산 및 기타 목적을 위해 당으로 전환 될 수 있다.
한 예로서 당단풍 나무의 경우 이른 봄 줄기 정단과 어린잎의 생장을 돕기 위해 뿌리와 줄기에 저장된 녹말을 당 용액으로 전환하여 공급한다.
녹말은 인간 영양소의 중요한 성분이므로 감자, 타로(taro), 마니오크(manioc 일명 카사바)와 같이 녹말 함량이 높은 몇몇 작물을 특별히 경작한다.
2) 꽃과 과일의 잡색체는 녹말이 아닌 색소체이다.
잡색체(chromoplast)는 지용성 카로티노이드 색소에 의해 밝은 오렌지색, 황색, 혹은 적색을 띠는 색소체이다(그림 4-29).
익은 과실, 가을 단풍, 꽃잎의 색은 잡색체로 인하여 고유한 색깔을 띠게 된다.
식물 카로티노이드는 과일과 채소의 형태로 섭취한 후 비타민 A를 만들어 눈과 피부의 건강에 필수적인 역할을 한다.
그림 4-29. 후추의 잡색체.
수 많은 오렌지색 색소체로 인하여 후추 열 매는 밝은 색을 띤다.
3.4 액포는 식물세포에서 중요한 역할을 한다.
세포 중심에 위치하는 하나의 커다란 물 풍선 같은 액포(vacuole)는 전형 적으로 성숙한 식물 세포에서 관찰되며, 세포 부피의 90%를 차지한다(그 림 4-30).
액포는 액포막(tonoplast)이라고 하는 단일막으로 둘러싸여 있다.
그림 4-30. 대형의 액포를 가진 식물 세포.
옥수수 잎에서 엽맥(양분과 수분의 통도조직)과 인접 한 세포를 보여준다. 엽록체 및 다른 기관들은 세포벽 바로 가까이에 위치하며, 세포 중심의 대부분은 액포 가 차지한다.
식물 액포의 주된 역할
• 식물의 구조를 유지시켜 주는 팽압을 유지하는 것이다.
• 이온이나 다른 물질을 축적한다.
a. 감귤류 과일의 경우 액포는 산을 저장하는 저장장소로 사용되며,
여러 종류의 꽃에는 적색, 보라색, 청색 등의 색소를 저장하는데 사용된다.
b. 또한 사탕수수나 사탕무의 경우에는 당을 저장한다.
c. 액포는 또한 쓴맛을 내는 탄닌이나 자극성 결정(그림 4-31) 혹은 중금속 같은 화 합물을 축적함으로서 초식성 곤충의 공격으로부터 식물을 보호하기도 한다.
그림 4-31. 식물 세포의 액포에 들어 있는 결정.
이들 결정은 다발을 이루는 긴 바늘 형태의 결정속으로 알려져 있다. 종단면 과 함께 중간 지점에서 절단한 횡단면을 보여준다.
3. 식물 세포는 진핵세포의 일반구조와 다른 성분도 가진다.
3.1 셀룰로오스가 풍부한 세포벽은 식물체를 지지하고 보호한다.
1) 셀룰로오스
2) 식물 세포벽의 비셀룰로오스 성분 3) 일차 세포벽과 이차 세포벽
3.2 원형질연락사에 의해 식물세포는 연결되어 있다.
3.3 색소체(엽록체, 백색체, 잡색체)는 광합성 및 기타 기능을 가진 곳이다.
1) 엽록체
2) 식물과 녹조류의 색소체(백색체)는 녹말을 형성한다.
3) 꽃과 과일의 잡색체는 녹말이 아닌 색소체이다.
3.4 액포는 식물세포에서 중요한 역할을 한다.
1. 생물은 하나 혹은 많은 작은 세포로 되어 있다.
2. 세포의 두 가지 형은 원핵세포와 진핵세포이다.
2.1 세포막, 세포질, 리보좀은 모든 세포에 존재한다.
2.2 세포막의 기능은 물질 교환과 수송이다.
2.3 핵은 진핵생물의 유전정보를 가진다.
2.4 내막계는 물질을 합성하고 수송한다.
2.5 세포골격과 운동 단백질은 세포를 움직인다.
2.6 미토콘드리아는 세포 내 화학에너지의 변환 장소이다 2.7 퍼옥시좀은 방어효소를 가지고 있다.
3. 식물 세포는 진핵세포의 일반구조와 다른 성분도 가진다.
3.1 셀룰로오스가 풍부한 세포벽은 식물체를 지지하고 보호한다.
3.2 원형질연락사에 의해 식물세포는 연결되어 있다.
3.3 색소체(엽록체, 백색체, 잡색체)는 광합성 및 기타 기능을 가진 곳이다.
3.4 액포는 식물세포에서 중요한 역할을 한다.
