원핵생물

원핵생물(국문) prokaryote(영문)

원핵생물이란 원핵세포(prokaryotic cell)로 구성된 생물체를 말한다. 원핵세포는 무엇인가? 생물에 대한 정의(약속)에서 첫째 조항이 "생물은 세포로 구성되었다"는 것이다. 이러한 정의를 확립할 당시에는 바이러스에 대한 지식이 없을 때였었기 때문에 생물은 모두 작은(cell)방, 즉 세포로 구성되었다고 정의하였다. 그러면 세포에 대한 정의도 필요하다. 세포는 1) 마주보는 한 쌍의 인지질로 주변과 경계를 이루고, 2) 그 내부(즉 세포질)에는 유전물질이 있어 자신의 고유성을 유지하고, 3) 세포질에서 에너지를 추출하고 필요한 물질을 만드는 대사가 진행되며, 4) 증식을 통하여 자손을 만들고, 5) 주변 환경에 적응하기 위하여 적절한 대사반응이 조절되는 기능을 가진 단위를 말한다. 여기에서 주변과 경계를 이루는 것이 세포막이며, 인지질 외에도 다양한 기능을 가지는 단백질들이 존재한다. 이러한 구성을 가진 막이 생물체의 모든 막의 기본 단위가 되므로 "단위막(unit membrane)"이라고 부른다. 원핵세포와 대비되는 구조가 진핵세포(eukaryotic cell)인데, 진핵세포에 대한 정의도 앞의 내용과 동일하다. 그렇다면 원핵세포와 진핵세포의 차이는 무엇인가? 두 종류의 세포를 가리키는 용어에서 차이는 원핵(원시적인 핵)과 진핵(진짜 핵)이므로 핵의 구조 및 상태에서 가장 큰 차이를 보인다. 사람을 포함하여 모든 동물과 모든 식물, 그리고 진균과 원생생물을 구성하는 세포는 모두 진핵세포원생생물|이다. 진핵세포의 가장 큰 특징은 두 층의 단위막으로 둘러 싸인 핵(nucleus)을 가진 것으로, 핵 안에는 DNA로 구성된 유전물질이 존재한다. 이 DNA는 선형(linear form)으로, 히스톤(histone) 및 기타 단백질들과 혼합되고 꼬인 상태로 여러 개 존재한다. 세포질에는 각각 독립적인 대사기능을 수행하는 세포소기관(organelle)들이 있는데, 에너지 공급을 담당하는 미토콘드리아, 광합성을 담당하는 엽록체, 단백질의 가공과 이동을 담당하는 골지체 등이 모두 단위막으로 보호되어 있다.

목차

원핵생물을 구성하는 원핵세포의 구조는 어떤가? 역시 세포이므로 당연히 세포의 조건을 갖추고 있어 세포막이 있고 그 내부인 세포질에서는 다양한 대사반응이 진행된다. 그러나 유전물질인 DNA가 무기염류, 아미노산 및 단백질들과 혼합되고 세포질에 노출된 상태로 존재한다. 즉 단위막으로 보호된 진핵세포의 핵 내부에 유전물질이 있는 것과 달리 세포질에 DNA가 꼬인 상태로 존재하는데 선형인 진핵세포의 DNA와 달리 원형(circular form)으로 존재한다. 또 세포질에는 독립적인 대사반응을 수행하는 세포소기관이 없기 때문에 세포 내부의 미세구조가 매우 간단하다. 원핵세포와 진핵세포의 세포 내부구조에 대한 전자현미경 사진과 모식적으로 그린 그림으로 비교하였다.

그림 1. 원핵세포(a)와 진핵세포(b)의 투과형 전자현미경으로 분석한 미세구조. 진핵세포의 내부에는 핵과 미토콘드리아 및 막 구조가 존재하는 것과 달리 원핵세포에는 막구조가 보이지 않음. (출처: Biol. Microorganism)

그림 2. 원핵세포(a)와 진핵세포(b)의 모식적 그림. Cytoplasm(세포질), nucleoid(핵양체), ribosome(리보좀), cell wall(세포벽), cytoplasmic membrane(원형질막=세포막), endoplasmic reticulum(그물망소체), nucleus(핵), nucleolus(인), nuclear membrane(핵막), mitochondrion(미토콘드리아), chloroplst(엽록체) (출처: Biol. Microorganism)

핵이 별도의 구획에 있는 진핵세포의 유전자 발현과 달리 원핵세포의 DNA는 세포질에 있으므로 DNA의 정보가 복사된 전령 RNA(mRNA, messenger RNA)를 합성하는 과정인 전사(transcription)와 그 정보를 번역하여 단백질로 구체화시키는 번역과정이 세포질에서 일어난다. 따라서 원핵생물들이 빠르게 생장하는 시기에는 전사가 진행되는 도중에 리보좀(ribosome)과 단백질들이 작용하여 단백질을 합성하는 번역과정이 약간의 시차를 두고 진행된다. 이러한 현상은 전사과정은 핵 안에서 진행되고 생성된 mRNA가 모두 정리 및 가공(processing)된 후에 세포질로 이동하고, 이때부터 번역(translation)이 시작되는 진핵세포와 다르다. 이러한 이유를 포함하여 세포소기관이 없고 세포의 크기도 작기 때문에 원핵생물의 세포분열 주기(세포분열이 끝난 후 딸 세포가 자라서 다시 세포분열에 도달하는 시기)가 진핵생물과 비교할 때 더 짧다.

원핵세포로 구성된 생물체에는 어떤 집단이 포함되는가? 지구상에 가장 먼저 출현한 것으로 인정받는 세균과, 극한 환경에서 서식하는 고균이 원핵생물들이다. 이 둘을 합하면 지구의 어느 환경에 가도 원핵생물이 존재한다는 것이므로 원핵생물의 중요성은 매우 크다. 사람의 몸에는 어느 정도의 원핵생물이 존재할까? 사람 몸을 구성하는 세포 수는 10조개이며, 세균의 수는 이보다 10배 더 많은 100조개로 알려졌다. 그런데 사람 각 개인마다, 인종 별로 공생하는 세균의 종류에 차이를 보이며, 공생하는 세균에 따라 사람의 대사기능에도 차이를 보인다는 것이 최근 밝혀져 공생하는 세균에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

최형태/강원대학교

정우현/덕성여자대학교