세포형태와 세포막에 대해서

미생물들은 모두 자기만의 세포형태(Morphology)를 갖는다

구균(Coccus, 복수시 Cocci)는 구형의 형태를 가지며 간균(Rod)는 원통형의 형태 그리고 나선균(Spirilla)는 나선형의 형태를 가지고 있다

추가적으로 특별한 형태를 갖는 것으로 스피로헤타, 부속지 세균, 필라멘트 세균등이 있는데 이들은 구균, 간균, 나선균에서의 기본형태에서 변형된 것이다

이러한 세포형태만을 가지고 생리학적, 생태학적, 계통학적의 특성을 추정하는 것은 불가능하다

이로써 선택적인 작용에 의해 결정되는 것을 추정하며, 영양성분을 섭취시 최적화된 표면비(표면적/부피)를 확인하며, 점성환경 혹은 유영윤통성이거나 활주운동성을 확인한다

유영 윤통성같은 경우 나선 혹은 나선형을 가진 세균에서, 그리고 활주운동성은 필라멘트형 세균에서 보일 수 있다

이러한 세포들은 크기에 있어 중요성을 갖는다

원핵세포인 경우 0.2μm ~ 700μm를 가지는데 대부분 너비가 0.5μm에서 4μm를 가지며 길이는 15μm 아래가 대부분이다

진핵세포인 경우는 10 ~ 100μm를 가지는데 이러한 세포들의 크기가 작은 이유는 바로 표면비이다

표면비는 표면적/부피이므로 4πr^2/(4/3)πr^3 이다 r값이 1과 2일때 3과 1.5가 나오는 값으로 r값은 작을수록 표면비가 높기때문이다

이러한 표면을 구성하는 것은 세포막이다

세포막은 소수성(지방산)과 친수성(글리세롤-인산)을 가진 인지질로 인지질 이중층(Phospholipid Brilayer)를 가진다

소수성은 내부로, 친수성은 외부로 향해있으며, 글리세롤-인산은 골격에 결합된 작용기에 다양한 화학 구조를 형성하게 된다

세포막은 6~8nm의 두께를 가지고 있으며 특징으로 수소결합과 소수성 상호작용으로 안정성을 갖는다

또한 단백질 삽입과 약간의 운동성을 가지며, Mg2+, Ca2+ 등 인지질 음이온과 이온결합을 함으로 세포막 안정화에 기여한다

막단백질은 세포막의 외부표면은 기질과 결합하거나 거대 분자를 호송하는 단백질과 상호작용한다

내부표면은 에너지 생성반응과 다른 세포 기능과 관련된 단백질과 상호작용한다

막 강화물질로 스테롤(Sterols)과 호파노이드(Hopanoids)가 있다

스테롤은 진핵생물 세포막에서 발현되며 유동성없는 평면의 지방산으로 세포막을 견고하게 하며 안정화시킨다

호파노이드는 스테롤과 유사한 구조를 띄며 진정 세균에 존재한다

고세균의 세포막은 지질 이중층과 단일층등 혼합되어 있는 형태를 띈다

고세균은 인지질이 에테르(ether)결합을 하며, 지질에 지방산이 결여되있지만 이소프렌이 존재하는 것이 특징이다

또한 지방산과 글리세롤이 합쳐서 에스테르(ester)결합을 하며 진정세균과 진핵생물에서 볼 수 있다

주요 지질에는 글리세롤 디에테르와 테트라에테르가 있는 것이 특징이다

이러한 세포막은 기능이 있는데 대략 3가지가 있다

투과장벽, 단백질 고정, 에너지 보존이다

투과장벽은 극성, 전위를 지닌 분자들을 수송, 단백질 고정은 수송 단백질을 고정하며 그 수송 단백질은 물질의 농도구배에 역행하여 용질을 축적한다

에너지 보존으로는 양성자 동력을 발생시켜 이용하는데 이는 양성자가 많은 곳에서 적은 곳으로 이동시 만들어지는 에너지이다

이들을 이용한 것이 수송체계로 구성되어지는데 이는 모든 수송체계에서 양성자 동력 혹은 ATP를 필요로 하는 것이 특징이다

원핵세포는 대략 3가지를 가지는데 단순수송, 작용기 전달 수송, ABC 전달 수송이 있다

단순수송은 양성자 동력을 사용하며, 작용기 전달 수송은 Phosphoenolpyruvate에 의해 화학적 변형을 사용, ABC는 주변 세포질 결합 단백질이 관여하여 ATP를 사용한다

(추가로 설명할 것은 수송에 있어 3가지 종류가 있는데 단일 수송은 한방향으로 세포막을 통과하는 것이며 공동수송은 조수용체(Co-transporter)를 이용하며 역수송은 단일 수송의 반대이다)

단순수송은 E.Coli에서 젖당(Lactose)이 Lac투과효소로 수송되며 이는 공동수송에 해당된다

물론 Lac투과효소는 에너지를 필요로한다

작용기 전달 수송은 E.Coli의 인산전달 효소계이며 이는 화학적 변형이다

이에 대한 예시는 다당류에서 단당류로 변형되어 나아갈때 효소를 사용해 단당류로 변하게 하는 것이다

ABC(ATP 결합 복합체)체계는 원핵세포에서 200여개의 다양한 체계를 가지고 있으며 높은 기질 특이성을 가지며, 세포질 결합 단백질에 포함된다

때로 유기물로 물과 아미노산, 무기영양분으로 황과 인등 미량 금속을 수송한다

단백질 방출로는 이동효소(Translocases)로 세포막을 통해 단백질을 방출하고 세포막 삽입을 하며 Sec 이동 효소체계에서 단백질 방출과 삽입을 하며 Type 3 분비체계에서는 병원균에서 관찰되어지며 세균 세포내에 소기관으로 존재한다

추가로 진정세균의 세포벽은 펩티도글리칸(Peptidoglycan)이며 이는 세포벽에 강도를 제공해 안정성에 기여한다

다당류로 구성되어져 있으며, N-아세틸글루코사민, N-아세틸유람산, 아미노산, 라이신 혹은 디아미노피멜산(DAP)을 가지고 있다

이 진정세균의 세포벽은 그람음성세균과 그람양성세균에서 다르게 교차결합하는 것이 특징이다