진핵생물

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진핵생물이란 진핵세포(eukaryotic cell)로 구성된 생물체를 말하며, 진핵세포는 세포 내에 유전물질을 포함하는 핵(nucleus)를 가진 세포를 통칭한다. 진핵세포는 핵 외에도 다양한 기능을 수행하는 여러 세포소기관을 포함하고 있다. 진핵생물은 오랜 세월에 걸쳐 원핵생물로부터 생성되었다고 여겨진다. 약 46억년의 나이를 가지는 지구가 탄생되고 왕성한 지각운동과 대기의 변화, 수 많은 운석의 충돌 등으로 지구는 끊임없는 변화가 계속되었다. 이 시기에 미국의 Stanley Miller가 수행한 Miller-Urey 실험에서 초기 지구에 존재했을 것으로 보고된 무기물에 열과 전기 방전을 줌으로써 세포 구성에 필수적인 유기물이 생성되었음이 확인되었다. 그리고 약 38억년 된 암석층에서 세균의 화석이 발견되어 8억년의 긴 세월을 통하여 첫 생물체가 지구에 나타난 것으로 보고되었다. 그 당시에는 여전히 대기에 유리 산소는 없고 오직 수증기와 물에 결합된 산소만 있었다고 판단된다. 대기 중에 산소가 나타난 시기는 약 27억년의 암석에 붉게 산화된 철이 있는 것으로 추정하여 남세균에 의한 산소를 방출하는 광합성이 진행되었음을 추론하게 되었다. 그리고 약 20억년 전에 첫 진핵세포 생물체가 출현한 것으로 추정하는데, 지구가 탄생 된 후에 26억년이 지났고, 첫 생물체인 원핵세포 세균이 나타나고 18억년이 흐른 후에야 진핵생물이 나타난 것이다. 즉 원핵세포의 출현 시기에 비하여 진핵세포가 나타나는 과정이 훨씬 더 길었다. 그렇다면 진핵세포는 어떻게 원핵세포로부터 생겼을까?

모든 진핵세포는 마주보는 한 쌍의 인지질 막으로 주변과 경계를 이루는 세포막(cell membrane)으로 둘러싸여 있다. 다시 세포막 내부에 동일한 구조의 인지질 막으로 또다시 작은 공간들이 존재하고 그 공간 안에서는 세포질에서 진행되는 대사 반응과 다른 독특한 반응이 일어나는데 이들을 세포소기관(organelles)이라고 부른다. 핵은 유전물질인 염색체가 이러한 공간 안에 보호된 것을 일컫는다. 이러한 전체 구조를 가진 세포를 진핵세포라고 부르는 것에 비하여 원핵세포는 세포막 내부에는 그 어떤 막으로 경계를 이루는 공간이 별도로 존재하지 않으며, 따라서 유전물질인 염색체가 유전물질이 여러 차례 꼬인 상태로 세포질에 존재한다. 그래서 일반적으로 원핵세포에 비하여 진핵세포가 크기가 크며 그 구조도 훨씬 복잡하다. 진핵세포의 세포소기관 중에서 미토콘드리아(mitochondria), 엽록체(chloroplasts), 그리고 핵은 인지질 막이 두 층 (엽록체는 세 층)으로 구성되었으며 그 나머지 세포소기관들은 모두 한 층의 인지질 막으로 구성되었다. 또한 미토콘드리아와 엽록체는 핵의 염색체에 비하면 매우 작은 크기이지만 유전물질인 DNA를 가지고 있고 각각 자신의 공간 내에서 유전자로부터 전사와 번역과정 전체가 진행되는 단백질 합성이 일어난다. 이러한 사실에 근거하여 진화학자인 린 마굴리스(Lynn Margulis, 1938~2011)가 제창한 세포내 공생설(endosymbiosis)에 의하여 진핵세포가 탄생되었다는 것이 가장 인정받고 있다. 이를 그림으로 나타내면 다음과 같다 (그림 1).

그림 1. 진핵세포의 기원에 대한 내부공생설(endosymbiosis theory). 미토콘드리아가 세포 안에 내부공생하면서 진핵세포가 생기고, 식물/조류는 여기에 더해 남세균(cyanobacteria)이 진핵세포 안에 내부공생하여 엽록체가 생겼다는 설로 Lynn Margulis가 제안함. (출처: 한국미생물학회)

이 세포내 공생설에 대한 또 다른 과학적 증거는 무엇인가? 첫째, 미토콘드리아와 엽록체는 자신 고유의 유전물질을 가지고 있는데 이들은 핵에 있는 유전물질인 DNA가 직선형(linear form)인 것과 달리 원형(circular form)이다. 이는 세균의 DNA가 원형이 것과 동일하다. 둘째, 미토콘드리아와 엽록체 내부에서 단백질 합성에 관여하는 리보좀(ribosome)의 구성고 크기는 진핵세포 세포질에 있는 80S(S, Svedberg unit로 초고속원심분리에서의 침강속도 단위: 물체의 크기와 밀도에 비례함) 리보좀 및 원핵세포의 70S 리보좀보다 크기가 작은 55S 리보좀을 가지고 있다. 이러한 근거에 의하여 세포내 공생설이 제기되었고, 진핵세포 생물체가 탄생된 과정으로 인정받게 되었다.

최형태/강원대학교

정우현/덕성여자대학교