02 세포의 특성

생명체의 유기적 구성

(1) 동물의 유기적 구성

① 동물은 모양과 기능이 비슷한 세포들이 모여 조직을, 여러 조직이 모여 특정한 형태와 기능을 나타내는 기관을, 연관된 기능을 하는 여러 기관이 모여 기관계를, 기능이 서로 다른 여러 기관계가 모여 하나의 개체를 이룬다.

② 동물의 조직

• 상피 조직: 몸 바깥을 덮거나, 몸 안의 기관과 내강을 덮고 있는 조직이다.
• 결합 조직: 다른 조직을 결합시키거나 지지하는 조직이다.
• 근육 조직: 근육 세포로 구성되며, 몸의 근육을 구성하는 조직이다.
• 신경 조직: 신경 세포로 구성되며, 자극을 받아들이고 신호를 전달하는 기능을 하는 조직이다.

③ 동물의 기관과 기관계

• 기관: 여러 조직이 모여 특정 기능을 수행하는 기관을 이룬다. 예) 뇌, 심장, 콩팥, 간, 폐, 이자 등
• 기관계: 연관된 기능을 하는 기관들이 모여 구성된다. 예) 소화계, 순환계, 호흡계, 배설계, 내분비계, 면역계, 신경계, 생식계 등

(2) 식물의 유기적 구성

① 식물은 모양과 기능이 비슷한 세포들이 모여 조직을, 조직이 모여 조직계를, 조직계가 모여 기관을, 기관이 모여 하나의 개체를 이룬다.

② 식물의 조직

• 분열 조직: 세포 분열이 일어나는 생장점과 형성층이 있다.
• 영구 조직: 분열 조직으로부터 분화되어 분열 능력이 없으며, 표피 조직, 유조직, 통도 조직 등이 있다.

③ 식물의 조직계

• 표피 조직계: 식물체 내부를 보호하고 수분 출입을 조절하며, 표피, 공변세포, 큐티클층, 뿌리털 등으로 구성된다.
• 관다발 조직계: 물질의 이동 통로인 물관부와 체관부로 구성되며, 형성층이 포함되는 경우도 있다.
• 기본 조직계: 양분의 합성과 저장 기능을 하며 울타리 조직, 해면 조직 등으로 구성된다.

④ 식물의 기관: 뿌리, 줄기, 잎과 같은 영양 기관과 꽃, 열매와 같은 생식 기관이 있다

 

생명체를 구성하는 기본 물질

(1) 탄수화물

① 구성 원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O)이다.

② 주된 에너지원으로 이용되며, 식물 세포벽의 구성 성분이다.

③ 종류에는 단당류, 이당류, 다당류가 있다.

• 단당류: 포도당, 과당, 갈락토스 등이 있다.
• 이당류: 2분자의 단당류가 결합된 화합물로 엿당, 설탕, 젖당 등이 있다.
• 다당류: 수백 또는 수만 분자의 단당류가 결합한 것으로 녹말, 글리코젠, 셀룰로스 등이 있다.

(2) 지질

① 주요 구성 원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O)이다.

② 에너지원으로 이용되며, 세포막과 일부 호르몬의 구성 성분이다.

③ 유기 용매에 잘 녹는다.

④ 종류에는 중성 지방, 인지질, 스테로이드가 있다.

• 중성 지방: 1분자의 글리세롤과 3분자의 지방산이 결합된 화합물로, 에너지 저장과 체온 유지에 중요한 역할을 한다.
• 인지질: 중성 지방에서 지방산 1분자 대신 인산기를 포함한 화합물이 결합한 것으로, 세포막, 핵막 등과 같은 생체막의 주요 구성 성분이다.
• 스테로이드: 4개의 고리가 연결된 구조로, 성호르몬, 부신 겉질 호르몬 등의 구성 성분이다. 대표적인 예로 콜레스테롤이 있으며, 콜레스테롤은 동물 세포막의 구성 성분이다.

 

(3) 단백질

① 주요 구성 원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N)이다.

② 효소, 호르몬, 항체의 주성분으로 물질대사와 생리 작용을 조절하고 방어 작용에 관여한다.

③ 열이나 pH 변화 등에 의해 단백질의 입체 구조가 쉽게 변화되는데, 이를 단백질의 변성이라고 한다. 단백질이 변성되면 원래의 기능을 상실한다.

④ 20종류의 아미노산이 단백질을 구성하는 기본 단위이고, 각각의 아미노산은 펩타이드 결합에 의해 연결된다.

 

아미노산의 구조와 펩타이드 결합

(4) 핵산

① 구성 원소는 탄소(C), 수소(H), 산소(O), 질소(N), 인(P)이다.

② 유전 정보를 저장 및 전달하고 단백질 합성에 관여한다.

③ 기본 단위는 인산, 당, 염기가 1：1：1로 결합된 뉴클레오타이드이다.

④ 종류에는 DNA와 RNA가 있다.

 

세포의 연구 방법

(1) 현미경

세포의 구조를 연구할 때 이용한다.

• 현미경의 종류: 세포의 연구에 주로 이용되는 현미경으로는 광학 현미경(일반적인 광학 현미경, 위상차 현미경, 형광 현미경)과 전자 현미경(투과 전자 현미경, 주사 전자 현미경)이 있다.

(2) 세포 분획법

세포의 성분 분석과 세포 소기관의 구조와 기능 연구를 위해 이용한다.

① 원리: 세포를 균질기로 부순 다음 원심 분리기를 이용하여 세포 소기관을 크기와 밀도에 따라 분리한다.

② 과정: 세포와 농도가 같은 설탕 용액이 든 시험관에 세포를 넣고 저온에서 파쇄한 후 이 파쇄액을 원심 분리한다. 느린 회전 속도에서는 비교적 크고 무거운 핵 등이 가라앉아 분리되고, 회전 속도가 빨라질수록 점차 작은 세포 소기관이 가라앉아 분리된다.

 

(3) 자기 방사법

세포 내 물질의 위치와 이동 경로를 알아보고자 할 때 이용한다.

① 원리: 방사성 동위 원소가 포함된 물질을 세포나 조직에 넣어준 후, 방사성 동위 원소에서 방출되는 방사선을 추적한다.

② 이용의 예: 방사성 동위 원소로 표지된 아미노산이 들어 있는 배양액에 세포를 배양하면서 시간 경과에 따라 방사선을 방출하는 세포 소기관을 조사하면 세포 내에서 단백질이 합성되어 이동하는 경로를 알 수 있다.

 

세포의 구조와 기능

(1) 세포의 구조

① 세포막으로 둘러싸인 세포는 핵과 세포질로 구분된다.

② 세포질에는 미토콘드리아, 엽록체, 골지체, 소포체, 리보솜, 중심립(중심체) 등 다양한 세포내 구조물이 존재한다.

 

(2) 생명 활동의 중심-핵

① 세포의 생명 활동을 조절하고, 세포의 구조와 기능을 결정하는 유전 물질이 있다. 핵막으로 둘러싸여 있으며, 핵 속에는 염색질과 인이 존재한다.

② 핵 속의 유전 물질(DNA)에 저장된 유전 정보에 의해 단백질이 합성되며, 단백질에 의해 세포 내 대부분의 생명 활동이 조절된다.

③ 핵막: 외막과 내막의 2중막 구조이고, 외막의 일부는 소포체 막과 연결되어 있다. 핵막에 있는 핵공은 핵과 세포질 사이의 물질 이동 통로가 된다.

④ 염색질: DNA가 히스톤 단백질 등과 결합한 구조로, 뉴클레오솜이 기본 단위이다.

⑤ 인: 단백질과 RNA가 많이 모여 있는 부분이며, 막이 없다. 리보솜을 구성하는 rRNA가 합성되는 장소로, 리보솜 합성에 관여한다.

(3) 물질의 합성과 수송

① 리보솜

• 리보솜 RNA(rRNA)와 단백질로 구성된 2개의 단위체(대단위체와 소단위체)로 이루어져 있으며, 막으로 싸여 있지 않다.
• 거친면 소포체에 붙어 있거나 세포질에 존재한다.
• mRNA에 의해 전달되는 유전 정보에 따라 단백질을 합성한다.

② 소포체

• 납작한 주머니나 관 모양의 막이 연결된 형태의 구조물이고, 단일막 구조이다.
• 소포체 막의 일부가 핵막과 연결되어 있다.
• 물질 수송의 통로 역할을 한다.

㉠ 거친면 소포체: 표면에 리보솜이 붙어 있다. 리보솜에서 합성된 단백질을 가공(변형)하고 운반한다.

㉡ 매끈면 소포체: 표면에 리보솜이 붙어 있지 않다. 인지질, 스테로이드 같은 지질을 합성하고, 독성 물질을 해독하며, Ca²⁺을 저장한다.

③ 골지체

• 납작한 주머니 모양의 구조물인 시스터나가 층층이 쌓인 형태이고, 단일막으로 되어 있다.
• 소포체에서 이동해 온 단백질이나 지질을 가공(변형)하고 포장하여, 세포 밖으로 분비하거나 세포의 다른 부위로 이동시킨다.
• 소화샘 세포, 내분비샘 세포와 같은 분비 작용이 활발한 세포에 발달해 있다.

단백질의 합성과 분비

(4) 에너지 전환

① 엽록체

• 빛에너지를 화학 에너지로 전환하여 포도당을 합성하는 광합성이 일어나는 장소이다.
• 외막과 내막의 2중막 구조로 되어 있고, 그라나와 스트로마로 구분된다.
• 그라나는 틸라코이드가 쌓여 층을 이룬 구조로 되어 있다. 틸라코이드 막에는 광합성 색소와 단백질이 있다.
• 스트로마는 엽록체에서 미토콘드리아의 기질에 해당하는 부위로 포도당 합성에 관여하는 다양한 효소가 들어 있다. 이곳에 독자적인 DNA와 리보솜이 있어 스스로 복제하여 증식할 수 있다.

• 광합성을 하는 식물과 조류에서 관찰된다.

② 미토콘드리아

• 유기물을 분해하여 생명 활동에 필요한 에너지를 얻는 세포 호흡이 일어나는 장소이다. 외막과 내막의 2중막 구조로 되어 있고, 내막은 크리스타를 형성한다.
• 유기물에 저장된 화학 에너지가 ATP 형태의 화학 에너지로 전환된다.
• 내막 안쪽은 기질이라 하며, 이곳에 독자적인 DNA와 리보솜이 있어 스스로 복제하여 증식할 수 있다.

• 간세포와 근육 세포 등과 같이 에너지를 많이 필요로 하는 세포에 다수 분포한다.

③ 엽록체와 미토콘드리아의 비교

(5) 물질의 분해와 저장

① 리소좀

• 단일막으로 둘러싸여 있는 작은 주머니 모양으로 골지체의 일부가 떨어져 나와 만들어진다.
• 단백질, 탄수화물, 지질, 핵산 등을 분해하는 다양한 가수 분해 효소가 들어있어 세포내 소화를 담당한다.
• 세포 내부로 들어온 세균과 같은 이물질, 손상된 세포 소기관과 노폐물을 분해한다.

② 액포

• 단일막으로 둘러싸여 있는 주머니 모양의 세포 소기관이고, 식물 세포에 주로 존재한다.
• 물을 흡수하여 세포의 수분량과 삼투압을 조절한다.
• 영양소나 노폐물을 저장하며, 세포가 성숙해짐에 따라 발달한다.

(6) 세포의 형태 유지와 운동

① 세포 골격

• 단백질 섬유가 그물처럼 얽혀 있는 구조이다.
• 세포 소기관의 위치와 세포의 형태를 결정짓는 역할을 한다.
• 세포 골격의 종류에는 미세 소관, 중간 섬유, 미세 섬유가 있다.

② 편모와 섬모

• 미세 소관으로 이루어진 세포의 운동 기관이다.
• 섬모는 길이가 짧고 수가 많으며, 편모는 길이가 길고 수가 적다.

③ 중심체

• 핵 근처에 위치하며, 직각으로 배열된 중심립 2개로 구성된다.
• 중심립은 미세 소관으로 이루어져 있으며, 세포 분열 시 방추사가 뻗어 나온다.

④ 세포벽

• 식물 세포에서 세포 보호 및 형태 유지, 식물체 지지 등의 기능을 한다.
• 물과 용질을 모두 통과시키는 구조로 물질 출입을 조절하지 못한다.
• 식물 세포에서 주성분은 셀룰로스이며, 어린 식물 세포에서는 비교적 얇은 1차 세포벽이 형성되고, 세포가 성숙하면서 1차 세포벽과 세포막 사이에 두껍고 단단한 2차 세포벽이 형성된다.

원핵세포와 진핵세포

(1) 원핵세포와 진핵세포(동물 세포)의 비교

(2) 원핵세포의 구조

① 일반적으로 원핵세포의 리보솜은 진핵세포의 리보솜과 비교하여 크기가 작고, 구성하는 단백질과 RNA의 종류가 다르다.

② 원핵세포 중 일부는 세포벽 바깥에 피막을 가진다.

참고자료: EBS 수능 특강 생명과학2