세포 영양소 - 다량영양소

세포의 조성은 세포 주위의 환경에 따라 매우 다르다. 세포는 외부 환경에서 필요한 화합물을 선택적으로 흡수해야 하며 세포 내에 가두어야 한다. 선택성은 반투막 (sempermeable membrane)에 의해 생긴다. 세포의 조성은 주위환경과 매우 다르기 때문에 세포는 열역학적 평형이 되지 않도록 자신을 유지하기 위하여 에너지를 소모해야 한다. 세포의 열역학적 평형은 죽음을 의미한다.

바이러스를 제외한 모든 생물은 많은 양의 물을 함유한다(약 80%). 세포의 건조무게 중 약 50%는 단백질이며 이들 대부분은 효소(촉매로 작용하는 단백질)이다. 세포의 핵산(유전정보와 단백질합성을 위한 도구)의 조성은 건조무게의 10~20% 정도이다. 그러나 바이러스의 핵산은 건조무게의 50%까지 차지한다. 일반적으로 대부분 세포에서의 지방함량은 건조무게의 5~15% 정도이다. 그러나 어떤 세포는 특정한 배양조건에서 PHB를 전체질량의 90%까지 축적한다. 일반적으로 세포 내부의 조성은 세포의 형태와 나이, 그리고 영양배지의 조성에 따라 달라진다. 

생물체가 만드는 대부분의 생성물은 영양소, 성장 호르몬, 이온 등과 같은 환경조건에 세포가 반응한 결과이다. 세포에 필요한 영양요구량은 세포 성장과 생성물 형성을 최적화시킬 수 있도록 정성적으로 그리고 정량적으로 결정되어야 한다. 세포가 요구하는 영양소는 두 가지 범주로 분류된다.

 

1. 다량영양소(macronutrient)는 10⁻⁴M 농도 이상이 필요하다. 탄소, 질소, 산소, 수소, 황, 인산, 마그네슘, 칼륨이 대표적이다

 

2. 미량영양소(micronutrient)는 10⁻⁴M 농도 이하로 필요하다. Mo²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Ca²⁺, Na⁺와 같은 미량원소들과 비타민, 성장호르몬, 대사전구체등이 미량영양소이다.

 

 

다량영양소

탄소(carbon) 화합물은 세포의 탄소와 에너지의 주요 공급원이다. 미생물은 탄소 원에 따라 두 범주로 분류된다. (1) 종속영양주(heterotroph)는 탄수화물, 지질, 탄화수소 등과 같은 유기화합물을 탄소와 에너지의 공급원으로 사용한다. (2) 독립영양주(autotroph)는 이산화탄소를 탄소 공급원으로 이용한다. 혼합영양주(mixotroph)는 위의 두 가지 탄소원을 모두 이용할 수 있다. 그러나 독립영양적인 생장은 어떤 유기화합물에 의해 촉진된다. 통성독립영양주는 독립영양적인 조건에서 정상적으로 성장한다. 그러나 이들은 CO₂와 무기에너지 공급원이 없는 종속영양적인 조전에서도 성장할 수 있다. 화학합성독립영양주(chemo autotroph)는 탄소원으로 CO₂를 이용하고 에너지는 무기화합물의 산화로부터 얻는다. 광합성독립영양주(photoautotroph)는 탄소원으로 CO₂를 이용하고 에너지원으로는 빛을 이용한다.

산업적인 발효에서 가장 일반적으로 사용되는 탄소원은 당밀(설탕), 전분(포도당, 텍스트린), 옥수수시럽. 그리고 제지폐기액(포도당)이다. 실험실용 발효에서는 포도당, 설탕, 과당이 가장 일반적인 탄소원이다. 일부 발효에서는 메탄올, 에탄올, 메탄가스도 값싼 탄소원으로 사용된다. 호기적 발효에서는 기질탄소의 약 50%가 세포 성장에 사용되며, 그것의 50%가 에너지원으로 사용된다. 혐기적 발효에서는 기질 탄소의 많은 부분이 생성물로 바뀌고, 적은 양의 기질탄소가 세포균제로 변한다 (30% 이하).

질소(nitrogen)는 건조균체량의 10~14% 정도를 차지한다. 가장 널리 사용되는 질 소원은 암모니아 또는 암모늄염 [NH₄CI, (NH₄)₂SO₄, NH₄NO₃], 단백질, 펩타이드, 아미노산이다. 질소는 단백질과 핵산의 형태로 세포생장에 이용된다. Azotobacter 종이나 시아노박테리아와 같은 일부 미생물은 공기 중의 질소를 고정하여 암모늄을 생성한다. 요소(urea) 역시 일부 생물체에 의해 질소원으로 이용된다. 효모추출물이나 펩톤과 같은 유기질 소원은 암모늄염보다 값이 비싸다. 

산소(oxygen)는 세포의 모든 구성성분과 세포액 속에 존재하며, 건조균체량의 약 20% 정도를 차지한다. 분자산소는 탄소화합물의 호기적 대사에서 최종 전자수용체 로서 필요하다. 기체상 산소는 배지에 공기를 불어 넣거나 배지 표면의 공기 순환에 의하여 공급된다.

수소(hydrogen)는 건조균체량의 약 8%를 차지하며 탄수화물 같은 탄소화합물에서 일차적으로 공급된다. 메탄생성 미생물 같은 일부 박테리아는 수소를 에너지원으로 이용한다.

인(phosphorus)은 건조균 체량의 약 3%를 차지하며 핵산에 존재한다. 일부 그람양 성 박테리아의 세포벽에 테이코익산(teichoic acid)의 형태로 존재하기도 한다. 

KH₂PO₄와 K₂HPO₄ 같은 무기인산염이 가장 일반적인 인산염들이다. 글리세롤인산 염은 유기인산원으로서 사용될 수 있다. 인은 세포가 대사 과정을 조절할 때 핵심 역할을 한다. 항생제를 비롯한 2차 대사산물의 생성을 위해서는 배지의 인산 함량이 1 mM 이하이여야 한다.

황(sulfur)은 건조균체량의 1% 정도를 차지하고 단백질이나 일부 보조효소에 존재한다. (NH₄)₂SO₄ 와 같은 황산염들이 가장 일반적인 황의 공급원이다. 황을 포함한 아미노산들 역시 황의 공급원으로 사용된다. 어떤 독립영양주는 에너지원으로서 S²⁺ 와 S⁰를 이용한다.

칼륨(potassium)은 일부 효소들의 보조인자이며 탄수화물의 대사에 필요하다. 세 포는 능동적으로 K⁺와 Mg²⁺를 흡수하고 Na⁺와 Ca⁺를 방출한다. 가장 일반적으로 사용되는 칼륨염은 K₂HPO₄, KH₂PO₄, K₃PO₄이다.

마그네슘(magnesium)은 일부 효소들의 보조인자이며 세포벽과 세포막에 존재한다. 리보솜은 Mg²⁺이온을 꼭 필요로 한다. 마그네슘은 보통 MgSO₄ • 7H₂O나 MgCl₂의 형태로 공급된다.