원핵세포 (procaryote)

원핵세포
대부분의 원핵세포(procaryote)의 반지름은 0.5~3 um 정도이다. 종마다 각기 다른 모양을 가진다. 구형을 구균[coccus(예, Staphylococci)], 막대기 모양을 간균 (bacillus(예, E. coli)], 나선형을 나선균(spirillum(예, Rhodospirilluum))이라 부른다. 원핵세포는 배가시간(doubling time)이 30분에서 몇 시간에 이를 정도로 비교적 빠르게 자란다. 또한 원핵세포는 탄수화물, 탄화수소, 단백질 및 CO2를 포함한 다양한 물질을 탄소원으로 이용할 수 있다.

진정박테리아. 

진정박테리아(eubacteria)는 몇 가지 종류로 나누어진다. 이를 나누는 기준 중 하나로 그람(gram) 염색법이 있다. 이 염색법은 1884년 Hans C. Gram이 개발한 것으로, 우선 세포에 열을 가하여 고정한 후 염색약인 보라색 결정(crystal violef)을 가하면 모든 박테리아는 보라색으로 염색된다. 그 후 요오드를 가한 후 다시 에탄올을 가한다. 그람양성(gram positive) 세포는 보라색으로 남지만 그람음성(gram negative) 세포는 무색이 된다. 마지막으로 사프라닌(safranin)으로 대조 염색하게 되면 그람양성 세포는 보라색으로 남으나 그람음성 세포는 붉은색을 띤다. 그람염색에 대한 반응이 이렇게 다르게 나타나는 이유는 세포벽의 구조 차이 에 의한 것이다.

전형적인 그람음성 세포는 대장균(E. coli) 이다. 대장균은 얇은 펩티도글리칸(pepidoglycan) 층에 의해 지지가 되는 외막(outer membrane)을 가지고 있다. 펩티도글리칸층은 아미노산을 가진 복잡한 다당류이며, 고리로 연결된 담과 같은 구조로 되어 있다. 두 번째 막인 내막 또는 세포질 막(cytoplasmic membrane)은 세포간극(peri plasmic space)에 의해 외막과 분리되어 있다. 세포질막은 약 50%의 단백질, 30%의 지방, 그리고 20%의 탄수화물로 되어 있다. 세포막은 중요한 세포 내 물질을 가둬 두고 외부의 필요 없는 물질을 배척하는 작용을 한다. 이러한 세포막의 한 부분이라도 유실되면 세포는 용혈(cell lysis)되어 결국 죽게 된다. 세포막은 선택적으로 물질을 안팎으로 이동시키는 역할을 한다.

대표적인 그람양성 세포는 Bacillus subtilis 이다. 그람양성 세포는 외막이 없다. 그러나 여러 겹의 펩티도글리칸층으로 된 두껍고 단단한 세포벽을 지니고 있다. 또 이들은 펩티도글리칸층과 공유결합으로 연결된 테이고 익산(teichoic acid)을 갖고 있다. 그람양성 세포들은 세포질막만 지니고 있어서 그람음성 세포에 비해 단백질 분비가 용이하다. 만일 단백질이 원하는 산물일 경우 이러한 분비력은 기술적인 장점이 된다.

어떤 박테리아는 그람양성도 아니고 음성도 아니다. 예를 들면, Mycaplasma는 세포벽이 없다. 이러한 박테리아들은 폐렴을 일으키므로 임상적으로 중요할 뿐 아니라 산업적으로 쓰이는 동물세포 배지를 오염시키는 미생물이기도 하다.
Actinomycctes는 비록 형태상으로는 길고 가지 달린 균사로 이루어져 있으므로 사상곰팡이(mold)와 유사하지만, 핵막이 없고 세포벽 조성이 박테리아와 비슷하므로 박테리아류로 분류된다. Actinomycetes는 항생제 생산에 중요하며, 어떤 좋은 아밀로오스 분해효소와 셀룰로스 분해효소를 생산한다. Actinomyces, Thermomono-spora와 Strepiomyces 등이 Actinomycetes 부류에 속하는 속의 예이다.

그람염색법 이외에 영양 요구성과 에너지 대사 과정이 진정박테리아를 분류하는 기준으로 이용된다. 중요한 한 예가 광합성 여부이다. 시아노박테리아(전에는 남조류라 불렀음)는 엽록체를 가지고 있어서 광합성 작용으로 CO2를 당으로 고정한다. 무산소 광합성 박테리아(purplelgrcen bacteria)는 박테리아엽록소(bacteriochlorophyl)라 불리는 빛을 모으는 색소를 가지고 있다. 그러나 식물체에서 일어나는 진성 광합성과는 달리 무산소 광합성 박테리아는 물을 분해하여 얻는 환원력이 없으며 산소를 생성하지도 않는다.

적당히 염색되었을 때 원핵세포의 DNA가 있는 부분을 현미경으로 쉽게 관찰할 수 있다. 원핵세포에는 현미경으로 관찰할 수 있는 다른 구조들, 예를 들면 리보솜 (ribosome), 저장과립체(storage granule), 포자(spore), 그리고 볼루틴(volutin) 등이 있다. 리보솜은 단백질 합성장소이다. 성장 속도에 따라 차이가 있기는 하지만 박테리아에는 보통 한 개의 세포당 약 10,000개가 존재한다. 리보솜의 크기는 10~20 mm 정도이며, 조성은 RNA가 63%, 단백질이 37%이다. 저장과림체는 핵심 대사 산물의 저장장소로 사용되며, 다당류, 지방, 황과립체가 축적된다. 저장과립체의 크기는 0.5~1 um 정도이다.

일부 박테리아는 내부에 포자를 형성하는데 이러한 포자를 내생포자(endospore)라 한다. 박테리아의 포자는 고온이나 강한 빛. 독성물질과 같은 가혹한 환경에 대응하기 위한 수단이다. 포자는 보통 한 세포당 한 개씩 생기는데 그 크기는 1 um이다. 다시 박테리아가 자랄 수 있는 환경이 되면 포자는 발아하게 된다.

볼루틴은 세포 내에 생기는 과립형 구조인데 무기 폴리메타인산염(polymetaphos-phate)으로 이루어져 있으며 몇몇 종의 박테리아에 존재한다. 이러한 과립들은 크기가 0.5~1mm 정도이다, Rhodospirillum과 같은 일부 광합성 박테리아는 빛을 흡수할 때 쓰이는 큰 내포체(50~100 mm)인 크로마토포어(chromatophore)를 가진다.

세포 외 산물은 세포 표면에 붙거나 세포 표면 안에 삽입될 수도 있다. 어떤 박테리아는 캡슐(capsule)이라 불리는 표피 또는 외부 세포벽을 가지고 있다. 캡슐은 보통 다당류로 이루어져 있으나 때때로 폴리펩타이드로 이루어지기도 한다. 세포 외 고분자는 세포 바깥쪽을 둘러싸는 얇은 생물막(biofilm)의 형성에 중요한 역할을 하며, 이러한 막은 바이러스와 같은 나쁜 환경요소에 반응하여 생기게 된다. 표 2.3에 박테리아의 구조를 정리하였다.

고박테리아. 

고박테리아(archaebacteria)는 현미경으로는 다른 진정박테리아와 거의 같은 것처럼 보이지만 이들 미생물은 분자 수준에서 아주 다르다. 여러 면에서 고박테리아는 진정박테리아나 진핵세포와 비슷하다. 고박테리아와 진정박테리아의 차이점은 다음과 같다.

1. 고박테리아는 펩티도글리칸을 가지지 않는다.
2. 리보솜 RNA의 염기서열은 고박테리아 내에서는 비슷하지만 진정박테리아와는 상당히 다르다.
3. 세포질막의 지질조성이 매우 다르다.

고박테리아는 특이한 대사 과정을 지니고 있어서 보통 극한 환경에서 서식한다. 메탄생성 박테리아(methanogen)와 호열호산성균(thermoacidophile)이 이 부류에 속한다. 호열호산성균은 고온과 낮은 pH에서도 자랄 수 있다. 높은 염 농도에서만 자랄 수 있는 호염박테리아(halobacteria) 역시 이 부류에 속한다. 이러한 미생물은 새로운 기능을 가진 효소 개발의 중요한 원천이다.