세포의 구조와 기능

수업목표

1. 세포설을 요약 설명한다. 2. 형질막의 기능을 기술하고, 어떤 구조들이 이 기능을 수행

하는지를 설명한다. 3. 세포의 확산, 삼투, 여과 과정을 기술하고 그 생리학적 역할

을 설명한다. 4. 운반체매개운반과 소포운반 기전을 기술하고, 이 운반기전

들이 세포속에서 하는 일을 설명한다. 5. 전형적인 세포의 소기관에 관해 기술하고 각 소기관의 기능

을 열거한다. 6. 세포의 핵 기능을 설명한다. 7. 세포주기의 단계인 유사분열과 사이기와 세포질 분열에 관

해 기술하고, 그 중요성을 설명한다. 8. 세포분열과 암 사이의 관계를 논한다. 9. 분화를 정의하고 그 중요성을 설명한다.

어휘공부

• Aero – 공기 – areobic(유산소) • Ana – 따로따로 – anaphase(후기) • Chondrion – 과립 - mitochondria • Chroma – 색깔 – chromosome(염색체) • Cyto – 세포 – cytoplasm(세포질) • Endo – 속 – endocytosis(세포내섭취) • Exo – 밖 – exocytosis(세포외배출) • Hemo – 혈액 – hemolysis(용혈) • Hyper – 위 – hypertonic(고장성) • Hypo – 아래 – hypotonic(저장성) • Inter – 사이 – interphase(사이기) • Interstitium – 사이에 존재하는 것 –

fluid(사이질액) • Iso – 동일한 – isotonic(등장성) • Kinesis – 운동 – cytokinesis(세포질 분열)

• Meta – 뒤 – metaphase(중기) • Micro – 작은 – microtubule(미세관) • Mitos – 실 – mitosis(유사분열) • Osmos – 밀기 – osmosis(삼투) • Phagein – 먹다 – phagocyte(포식세포) • Pinein – 마시다 – pinocytosis(포음작용) • Podon – 발 – pseudopod(거짓발) • Pro – 앞 – prophase(전기) • Pseudo – 거짓 - pseudopod(거짓발) • Ptosis – 떨어져나감 – apoptosis(세포자

멸사) • Reticulum – 그물 – endoplasmic

recticulum(근형질세망) • Soma – 몸 – lysosome(용해소체) • Telos – 끝 – telophase(말기) • Tonos – 긴장 – isotonic(등장성)

세포설(Cell theory)

1. 세포는 모든 식물과 동물을 구성하는 기본 단위이다.

2. 세포는 생명 기능을 수행하는 최소단위이다.

3. 세포는 기존의 세포가 분열함으로써 만들어진다.

4. 세포는 항상성을 유지한다.

세포의 일반구조

세포의 일반구조_con

• 세포외액(extracellular fluid) • Interstitial fluid(간질액으로도 불린다)

• Cell membrane(형질막, 세포막) • 세포질(cytoplasm)을 세포외액으로부터 격리

• 세포질 • 핵을 둘러싸고 있다

• Cytosol(세포액)과 세포소기관(organelle)로 나뉜다

형질막(세포막)의 기능

1. 공간격리 • 세포외액으로부터 격리 • 항상성 유지

2. 주위와의 물질 교환 통제 • 이온과 영양소가 세포 속으로 들어오고 노폐물을 세포 밖으로

제거, 분비물이 방출되는 과정 통제

3. 주위환경에 대한 감수성 • 세포외액으로부터 인해 영향을 받는 첫 세포성분 • 다양한 수용체(receptor)포함

4. 구조지지 • 안정된 조직구조를 이룸

– 매우 얇고 섬세한 구조 – 6~10nm – 지질, 단백질, 탄수화물이 포함

막지질(membrane lipids)

• 글리세롤 한 분자에 지방산 두 분자가 결합된 형태

• 글리세롤은 머리, 지방산은 꼬리

• 머리부분은 친수성(hydrophilic) – 바깥

• 꼬리부분은 소수성(hydrophobic) – 속

– 그래서 세포막을 ‘인지질 양층’이라고 부

른다.

막지질(membrane lipids)_con

• 소수성 – 꼬리부분 • 물이나 전하를 지닌 물질과 섞이지 않는 특성

• 따라서 산소나 이산화탄소 등과 지용성 분자는 형질막의 지질 성분을 통과할 수 있지만 이온이나 수용성 화합물은 통과하지 못한다.

막단백질(membrane proteins)

• 막횡단 단백질(transmembrane protein) • 가장 대표적인 단백질

• 수용체 단백질(receptor protein) • 통로 단백질(channel protein) • 운반체 단백질(carrier protein) • 효소(enzyme) • 고정 단백질(anchor protein) • 인지 단백질(identifier protein)

막탄수화물(membrane carbohydrate)

• 세포막의 바깥면에서 단백질이나 지질에 합쳐져 복합물질 형성

• 이 복합물질 _ 당단백질, 당지질이라 칭함

• 세포의 윤활물질 또는 접착물질로 작용

• 세포 밖에 존재하는 물질과 결합하는 수용체로 작용

• 자신의 세포와 조직을 면역계통이 공격하지 못하도록 막는 인식장치의 일부를 이룸

확산(diffusion)과 여과(filtration)

• 막 통과를 촉진하는 수동운반과정 • 세포막은 선택 투과성을 갖는다

• 물질의 크기, 전하, 분자형태, 지용성 등의 요인에 따라서

• 수동과정과 능동과정 • 수동과정

– 에너지를 전혀 소모하지 않고도 이온이나 분자들이 세포막을 통과하는 과정

– 확산과 여과, 확산의 특수형태인 삼투가 존재 – 매게 운반은 능동과정(능동운반)과 수동과정(촉진확산) 모두 존재

• 능동과정 – 세포가 에너지를 소모, ATP사용 – 소포운반을 통한 세포내섭취와 세포외반출

수동과정(passive process) • 확산

• 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 형태 • 농도경사 _ 확산 후 농도경사는 사라짐

• 확산_con

• 세포 내 이산화탄소 농도 vs 세포 외, 혈액

세포막을 통한 확산

• 이온, 분자(두 가지 방법으로 막을 통과) 1. 형질막 중 지질 부분을 통과

2. 통로 단백질을 통과

– 형질막을 통해 확산 될 수 있는 결정요인 1. 지용성

2. 형질말 통로에 대한 상대적 크기

특수한 유형의 확산(삼투)

• 정의: 막을 통한 물의 확산

• 물 분자의 농도가 같아질 때까지 더 높은 용액을 향해 막을 통과하는 경향을 보임

• 특성 1. 삼투는 막을 통한 물 분자의 확산이다.

2. 선택투과성을 지닌다. 물은 자유로이 통과, 용질은 자유로이 통과할 수 없는 막을 통해 일어남

3. 용질의 농도가 높은 용액을 향해 막을 통과하여 이동(물 분자의 농도가 낮은 곳으로 이동)

삼투와 삼투압

• 삼투압(osmotic pressure) • 용질의 농도 차이에 의해 물이 그 용액으로 이동하는 힘

• 용질의 농도가 높아지면 삼투압도 높아짐

• 정수압(hydrostatic pressure) • 삼투압의 반대 개념

• 삼투압의 반대 방향으로 미는 힘을 가하면 물 분자의 이동을 막는다

• 용질의 농도에 따라

– 등장성, 저장성, 고장성 용액으로 분류

1. 등장액(isotonic solution)

2. 저장액(hypotonic solution)

3. 고장액(hypertonic solution)

적혈구의 예를 들어

1. 등장액(isotonic solution) • 적혈구가 정상 형태를 유지 • 용질이 평형상태이기 때문에 물 분자의 이동이 발생하지 않는다

2. 저장액(hypotonic solution) • 적혈구가 풍선처럼 부풀어 오름 • 세포가 터지는 용해가 발생

3. 고장액(hypertonic solution) • 적혈구가 쭈그러들어 탈수된다 • 무딘콥날꼴(crenation)

• Ex) • 심한 출혈이나 탈수환자

– 다량의 수액보충

– 0.9%(0.9g/dl)의 NaCl 용액 – 생리식염수

– 전체 용직의 농도와 거의 유사

– 나트륨과 염소가 대표적인 세포외액의 성분이기 때문

여과(filtration)

• 정수압에 의해 물 분자가 막을 통과하는 과정

• 인체에서는 심장의 혈액 방출 – 혈압 • 가느다란 혈관벽에서 발생

• 혈액에 녹아 있던 영양소와 물이 인체 조직 속으로 밀려들어감

운반체매개운반과 소포운반

• 운반체매개운반(carrier-mediated transport) • 막 단백질이 특정 이온이나 유기물질과 결합하여 세포

막을 통과하는 방식

• 이 단백질은 효소와 유사한 특징

• 반복 사용가능, 특정 기질에만 결합

• Ex) 포도당을 운반하는 단백질은 다른 단당류는 운반하지 않는다.

• 수동적 능동적 두 가지 방법을 다 취한다.

• 수동적 운반은 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동

• 능동적 운반은 높은 곳에서 낮은 곳으로 낮은 곳에서 높은 곳으로 이동 가능

• 운반체매개운반(carrier-mediated transport)

• 동향수송(cotransport) – 운반체가 두 물질을 같은 방향(세포 밖 또는 세포 내)으

로 운반하는 방식

• 역방향운반(countertransport) – 한 물질은 세포 내, 다른 물질은 세포 밖으로 운반하는

방식

– 운반체 매개운반의 대표적인 두 가지 • 촉진확산, 능동운반

촉진확산(facilitated diffusion)

• 포도당과 아미노산의 운반

• ATP를 사용하지 않아 분자의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동

• 속도가 느리다 • 운반체 단백질의 수가 한정되어 있기 때문

능동운반(active transport)

• ATP를 사용

• 장점 • 농도 경사를 따르지 않아도 됨

• 모든 세포는 이온펌프(ion pump)라는 운반체 단백질 존재

• 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘 등의 양이온을 농동 운반하여 세포막을 통과

• 다른 세포는 요오드, 염소, 철 등 운반

소포운반(vesicular transport)

• 막으로 둘러싸인 소포(vesicle)에 물질이 들어있는 상태에서 세포 내에서 밖으로 운반하는 것

• 두 종류 존재 1. 세포내섭취

2. 세포외배출

세포내 섭취(endocytosis)

• 세포 외 물질을 세포 표면에 형성된 작은 소포로 포장하여 세포 내로 운반하는 과정

1. 수용체매개세포내섭취(receptor-mediated endocytosis)

2. 포음작용(pinocytosis)

3. 포식작용(phagocytosis)

수용체매개세포내섭취

(receptor-mediated endocytosis)

Ex) 콜레스테롤, 철 이온

포음작용(pinocytosis)

• ‘세포를 마신다’는 의미

• 세포외액이 들어 있는 작은 소포들이 형성되는 과정

• 수용체 단백질이 관여하지 않기 때문에 수용체매개세포내섭취만큼 선책성이 높지는 않다.

포식작용(phagocytosis)

• ‘세포를 먹는다’는 의미

• 소포는 세포직의 연장된 구조인 위족(pseudopodia)가 물체를 둘러싼 후 위족의 세포막이 융합되어 형성

• 여러 개의 용해소체(lysosome)과 합쳐지고 내용물은 용해소체의 효소가 분해

• 세균, 세포의 잔해물, 기타 비정상적인 물질들을 삼켜 조직을 보호하는 기능

세포외 배출(exocytosis)

• 세포내 섭취의 반대과정

• 세포내의 소포가 세포막과 결합하여 그 내용물을 세포 밖으로 배출

• 호르몬, 점액, 손상된 소기관을 재생하는 과정에 생긴 노폐물

세포막을 통한 운반기전

세포질 속 소기관

• 세포액(cytosol) • 세포내액 • 영양소와 이온, 수용성단백질, 불용성단백질, 노폐물

등을 함유

– 세포외액과 내액의 차이점 1. 내액

» 고농도의 칼륨, 저농도의 나트륨

» 고농도의 단백질(효소)

» 소량의 탄수화물, 다량의 아미노산 및 지질

» 불용성물질함유(글리코겐, 지방세포 속의 지방방울)

2. 외액

» 고농도의 나트륨, 저농도의 칼륨

소기관(organelles)

• 핵(nucleus) • 사립체(mitochondria) • 세포그물(endoplasmic recticulum) • 골지복합체(golgi apparatus) • 용해소체(lysosome) • 과산화소체(peroxisome)

등이 존재 – 막에 의해서 보호

소기관(organelles)_con

• 세포뼈대(cytoskeleton) • 미세융모(microvilli) • 중심소체(centriole) • 섬모(cilia) • 편모(flagella) • 리보솜(ribosome) • 단백질분해소체(proteasome)

비막소기관

세포뼈대(cytoskeleton) 잔섬유와 세관

미세잔섬유, 중간잔섬유, 미세관

굵은 잔섬유는 근육세포에만 존재

미세융모

• 세포막의 표면적 증가

• 세포 밖에 있는 물질을 활발히 흡수

• 소화관, 콩팥의 세포

중심소체, 섬모, 편모

• 중심소체 • 세포분열을 하는 모든 동물의 세포 속 한 쌍씩 존재

• 서로 직각을 이룸 • 세포분열 시 염색체를 운반하는 방추사를 생산 • 적혈구, 골격근세포, 심장근세포, 신경세포에는 중심소체가 없어 세포분열을 할 수 없음.

• 섬모 • 능동운동을 통해 세포의 표면에서 액체와 분비물을 운반

• 호흡통로의 섬모(감기, 가래 – 기침과 호흡기 감염)

• 편모 • ‘채찍’이란 의미

• 섬모보다 길다

• 액체 속에서 세포 이동

• 정자(인체에서 유일하게 편모가 존재)

리보솜

• 핵이 있는 DNA가 제공한 정보를 이용하여 단백질을 생산하는 기관

• 자유리보솜 • 세포질에 골고루 분포 • 생산된 단백질을 세포액으로 들어감

• 고정리보솜 • 세포질 그물에 부착

– 고정리보솜에서 생산된 단백질은 세포질그물 속

으로 들어가 수정된 후 밖으로 배출

단백질 분해소체

• 세포질 속 단백질 제거

• 단백질 분해효소 함유

• 손상되거나 변성된 단백질 제거 또는 재활용, 바이러스에 감염된 세포에서 생산된 비정상 단백질을 분해

소포질 그물

• 핵막과 연결된 구조 • 기능

1. 합성 » 단백질, 탄수화물, 지질을 생산

2. 저장 » 합성한 물질이나 세포액에서 흡수한 물질을 세포의

작용에 영향을 주지 않으면서 저장

3. 운반 » 물질을 세포질그물 내에서 운반할 수 있다

4. 해독 » 약물이나 독소를 흡수한 후 자체 효소들을 이용하여

중화시킬 수 있다

• 무과립세포질그물(smooth ER) • 리보솜이 붙어 있지 않음 • 지질과 탄수화물 생산 • 모든 세포의 세포막, ER, 핵막, 골지복합체의 유지와 성장에 필요한 인지질과 콜레스테롤 합성

• 스테로이드 호르몬 합성 » 테스토스테론, 에스트로겐

• 간세포와 지방세포에서의 글리세라이드 합성, 저장

• 골격근세포와 간세포에서의 글리코겐 합성 및 저장

• 과립세포질그물(rough ER) • 리보솜이 붙어 있음

• 공장과 선착장을 겸하고 있는 형국

• 고정리보솜에서 합성된 단백질을 RER 속으로 이동

• 일부는 남아 효소로 작용

• 나머지는 세포외로 나간다

– ER의 총량 – 이자_RER이 많다

– 생식기관 _SER이 많다

– Why?

골지 복합체

용해소체

• 분해효소로 가득찬 소포, 골지복합체에서 생성

• 세포 내 청소 및 재활용 기능담당 • ‘자살폭탄’이라고 불림_질병 방어작용

• 면역계통 세포들은 세균, 액체, 조직파편을 세포내섭취하여 삼킨 후 소포 속에 고립 후 용해소체와 합쳐 분해효소를 이용당이나 아미노산처럼 재활용 가능한 물질 방출

• Ex) 근육세포 » 근육세포가 활동을 멈추면 근육세포의 수축단백질을

서서히 분해

» 근육세포가 활동하면 과정은 중단

과산화소체

• 기존의 과산화소체가 성장 또는 분할해서 새로이 만듬.

• 지방산과 기타 유기화합물을 흡수한 후 분해

• 이 과정에서 과산화수소가 생성

사립체

핵

• 핵막 • 이중구조

• 핵질과 세포질 사이를 차단

• 핵질 • 이온, 효소, RNA와 DNA의 nucleotide, 단백질, 소량의 RNA, DNA 함유

• 핵공 • 이온과 분자는 통과, 단백질과 RNA는 통제 할 수 있다.

• 핵소체 • Ribosomal RNA(리보솜 RNA)합성

• 리보솜의 소단위를 조립하는 작은 소기관

• DNA • 염색체를 포함

• 23쌍