[세포생물학] 세포 관찰 실험과 원핵세포(그람양성/음성균, 고세균) 특징

파스퇴르 실험

입구가 일자인 플라스크에 영양배지를 넣고 끓인 뒤 방치하면 배지에서 미생물이 번식했으나,

입구가 S자인 플라스크에 영양배지를 넣고 끓인 뒤 방치하면 배지에서 미생물이 번식하지 않았습니다.

이를 통해 세포가 기존의 세포로부터 유래되었다는 생물속생설을 증명하였습니다. (∴ 자연발생하는 생명체는 없음)

 

세포 크기

세포의 크기의 경우 부피 당 표면적 값을 계산해보면 세포가 작을수록 부피당 표면적 값이 작아지므로 (부피는 반지름의 세제곱에 비례, 표면적은 부피의 제곱에 비례하니까) 외부와의 물질 교환이 원활합니다.

 

그렇다면 만약 세포의 크기가 크면 이 문제를 어떻게 해결해야 할까요? 세포는 골격섬유를 통해 큰 세포의 구조를 유지하고, 세포 내에 소기관을 만들어서 분업화를 시켜 문제를 해결합니다.

 

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세포 관찰 방법

가장 먼저 현미경을 이용해 세포를 관찰하는 방법이 있습니다.

광학현미경을 이용해 세포를 관찰할 때에는 다음과 같은 과정을 거쳐 관찰합니다.

 

폼알데하이드 - 관찰 샘플을 고정하는 역할을 해줍니다.

에탄올 - 물을 밀어내 탈수시키는 역할을 합니다.

자일렌 - 지방성분을 제거하여 투명화시키는 역할을 해줍니다.

파라핀 - 관찰 샘플을 경화시켜서 얇게 절편화하도록 도와주는 역할을 합니다.

(다시) 자일렌 - 다시 처리하여 파라핀을 제거합니다.

H2O - 마지막에 처리합니다.

 

세포를 관찰할 때는 염색약을 투여해주어야 하는데, 일반적으로 염기성 염색약의 경우 + 전하를 띠고 있어 - 전하를 띠고 있는 핵과 잘 결합합니다. 반대로 산성 염색약의 경우 - 전하를 띠고 있어 세포질을 주로 염색시킨다고 생각하면 됩니다. (대비효과)

 

그리고 관찰할 때 주로 광학현미경을 이용하는데, 분해능이 좋을수록 성능이 좋은 현미경에 해당합니다. 고배율로 관찰할 때는 분해능을 줄여서 잘 보이도록 해주어야 합니다.

 

눈금을 읽을 때는 대물마이크로미터를 기준으로 한 칸이 몇 마이크로미터인지 읽고, 그 다음 대안마이크로미터의 한 개 눈금이 몇인지 비교하여 확인해주면 됩니다. 예를 들어 대물마이크로미터가 5칸에 50마이크로미터이고 세포의 크기가 대안마이크로미터에서 2칸에 해당하면 세포의 크기는 20마이크로미터가 됩니다.

 

형광현미경을 이용해 세포를 관찰할 때에는 추적할 물질에 형광물질을 표지해줍니다. cDNA, 주형 RNA를 염색하는 경우는 mRNA를 추적하기 위함입니다. 또는 특정 유전자를 추적할 때 주변에 같이 발현되는 단백질을 염색한 형광 단백질을 이용해 추적하는 방법도 있습니다. 대표적으로 이전에 설명했던 FRET가 있습니다. (파동 변화를 측정하여 형광 강도가 높을수록 인지질 사이 거리가 가까움)

 

* 이 관찰 실험에 많이 연계되어 나오는 개념이 ELISA입니다. ELISA란 효소가 결합되어있는 항체를 이용해 항원과 항체 사이의 반응을 확인하는 실험입니다. 이 중에서 sandwich ELISA라는 방법은 1차 항체를 쓰고 그 다음 항원을 결합시키고 그 다음 2차 항체를 써서 항원이 두 종류의 항체 사이에 샌드위치처럼 결합하게 됩니다. 이 개념은 면역 파트에서 다시 다루도록 하겠습니다.

 

그 다음 원심분리를 이용하여 생화학적 실험의 결과를 관찰할 수 있습니다. 차별적 원심분리를 통해 핵, 미토콘드리아 등의 순서로 세포 소기관들을 분리할 수 있습니다. 염화세슘(CsCl2)을 이용하는 경우 두 종류의 밀도를 가진 염화세슘 층을 이용하여 물질을 구분할 수 있습니다. 실험 시 분획수가 작은 것들은 빨리 가라앉았으므로 밀도가 큰 물질들이고, 분획수가 큰 것들은 느리게 가라앉았으므로 밀도가 작은 물질들입니다.

 

그리고 방사성 동위원소 추적을 이용하여 물질의 이동경로, 관찰 대상의 변화 등을 관찰할 수 있습니다. 세포를 3H가 붙은 아미노산을 포함하는 배지에서 잠깐 배양했다가, 완충액으로 세척하여 3H가 붙은 아미노산을 제거해주고 다시 정상적 배지에서 배양하면 아까 잠깐 붙었던 방사성 동위원소 3H를 추적하여 경로를 관찰할 수 있습니다.

 

원핵세포

이제 원핵세포의 특징에 대해서 정리해보겠습니다. 참고로 원핵세포의 대략적인 특징은 이전 포스트에서도 똑같이 정리해두었으니 여기서는 간단하게만 언급하고 넘어가도록 하겠습니다.

 

원핵세포의 내부에는 핵양체, 리보솜, 플라스미드가 들어있으며 전사와 번역이 동시에 일어난다는 특징이 있습니다.

외부의 편모는 구형의 플라젤린 단백질로 구성되어 있으며 회전할 수 있습니다.

 

원핵세포의 원형질막에는 전자전달계가 있으며 화학삼투적 인산화를 통해 수소를 받아들이고 있습니다. 고세균 중에서 극호염균은 특별히 전자전달계 없이 빛에 의한 에너지만을 이용하여 수소 이온 펌프를 작동시킨다는 특성이 있습니다.

원핵세포는 그람음성균, 그람양성균, 고세균으로 나누어 분류하는 것이 좋은데 그 이유는 이 세 종류 사이에 큰 차이점들이 많기 때문입니다.

 

그람음성균 : LPS층이 있음, 펩티도글리칸 함유량이 낮음

그람양성균 : 타익코익산(-)이 붙어있음, 펩티도글리칸 층이 두꺼움

고세균 : S층(다 있지만 가장 특징적임), Pseudo-펩티도글리칸을 가지고 있음 (N-아세틸글루코사민은 맞지만 + N-아세틸뮤람산이 아닌 다른 당)

 

분류가 실제로 문제를 보면 헷갈리는 경우가 많아 직접 그려서 예시를 들어드리겠습니다.

 

이런 그림이 주어졌다면 가장 먼저 LPS층에 주목해야 합니다. LPS층은 그람음성균만이 가지고 있는 특성이기 때문에 위의 단면을 보고 그람음성균이며 펩티도글리칸층이 붉은색으로 염색된다는 것을 예상할 수 있어야 합니다.

 

그 다음 이런 세포막의 단면이 주어진다면 S layer와 유사뮤레인 층을 보고 고세균임을 예상할 수 있습니다.

 

이런 단면이 주어졌다면 키틴층이 존재하기 때문에 키틴은 균계의 세포벽에 존재하고 따라서 균계이구나 하고 예상할 수 있습니다. 참고로 단세포 균계의 가장 대표적인 예시로 효모가 있습니다.

 

이러한 단면이 주어졌다면 다른 많은 요소들이 있지만 가장 중요한 것은 펩티도글리칸입니다. 펩티도글리칸은 진정세균의 세포벽을 구성하므로 이 세포는 진정세균임을 알 수 있습니다.