원형질

요약 동식물의 세포에서 생활에 직접적으로 관계가 있는 물질계로, 핵·세포질을 포함하는 세포 내의 '살아 있는 물질계'를 가리킨다.

1840년 체코의 동물생리학자인 푸르키녜(Jan Evangelista Purkyně)가 동물세포에서, 1864년에는 독일의 식물학자 몰(Hugo von Mohl)이 식물세포 안에 있는 반투명한 분유동성의 물질을 처음 관찰하여 그 내용을 명명한 프로토플라즘(protoplasm)에서 유래했다. 프로토플라즘은 오늘날의 세포질을 의미한다. 이후 원형질의 구성과 부분의 연구에 의해 각 원형질이 세부 부분으로 나뉘게 되면서 포괄적 의미가 감소하여 핵과 세포질, 세포막을 통합하여 부르는 의미로 불리게 되었다.

원형질의 구성

원형질은 물 85∼90%, 단백질 7∼10%, 지질 1∼2% 그밖의 유기물 1∼1.5%, 무기이온 1∼1.5% 등으로 이루어져 있으며 각 구성 물질은 그 나름의 역할을 가지고 있다.

1) 물:원형질 안에 존재하는 여러 물질 및 이온들의 매질 구실을 하는 경우와 단백질이 주가 되는 물질계에 연결되어 어느 정도 자유도를 제한 받고 있는 경우가 있다. 일반적으로 물질대사가 활발한 세포에서는 물의 함량이 높다. 또한 융해열, 기화열, 비열이 높아 체온 유지에 절대적으로 필요하며 세포 내 물질이동 및 화학반응의 매개가 되고 산도를 유지한다.

2) 단백질:물과 함께 세포 안에서 가장 중요한 성분으로, 원형질의 콜로이드적 성질이나 물리화학적 성질의 많은 부분은 단백질 성분에 기인하는 경우가 많다.

3) 지질: 원형질 내에 있는 효소의 반응성을 조절하는 구실을 하며, 에너지원으로의 역할도 한다.

4) 기타 유기물: 단백질·지질 이외의 유기물로 탄수화물·핵산 등이 있다. 탄수화물은 저장물질로서 중요하고, 원형질 구조의 일부를 이룬다. 핵산은 생물의 유전현상의 주역을 맡고 있는 DNA와 단백질 합성과 관계가 있는 RNA로 각각 원형질의 활동 및 구조에 없어서는 안 되는 것이다.

5) 무기이온: 무기화합물은 원형질 내부의 수소이온의 농도 조절, 삼투압 조절 등에 관여한다.

원형질의 특성

세포 안에는 원형질 이외에 원형질이 2차적으로 변형된 것으로 생각되는 물질이 있다. 예를 들면, 탄수화물·단백질·지방·지질·세포벽·광물질·액포·결정·소포체·리보솜 등 그 존재가 생명현상과 직접 관계가 없는 것으로 생각되어 후형질(metaplasm)이라는 이름으로 원형질과 구별된다. 색소체, 미토콘드리아 등은 스스로 분열·증식이 가능하여 후형질에 포함시키지 않는다.

이외에도 원형질은 특수한 기능과 연관되어 각각 특유한 구조를 나타내는 경우가 있어서 이런 구조를 이형질(alloplasm)이라고 한다. 중심체·방추사 등이 이에 해당된다. 하지만 하나의 세포 내에서 원형질과 후형질을 간단히 구별할 수 없는 경우가 많다. 현미경으로 원형질을 관찰해 보면 광학적으로 균질인 기초구조 사이에 핵을 비롯한 크고 작은 입자가 파묻혀 있음을 알 수 있다. 또한, 균질인 것으로 보이는 이러한 기초구조(투명질:hyaloplasm)도 자세히 보면 부분적으로 물리화학적 성질이 다르다는 것을 알 수 있어 현미경으로 보이지 않는 차원에 무언가 구조가 분화하고 있음을 알 수 있다.

원형질은 단백질을 비롯한 많은 고분자 화합물로 이루어져 있기 때문에 복잡한 콜로이드 상태로 되어 있다. 따라서 원형질 안에서의 브라운운동이나 원형질유동, 원심력에 의해 세포 내용물이 이동하는 일 등은 원형질의 유동성을 나타낸다. 원형질 안에 있는 각종 효소의 존재나 그들의 효소활동을 기본으로 하는 세포의 물질대사는 원형질 안의 구조와 밀접한 관계를 가진다. 즉, 세포호흡과 관련된, 특히 산소 운반을 담당하는 효소군은 미토콘드리아라는 지름 1∼3μm의 구조물에 붙어서 존재하며, 또한 세포의 단백질합성의 주역을 맡고 있는 RNA는 지름 50∼20nm의 작은 입자 안에 가장 많이 존재한다.

한편, 원형질의 기초구조인 투명질 안에는 해당작용을 하는 효소군을 비롯한 몇 종류의 중요한 효소가 분산되어 있으며, 이와 같은 효소는 수소이온 농도, 산화환원 전위, 기질과의 접촉 등이 적당히 조절된 원형질 안에서 유기적으로 통일된 대사계를 이루고 있다. 원형질의 물질대사가 그 구조와 밀접하게 관계하고 있음은, 원형질 구조를 인위적으로 파괴한 경우 물질대사가 현저히 영향을 받는다는 사실로부터도 분명해진다. 또한, 거꾸로 특수한 약품을 써서 세포의 대사활동을 억제하면 원형질의 현미경적 구조가 변하는 사실도 알려져 있다. 이와 같이 원형질의 내부에서 생리작용과 구조와의 관계를 상세히 연구하는 일은 생명현상을 밝히는 데 매우 중요하다.

원형질은 지름 1~100nm의 단백질 입자인 콜로이드(colloid)입자가 물에 고르게 분산되어 있는 콜로이드 상태로 존재되며 브라운 운동(Brownian motion) 또는 원형질 유동을 보인다.

원형질 유동

원형질 유동은 살아 있는 세포에서만 관찰되는 것으로 여러 원인에 의하여 세포의 원형질이 일정한 방향으로 움직이는 현상이다. ATP를 에너지원으로 사용하며 액틴과 미오신의 상호작용에 의해 일어난다. 자주달개비의 어린 수술의 털세포 등에서 볼 수 있다.

졸(sol)과 겔(gel)의 변화

원형질의 상태는 반유동상태로 일반적인 용액에 비하여 불안정하며 일정한 형태를 유지하지 않는 졸(sol)상태와 반고체상태로 일정한 형태를 유지하는 것이 가능하고 높은 탄성을 가진 겔(gel)상태로 나뉜다. 이러한 변화는 수분함량, 온도, pH에 의해 일어난다. 졸은 함유하고 있는 수분량이 콜로이드입자보다 많거나 고온일 때, 산성 혹은 염기성일 경우에 나타나며 겔은 수분함유량이 콜로이드입자보다 적거나 저온, 중성의 pH를 가질 때 나타난다.

아메바의 위족운동이 대표적인 예이다. 아메바는 위족을 뻗어 이동하는데 일반적으로 이 위족의 안쪽은 졸, 바깥쪽은 겔 상태로 이루어져 있다. 아메바가 위족을 길게 뻗을 때, 바깥쪽의 겔이 졸 상태가 되고 안쪽에 있던 졸이 위족부분으로 이동하고, 졸이 이동한 빈 부분만큼 세포가 앞으로 당겨지는 방식으로 이동한다.