세포

세포(細胞)는 모든 생물체의 구조적·기능적 기본 단위이다. 세포에 대해 연구하는 학문을 세포생물학이라고 한다. 세포는 세포막으로 둘러싸인 세포질로 구성되어 있으며, 단백질 및 핵산과 같은 많은 생체분자를 포함하고 있다.

개념과 정의

세포는 생명 활동을 수행하는 최소 단위로, 각 세포는 적어도 스스로 물질대사를 할 수 있다. 즉 영양소를 받아들여 에너지로 전환하고, 고유한 기능을 수행하며, 필요에 따라 번식할 수 있다. 모든 세포는 세포 분열을 통한 번식, 물질대사를 통한 에너지 생성과 분자 합성, 단백질 합성, 외부 혹은 내부 자극에 대한 신호전달 체계 등의 능력을 공유한다.

생물은 단세포 생물(단일 세포로 구성, 세균 포함) 또는 다세포 생물(식물 및 동물 포함)로 분류할 수 있다. 식물 및 동물의 세포 수는 생물종마다 다르며, 사람의 경우 약 60조(6×10¹³) 개의 세포를 가진 것으로 추산된다. 대부분의 식물 세포와 동물 세포는 1~100μm(마이크로미터) 범위로, 현미경으로 관찰할 수 있다.

세포의 유형

세포는 세포핵의 유무에 따라 크게 두 가지 유형으로 나뉜다.

• 원핵세포: 세포핵과 같은 막으로 둘러싸인 세포소기관이 없다. DNA는 원형 DNA로 단일 염색체를 구성하며 세포질의 핵양체에 존재한다. 세균과 고균이 여기에 해당한다. 대부분의 원핵생물은 지름이 0.5~2.0μm로 가장 작은 생물체이다.
• 진핵세포: 막으로 둘러싸인 세포핵과 다양한 세포소기관을 가진다. 식물, 동물, 균류, 원생생물이 여기에 해당한다. 진핵세포는 일반적인 원핵세포보다 약 15배 더 넓으며, 부피로는 1,000배 이상 더 클 수 있다. 인체를 구성하는 데는 약 220종류의 세포가 필요하다.

원핵세포와 진핵세포는 세포핵의 유무, DNA 구조, 리보솜, 미토콘드리아, 엽록체, 세포 분열 방식 등에서 차이를 보인다.

세포의 구조와 구성 성분

모든 세포는 다음과 같은 주요 구성 요소를 가진다.

• 세포막(원형질막): 세포의 세포질을 둘러싸고 있는 생체막으로, 주변 환경으로부터 세포를 분리·보호하며 물질의 출입을 선택적으로 조절한다. 대부분 인지질 이중층으로 구성되어 있다.
• 세포골격: 세포의 형태를 조직하고 유지하며 세포소기관을 고정시키는 역할을 한다. 진핵세포의 세포골격은 미세섬유, 중간섬유, 미세소관으로 구성된다.
• 유전 물질: DNA와 RNA 두 종류가 존재한다. DNA는 장기적인 정보 저장에, RNA는 정보 전달, 효소 기능, 단백질 번역 과정에 사용된다.
• 세포소기관: 세포핵, 미토콘드리아, 엽록체, 소포체, 골지체, 리소좀, 퍼옥시좀, 중심체, 액포, 리보솜 등이 있다. 이들은 각각 고유한 기능을 수행한다.

식물 세포는 동물 세포와 달리 세포벽, 엽록체, 큰 액포를 가지며, 동물 세포는 중심체와 리소좀을 가진다는 차이가 있다. 세포벽의 구성 물질도 식물은 셀룰로스, 균류는 키틴, 세균은 펩티도글리칸으로 다르다.

세포 내 과정

• 세포 분열: 원핵세포는 이분법으로, 진핵세포는 체세포 분열(유사 분열) 또는 감수 분열로 분열한다. DNA 복제는 세포 주기의 S기 동안 일어난다.
• 물질대사: 세포는 영양소 분자를 처리하여 에너지와 환원력을 생성하는 이화대사와, 복잡한 분자를 생합성하는 동화대사를 수행한다.
• 단백질 합성: DNA에 저장된 유전 정보가 RNA로 전사되고, 이후 리보솜에서 번역되어 단백질이 합성된다.

다세포화와 세포 분화

다세포 생물에서 세포는 특정 기능에 적합한 상이한 세포 유형으로 분화된다. 포유류의 주요 세포 유형으로는 피부세포, 근육세포, 뉴런, 혈구, 섬유아세포, 줄기세포 등이 있다. 세포 유형은 모양과 기능은 다르지만 유전적으로는 동일하며, 유전자의 차등발현에 의해 분화가 이루어진다. 다세포성은 남세균, 점액세균 등을 포함하여 적어도 25회 이상 독립적으로 진화해 온 것으로 알려져 있다.

세포의 기원

최초의 세포는 약 35억 년 전 지구 상에 출현한 것으로 추정된다. 최초의 세포는 무산소 호흡으로 유기물을 분해하여 에너지를 얻는 종속영양생물이었을 것으로 보인다. 진핵세포는 원핵세포들의 공생 군집으로부터 진화한 것으로 보이며, 미토콘드리아와 엽록체는 독립적으로 생활하던 세균이 숙주세포와 공생하다가 분화된 것이라는 세포 내 공생설이 제시되어 있다.

세포 연구의 역사

• 1665년: 영국의 과학자 로버트 훅이 코르크 조각을 현미경으로 관찰하여 세포를 최초로 발견하고, '세포(cell)'라는 용어를 만들었다. 이는 라틴어 'cella'(작은 방)에서 유래한 것으로, 수도원의 수도사들이 살던 작은 방과 닮았다는 이유로 명명되었다.
• 1838~1839년: 독일의 과학자 마티아스 야코프 슐라이덴과 테오도어 슈반이 식물과 동물이 세포로 이루어져 있다는 세포설을 제창하였다.
• 1855년: 루돌프 피르호가 세포는 기존의 살아있는 세포로부터만 만들어진다고 주장하여 세포설을 완성·일반화하였다.
• 1931년: 에른스트 루스카가 최초의 투과 전자 현미경을 제작하여 이전에는 관찰할 수 없었던 세포소기관들을 밝혀냈다.
• 1953년: 제임스 D. 왓슨과 프랜시스 크릭이 DNA의 이중 나선 구조에 대한 논문을 발표하였다.
• 1981년: 린 마굴리스가 세포 내 공생설을 발표하였다.