Cell structure and function

 

cell의 구조적 특징으로 크게 두가지 type으로 나누어 볼수 있다.

prokayotic cell과 eukayotic cell로 나눌수 있는데 eukayotic cell 은 prokaryotic cell에 비해서 더 크고 구조적으로도 더 복잡하다. 그리고 eukayotic cell의 더 큰 특징은 membrane(막)으로 둘러싸인 구조로 되어있는 organelles이 cell 안에 들어 있다. organelles는 nucleus, mitochondria, chloroplasts(in photosynthetic cell only)를 포함한다. 보통 Algae, fungi, protozoa, plants, animal 이 eukayotic cell이다.

반면에 prokaryotes cell은 비교적 간단한 구조로 이루어져있다. 그리고 eukayotic cell 안에서 볼 수 있었던 organelles를 찾아 볼 수 없다. 또 eukayotic cell 안에는 nucleus(핵)이 있고 그 nucleoid membrane(핵막)이 있어 핵을 감싸고 있지만 prokayote cell은 nucleoid 라 해서 유전물질을 가지고 있는 유전정보 덩어리가 cytoplasm(세포질)에 있고 핵막이 없다.

virus 

세균보다 작아서 세균여과기로도 분리할 수 없고, 전자현미경을 사용하지 않으면 볼 수 없는 작은 입자이며, 비루스라고도 한다. 인공적인 배지에서는 배양할 수 없지만 살아 있는 세포에서는 선택적으로 기증 ·증식한다. 바이러스는 생존에 필요한 물질로서 핵산(DNA 또는 RNA)과 소수의 단백질만을 가지고 있으므로, 그 밖의 모든 것은 숙주세포에 의존하여 살아간다. 결정체로도 얻을 수 있기 때문에 생물 ·무생물 사이에 논란의 여지가 있지만, 증식과 유전이라는 생물 특유의 성질을 가지고 있어서 대체로 생명체로 간주된다.

모든 cell 들의 사는 과정에서 그들의 genetic makeup(유전자구조) 즉 genes의 complement(the genome)의 관여를 받는다. cell 안에서 gene은 protein을 암호화 하고 있는 DNA의 조각이거나 ribosomal RNA와 같은 다른 RNA분자이다

핵

prokaryotic 과 eukaryotic cells의 genomes는 다르다.prokaryotic cell 안에는 bacterial chomosome이라 불리는 large double-stranded molecule로 DNA가 존재한다. 그리고 이것들이 뭉쳐서 있는 것을 nucleoid라 한다. 대부분 prokaryote cell 안의 DNA는 circular(원형)이고 single chromosome(haploid)이다. 그래서 single copy만을 생성한다. 또 적은 양의 extrachromosomal DNA가 있고 이것들이 보통 원형 모양으로 정렬되어 있는 것을 plasmid라 부른다. eukaryotes cell안에 DNA는 nucleus 내에서 선모양 으로 매우 조직되어 있는 상태로 모아져 있는데 이렇게 모아져 잇는 것을 chromosomes라 한다. chromosome 수는 그 종 마다 매우 다양하게 나타난다. gene expression을 위해 필요한 proteins와 DNA가 pakage 되어 있다. eukaryotes cell은 일반적으로 각각의 gene 마다 two copies로 되어 있어서 diploid라 한다.

              ✴mitosis : chromosome이 2배로 증가 하고 cell division(분화)시 같은 양으로 나뉘어 들어간다.
              ✴meiosis : chromosome이 haploid 하고 gamete(배우자)cell에서 일어난다.

ex) E.coli : 4.68 milion base pair of DNA

            4300 개의 genes.

  

    Eukaryotic cell : 더 많은 수의 genome을 갖는다.

                      E.coli 에 비해 1000배 많은 DNA, 7배 많은 genes.

진화는 지구의 모든 생명체에서 일어나는 형태이다. 우리가 현재 볼 수 있는 microbial cells의 다양성은 4억 년 전에 일어난 진화적 변화이다. 미생물의 다양성은 많은 방법으로 살펴볼 수 있다. 예를 들면, 세포의 크기의 다양함을 포함하여, 세포의 모양(morphology), 대사 방법(physiology), 운동성(motility), 세포 분화의 장치(mechanism), 병원성(pathogenicity), 발달하는 생물, 극 환경(extremes)에 대한 적응성, 그리고 많은 다른 세포 생물의 해석 등을 통해서 살펴볼 수 있다.

모든 세포는 에너지를 필요로 하고, 에너지를 습득해야만 한다. 모든 세포는 또한, replication을 위한 유전적 mechanisms를 필요로 하고, 그들의 환경에 다양성을 적응시킨다. 이러한 생산은 높은 에너지를 필요로 하고, 그러므로 에너지의 근원은 모든 세포를 위해서 최고로 중요한 것이다. 에너지는 자연에서 세 가지 방법으로 얻을 수있다.

  (organic chemicals, inorganic chemicals, light)

※Chemoorganotrophs(유기물을 탄소원으로 이용하는 미생물)

  compound의 산화(oxidation)에 의해서 에너지를 많이 저장하고 있는 ATP(adenosine triphosphate)를 합성해 낸다. 이와 같이, organic compound(유기물)로부터 에너지를 얻어내는 생물체를 통틀어서 chemoorganotrophs라고 하고, 대부분의 microorganisms가 여기에 속한다. 

✴Aerobes : 산소가 있는 환경에서만 compound로부터 에너지를 끌어낼 수 있는 microorganisms

✴Anaerobes : 산소가 없는 환경에서만 compound로부터 에너지를 끌어낼 수 있는 microorganisms

※Chemolithotrophs(무기물을 이용하여 에너지를 끌어내는 미생물)

  procaryotes(원핵생물)의 대부분이 inorganic compounds(무기물)을 이용해서 에너지를 얻을 수 있다. 이러한 대사의 형태를 chemolithotrophy라고 하고, 이러한 일을 수행할 수 있는 생물체를 chemolithotrophs라고 한다. 이러한 대사 과정을 통해 에너지를 얻는 생물체는 prokaryotes에서만 찾을 수 있고, 더 넓게 나가면 Bacteria와 Archaea까지 확대할 수 있다.  이들은, 모두 inorganic compound에 특이성을 가지고 있어서, 각자 이용하는 inorganic compound가 다르다.

  이들은 chemoorganotrophs와 경쟁을 일으키지 않는다. 게다가, chemoorganotrophs의 waste products(분비물질)인 H2나 H2S같은 무기물을 산화한다. 그러므로 chemolithotrophs는 다른 organism이 사용할 능력이 없는 resources를 이용하여 에너지를 얻는 방법을 발전시켰다.

※Phototrophs

  phototrophic microorganisms는 빛을 에너지원으로 사용할 수 있도록 색소를 포함하ㅗ 있다. 그래서 이 세포들은 색상을 띄고 있다. chemotrophic organisms와 달리, phototrophs는 에너지를 얻기 위한 화학적 source를 필요로 하지 않는다.  예를 들어, ATP는 빛에너지를 이용하여 생산한다.

  ✴oxygenic photosynthesis : cyanobacteria, their phylogenic relatives

                               산소를 생성하는 characterists

  ✴anoxygenic photosynthesis : purple &green bacteria

                                 산소를 생성하지 않는 characterists

※Heterotrophs and Autotrophs

  모든 세포는 탄사원을 주요 영양성분으로 요구한다. 미생물 세포는 탄소원을 organic compound에서 얻어내는 heterotrophs와 공기 중의 CO2를 탄소원으로 사용하는 autotrophs로 나눌 수 있다. 그러므로 Chemoorganotrophs는 organic compound를 이용해서 에너지를 형성하기 때문에 heterotrophs이다. 이와 대조적으로, chemolithtrophs와 대부분의 phototrophs는 무기물을 합성하거나 빛을 이용해서 에너지를 얻어내고, organic compound없이 공기중의 CO2를 탄소원으로 이용하기 때문에 autotrophs이다. Autotrophs는 primary producers라고 부르기도 한다. 왜냐하면, 공기중의 CO2를 이용하여 에너지를 합성하고, chemoorganotrophs가 이것을 이용하기 때문이다.

※Habitats and extreme environments

  미생물은 토양, 물, 동물, 식물, 사람을 포함, 모든 환경에서 서식할 수 있다.

  어떤 종류의 미생물들이 서식하는 환경이, 사람이 살거나 다른 microorganismes가 살기엔 너무 극한 환경인 경우도 있다. 이러한 환경을 extreme environments라고 하고, 이러한 곳에서 살아가는 미생물 종들을 extremophiles(극한 미생물)라고 한다.

  예를 들면, 끓는점 정도의 hot springs, 얼음으로 뒤덮인 호수, 빙하, 극지방의 바다, 염도가 높은 물, pH가 0 또는 12 정도 되는 토양 등이 있다.

 ✴Tolerant : extreme한 환경에 내성이 있다. 그 환경을 좋아해서 사는 것이 아니라, 그 환경에 대한 저항력이 있어서 살아남을 수 있는 것.

 ✴require : extreme한 환경에서만 자라나는 것들. 다른 환경에서는 살 수 없고, extreme한 환경에서만 살아갈 수 있다. 이러한 종들을 extremophiles라고 부른다.(phile의 의미가 loveing)

Prokaryotes cluster에는 두 가지 종류가 있는데 하나는 Archaea 이고 다른 하나는 Bacteria 이다. 세포의 morphologies(모양)과 physiologies(생리적)의 엄청난 다양함이 여기에서 나타난다. Bacteria와 Archaea의 차이점은 ribosomal RNA를 이용해서 밝혀낼 수 있지만, 아직 많은 종류의 미생물들이 어느 쪽에 속하는지 확실하게 정해져 있지 않다.

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※Bacteria

  Bacteria를 체계적으루 분류하기 위하여 morphologies(모양)과 physiologies(생리적) 연구 뿐만 아니라 유전학 및 생화학적분석을 근거로 다양한 시도가 이루어지고 있다.  그러나 이들의 진화적 연관성을 분명히 하는 데는 아직도 많은 자료를 필요로 한다. 그 중 몇 가지만 설명을 하겠다.

  모두다 알고 있듯이 질병의 원인이 되는(pathogenic) prokaryotes는 Bacteria이고, 수천종의 nonpathogenic species도 존재한다. 무엇보다도, morphologies와 physilologies의 다양함이 domain에서 나타난다.

  ✴Proteobacteria : Bacteria domain 중 가장 큰 부분을 차지한다(=phylum). Proteobacteria는 Chemoorganotrophic bacteria에서 가장 많이 찾아볼 수 있다(Escherichia coli, E.coli). 일반적으로 Phototrophic과 chemolithotrophic species는 Proteobacteria이다. 많은 chemolithotrophs는 그들의 대사 물질로 H2S를 사용하고, S2를 생산해 내서 세포 밖으로 내보낸다.

  Protenobacteria에는 Pseudomonas라는, 독성 물질을 가지고 질병을 일으키는 종류와, Azotobacter라는, 질소 고정 박테리아가 존재한다. 또, 많은 종류의 주요 pathogens이 proteobacteria에 속하며 여기에는 Salmonella, Richettsia, Neisseria 등 많은 종류가 속한다.

  ✴Gram staning으로 구별

    ▸Gram-positive lineage(내생포자 형성, 간균, 구균)

      이 부류에 속하는 박테리아는 공통적으로 내생포자(endosphores)를 형성한다. Peptidoglycan이라는 세포벽층이 얇아서 Gran staining시 crystal violet으로 염색하고 알코올로 탈색했을 때 색이 빠져나가며, 구별하기 위해 safranin으로 다시 염색을 하면 핑크색으로 나타나서 관찰이 가능하다.

      Bacillus 와 Clostridium 그리고 항생물질을 생성하는 Strprepomyces 등이 여기에 속한다.  또한, Streptococcus와 Lactobacillus를 포함하는 lactic acid bacteria도 여기에 포함이 된다.

      대표적 : Cyanobacteria

                산소를 생성해내는 Phototrophs이고, 지구상에서 첫 번 째로 나타난 oxygenic phototrophs이다. cyanobacteria가 나타나면서 지구상에 없던 산소가 형성이 되고, 이것을 이용할 수 있는 생명체들이 탄생했으며, 진화를 거쳐서 고등 생물인 식물과 동물들도 나타나기 시작했다.

                이들은 광합성을 하는 것들이기 때문에 엽록소를 가지고 있고, 전자공여체로 물을 사용하며, 탄소원은 공기중의 CO2를 사용하는 autotrophs이다. 이들은 지구상에서 드물게 질소고정 능력과 광합성 능력을 모두 갖는 생물체이므로 비생물적 환경에서 최초로 나타나는 육제 생물체로서 주목받고 있다.

              Green sulfur bacteria, Green nonsulfur bacteria(cholroflexus group에 속함) choloroflexus : hot gprings와 shallow marine bays 등에 저항성을 가지는 filamentous prokaryotes이다. 또한, photosynthesis의 환경에 중요한 역할을 한다.

✴Archaea

  극단적인 환경을 좋아하는 생물이라는 뜻이다(=extramophiles). 예외적인 경우는 메탄생성균이다. Archaea가 Bacteria에서 분리된 이유는 rRNA 염기 서열이나 RNA polymerase 구조 및 지질 구조에서 차이가 많았기 때문으로 생각된다.  또. 세포벽이나 세포막 등의 생화학적 구성 면에서도 일반 박테리아와는 크게 다르며, 박테리아보다 Euckarya에 더 가깝다. 그러나 박테리아에 비해서 많이 알려지지는 않았다. Archaea는 두 개의 subdibision으로 나누어 볼 수 있다. 

✴Euryarchaeota

✴Crenarchaeota

이들은 Bacteria나 Archaea와 구별되는 세포 구조와 생리적 요소로 구성되어 있다. 여기에는 Algae, Protozoa, Fungi, Slime molds, 그리고 식물과 동물 등의 고등생물도 포함이 된다.  그러나, 이 분류에서 일찍 가지를 뻗어 진화한 microorganisms 중에는 미토콘드리아나 다른 중요한 구조 성분을 가지고 있지 않는 경우도 있다. 현재, 미토콘드리아나 Chloroplasts를 가지고 있는 Eucaryoties는 endosymbiosis에 의해서 형성된 것이다.

(endosymbiosis=bacteria 중 일부가 세포 안에 갑자기 어떤 충격에 의해서 끼어들어가게 되어서 세포 안에서 공생하게 된 것. 스스로 에너지를 합성할 수 있고, 세포막으로 둘러 쌓여 있으며, 독립적인 유전자를 가지고 있다. 또한, 대사성질을 보았을 때 bacteria와 유사하고, rRNA sequence 역시 bacteria와 유사하다. 이러한 증거들로 미루어 보아, mitochondria나 chloroplasts는 bacteria와 Eucarya의 endosymbiosis에 의헤서 형성되었다고 볼 수 있다.)

  

✴Eukaryotic Microbial Diversity

  ▸Protista(Protists) : Algae와 같이 Phototrophs이다. 광합성을 할 수 있기 때문에 엽록체가 존재하고, 적은 mineral만 있어도 생존 해 나갈 수 있다. 토양과 aquatic habitats에 저항성을 가지고 있고, 빛을 이용해서 organic compound를 형성하기 때문에 주요 primary producer로 작용한다.

  ▸Fungi : Phogosynthetic pigment는 존재하지 않지만, 키틴질의 단단한 세포벽을 가지고 있다. 그러나 그 조성은 protozoa와 다르다. 영양체세포(vegetative cell)와 포자(spore)형태를 가지며, 균류의 세포 구조는 일반 진핵세포와는 다르다. 세포막 성분이나 세포기관 및 유사분열의 형태에서도 차이가 있다.

  ▸Lichens : 나뭇잎과 같은 구조를 형성하고 있으며 주로 바위, 나무, 또는 다른 물체의 표면에서 자라나는 것을 관찰할 수 있다. Lichens는 Mutualism 형태로 존재하는데, 두 개의 organisms가 함께 살아가며 서로에게 이익을 주는 것을 볼 수 있다. Fungus와 Phototrophs가 쌍을 이루고 있고, 또는 Alga(Eukaryote) 나 Cyanobacterium(prokaryote)와 쌍을 이루고 있다.