1. Cell 구조와 기능에 대한 개요
Cell(세포)의 구조와 기능에 대해 거시적 관점으로 살펴보고 이어지는 포스팅에서 점차 깊게 디테일한 부분을 공부해보고자 한다.
오늘 공부하는 내용은 존슨 홉킨스 대학의 Robert Schleif 교수님이 저자이신 'Genetics and Molecular Biology'의 챕터 1의 내용인 An Overview of Cell Structure and Functions 부분을 학습하고자 한다. 총 23개의 챕터가 존재하는데 일단 1회독을 하며 전체적인 내용을 살펴보고자 한다. 오늘 하는 부분은 "1. An Overview of Cell Structure and Function" 챕터이다. 이 챕터의 하부 섹션은 다음과 같다.
위에서 볼 수 있다시피, 가장 먼저 세포는 많은 양의 정보를 필요로 한다는 것부터 설명이 시작된다.
그리고, 이후에 나오는 몇몇의 단어는 AI를 공부하는 필자의 입장에서는 생소한 단어인데, 모르는 단어를 먼저 정리하는게 우선인 것 같다.
prokaryotic cell: 원핵세포
eukaryotic cell: 진핵세포
위 두 가지 단어는 생명과학때 잠시 봤던 기억이 나는데, 엄청 오랜 기간동안 잊고 살았기 때문에 기본적인 내용을 정리하고 공부를 하는 것이 옳은 방향인 것 같다.
원핵세포는 진짜 핵을 갖지 않은 세포로, 원시세포이며 대표적인 원핵세포로는 세균이 있다. 생긴건 다음과 같다.
추가로, 진짜 핵을 갖지 않은 세포라 해놓고 왜 그림에 핵양체가 있는지 궁금해서 찾아보니 핵과 핵양체의 가장 결정적인 차이는 핵막의 유무라고 한다. 진핵세포의 경우 핵막이라는 막에 둘러쌓여 있는 핵(nucleus)이 존재하는데 원핵세포의 경우 핵막에 둘러 쌓인 핵이 없고, 유전물질들이 세포질 내의 특정 영역에 뭉쳐있는 형태로 존재한다고 한다.
진핵세포는 핵과 핵막이 존재하는 세포이며, 대표적으로 동물과 식물의 세포가 진핵세포에 해당한다. 생긴건 다음과 같이 원핵세포보다 훨씬 복잡하게 생겼다. 직감상, 앞으로 다루게 될 중요한 부분이 될 것이라 생각된다.
이제 다시 차례대로 왜 세포들은 엄청난 양의 정보를 필요로 하는지에 대해서 살펴보자.
1.1 세포가 엄청 많은 양의 정보를 필요로 하는 이유
세포는 스스로 유지하고 성장하고 또다른 세포를 번식하기 위해 많은 부가적인 요소들(e.g., 단백질, 소분자)을 스스로 만들어 내야한다. 조금 더 쉽게 비유하자면, 1인 기업 운영의 경우, 기업의 대표가 사업 아이템 기획, 마케팅, 영업 전반적인 것을 모두 진행해야 하는데 대표는 여러 명의 직원을 거닌 회사의 대표보다 더 많은 지식과 정보가 요구될 것이다. 마치 이런 이유와 마찬가지로 세포의 경우도 방대한 양의 정보를 필요로 한다고 이해할 수 있다.
세포는 앞에서도 언급한 바와 같이 수많은 요소들을 스스로 만들어내야 하는데, 이를 위해 수많은 설계도가 필요하다. 그 정보를 모두 갖고 있는 것이 DNA이다. 이는 마치 도서관에서 필요한 책을 꺼내는 것과 같은 느낌인데 무엇인가 만들어야할 때 항상 DNA의 모든 유전자를 다 필요하는 것이 아닌 필요한 유전자만 사용한다. 이를 유전자 발현 조절(gene regulation)이라고 한다. 예를 들어, 특정 영양소가 부족하다면, 해당 영양소를 만드는 데 필요한 효소의 유전자만 발현시켜 효율적으로 생산시킬 수 있다.
지금까지의 내용만 봐도 DNA가 세포에 있어서 얼마나 중요한지 깨달을 수 있다. 따라서 DNA는 안정적으로 정보를 보존해야하기 때문에 중학교 과학시간에 익히 들은 이중나선구조의 형태로, 두 개의 가닥이 서로 정보를 보완하는 형태로 되어있다.
1.2 원핵세포 구조의 기초
본 포스팅의 초반부에 원핵세포와 진핵세포에 대해 간단히 정리하며, 원핵세포에는 대표적으로 세균이 있다고 하였다. 내가 참고하는 책에도 대장균(E. coli)을 예로 설명이 되어있다.
대장균 (E.coli)의 경우 아주 작은 생명체로 원핵세포의 구조를 갖고 있다. 위 사진을 보면 세포가 어떻게 생겼는지 볼 수 있는데, 기본적으로 외형은 길쭉한 알약처럼 생긴 것을 확인할 수 있다.
대장균과 같이 원핵세포의 경우 자기 자신을 보호하기 위해 여러 겹으로 된 세포 외피(cell envelope)를 갖고 있는데, 이 외피는 외막, 세포벽, 내막으로 구성되어 있으며 이를 도식화하면 아래와 같다.
가장 바깥쪽 부분이 외막(outer membrane)이며, 세포를 보호하는 보호막 역할을 한다. 그리고 외막과 내막 사이에는 그물망층으로 구성되어 있는 세포벽(cell wall)이 있다. 이는 펩티도글리칸(peptidoglycan)이라는 물질로 만들어져 있는 그물망으로, 세포를 터지지 않고 알약 모양의 형태로 유지하도록 유지시켜 준다. 마지막으로 세포의 가장 중요한 내용물을 직접 감싸고 있는 내막(inner membrane)이 있다. 내막의 경우 가장 안쪽에서 세포의 내용물을 감싸기 때문에 가장 중요한 부분이다.
그리고 세포 내부의 경우 세포질이라고 부르는데(crytoplasm), 리보솜(ribosome)과 핵양체(nuclear region)이 존재하는 것을 확인할 수 있다.
리보솜은 세포질에서 단백질 합성을 수행하는 RNA-단백질 복합체로 모든 생물 세포에 존재한다. 대장균의 경우 약 10,000개 정도의 리보솜이 존재한다.
마지막으로 핵양체는, 원핵세포의 경우 진핵세포와 다르게 핵막이 없는데, 대신, 유전 정보가 담긴 DNA가 세포질 내의 특정 영역에 끈처럼 뭉쳐 있는데, 이를 핵양체라고 한다.
이와 같이 엄청 작은 대장균도 스스로를 보호하는 세포 외피와 스스로 필요한 요소를 생산하도록 하는 하는 내부 세포질이 존재한다. 교재에는 많은 화학 구조도 함께 있지만 이 부분은 비전공자이므로 생략한다.
1.3 진핵세포 구조의 기초
다음으로 살펴볼 것은 진핵세포이다. 진핵세포는 원핵 세포와 비교했을 때 훨씬 크고 복잡한 구조를 갖고 있으며, 식물과 동물이 진핵세포로 이루어져 있다.
진핵세포를 원핵세포와 구분 짓는 가장 큰 특징이 바로 핵막(nucleus membrane)의 유무이다. 진핵 세포의 경우 핵(nucleus)이 존재하는데, 이는 바깥쪽의 핵막에 둘러쌓여 있다. 핵에는 세포의 모든 활동을 지시하는 DNA가 히스톤이라는 단백질과 함께 복잡하게 꼬여 안전하게 보관된다. 그리고 핵막을 자세히 보면 동그란 구멍이 보이는데 이를 핵공(nuclear pore)이라 하며, 이를 통해 필요한 물질만 선택적으로 드나들도록 할 수 있다. 또한, 진핵세포에는 핵 외에도 여러 종류의 막으로 둘러싸인 세포 소기관들이 존재한다. 주요 세포 소기관으로는 미토콘드리아, 소포체, 골지체, 엽록체가 있으며 각각은 다음과 같이 이해할 수 있다.
- 미토콘드리아(mitochondrion): 세포 활동에 필요한 대부분의 화학 에너지인 ATP를 생산하는 역할을 한다. 미토콘드리아에는 자체적인 DNA와 리보솜을 갖고 있어, 과거에는 독립적인 박테리아였다는 증거로 여겨진다.
- 소포체(endoplasmic reticulum): 진핵세포 그림을 보면 긴 벌레처럼 생긴 구조물이 보이는데, 이를 소포체라고 한다. 핵막 바깥쪽부터 세포질 전체에 걸쳐 뻗어 있는 막 구조물로 단백질과 지질을 합성하고 세포 내의 다른 곳으로 운송하는 역할을 한다.
- 골지체(golgi apparatus): 골지체의 경우 소포체에서 만들어진 단백질을 변형하고 가공하여 세포 내의 다른 소기관으로 보내거나 세포 밖으로 보내는 역할을 한다.
- 엽록체(chloroplasts): 식물과 조류 세포에서 발견되는 소기관으로, 광합성을 통해 빛 에너지를 포도당과 같은 화학 에너지로 전환시키는 역할을 하며, 자체 DNA와 리보솜을 갖는다.
1.3 긴 길이의 DNA는 어떻게 세포속에 들어가는가?
이번 서브 섹션의 경우 Packing DNA into Cells라는 이름이 제목이다. 세포의 설계도 역할을 하는 DNA의 경우 펼치게 되면 세포 자체보다 훨씬 길어지게 된다. 예를 들어, 대장균의 경우 DNA의 길이는 약 0.1cm인데, 반면 대장균의 핵양체의 경우 한 변의 길이가 0.25µ로 0.000025cm에 불과하다. 즉, 이를 영어로 표현하니 DNA라는 긴 실을 마치 세포라는 상자 속에 꾸겨 넣는 듯한 표현을 쓰려고 하다보니 저런 소제목이 나온 것 같다.
근본적인 문제는 아주 긴 DNA와 아주 작은 세포인데, 이를 원핵세포인 대장균의 경우 어떻게 해결할까?
대장균의 경우, 아주 긴 DNA를 핵양체라는 좁은 공간에 약 60겹으로 겹쳐서 꾸겨 넣게된다. 하지만 이렇게 한다면, DNA를 읽어서 단백질을 만드는 효소인 RNA가 빽빽하게 꾸겨진 DNA 가닥 사이에 물리적으로 들어갈 수 없게 된다. 하지만 세포의 경우 몇가지의 방법을 통해 이를 해결한다.
첫번째는 핵양체 속의 DNA 덩어리가 계속 움직이며 효소가 접근할 수 있도록 한다. 다음으로, RNA 효소가 빽빽한 DNA 틈을 비집고 들어가는 것이다. 마지막으로 핵심적인 유전자들은 DNA 덩어리 표면에 위치하도록 하여 RNA가 쉽게 접근할 수 있도록 한다.
비교적 단순한 원핵세포가 이정도라면, 진핵세포는 어떨까? 진핵세포의 경우 원핵세포보다 최대 1000배나 많은 DNA를 갖고 있다고 한다. 따라서 위에서 언급한 문제가 훨씬 더 복잡하며, DNA를 감는 히스톤(histone)이라는 단백질이 존재하기 때문에 더 어려운 문제이다.
이러한 문제를 해결하기 위해 진핵세포는 조절 단백질(regulatory protein)을 활용하는데, 유전자가 발현되기 전에 특정 조절 단백질들이 먼저 DNA의 조절 부위에 결합하여 히스톤이 그 자리에 결합하는 것을 막아, 향후에도 RNA 효소가 접근할 수 있도록 한다. 그리고 또 다른 방법으로는 조절 단백질을 통해 히스톤을 밀어내거나 위치를 바꾸도록 하여 RNA 효소가 접근할 수 있도록 한다.
1.4 세포막을 통한 분자의 이동 (Moving Molecules into or out of Cells)
세포는 생존에 필요한 물질은 받아들이고, 불필요하거나 해로운 물질은 밖으로 내보내야 한다. 이 모든 과정은 세포를 둘러싼 세포막을 통해서 일어나고, 이는 에너지를 사용하지 않는 방식(passive transport)과 에너지를 사용하는 방식(active transport)으로 나뉜다.
먼저, 수동 수송(passive transport)의 경우 물질의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 자연스럽게 이동하는 현상이다. 수동 수송의 종류로는 단순 확산과 촉진 확산이 있다.
- 단순 확산: 산소나 이산화탄소처럼 크기가 매우 작은 분자가 세포막을 직접 통과하는 방식
- 촉진 확산: 포도당이나 아미노산처럼 크기가 좀 더 크거나 전하를 띠는 분자들이 세포막에 있는 운반체 단백질의 도움을 받아 이동하는 방식
다음으로, 능동 수송(active transport)은 세포가 에너지를 사용하여 물질을 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로 거슬러 이동시키는 방식이다. 이는 이미 세포 안에 특정 물질이 많아도, 밖에서 더 끌어와야 할 때 사용된다. 이를 위해 분반체 단백질이 반드시 필요하고, 이 단백질이 펌프(pump) 역할을 하기 위해서는 세포의 대사 에너지(주로 ATP)를 사용한다.
능동 수송의 경우, 반드시 에너지가 필요하다 했는데, 크게 세 가지 방식으로 에너지를 얻게 된다. 화학 삼투(chemiosmosis), 결합 단백질 시스템(binding protein systems), 인산기 전이효소 시스템(phosphotransferase system)이 있다.
화학 삼투는 세포가 양성자(H+)를 세포 밖으로 포너애 농도 차이를 만드는데, 이 양성자가 다시 안으로 들어오려는 힘을 이용해 다른 분자를 함께 이동시킨다. 이때 동향수송(symport)과 역수송(antiport)라는 단어도 나오는데, 동향 수송은 양성자와 다른 분자가 같은 방향으로 함께 들어오는 것을 의미하고 역수송은 이 둘이 서로 반대 방향으로 나가는걸 말한다.
결합 단백질 시스템의 경우 앞에서 말한 것과 같이 대사 에너지를 사용하는 방식인데, 주로 ATP라는 에너지 분자를 직접 분해(기수분해)하여 에너지를 얻는데, 기수분해될 때 나오는 에너지의 약 50%를 물질 수송에 사용하여 아미노산, 당 등 특정 분자와 결합하는 단백질을 통해 물질을 이동시킨다.
마지막으로 인산기 전이효소 시스템은, 대장균(E. coil)에서 주로 발견되는 독특한 방식인데, 세포 밖의 당(sugar)을 안으로 들어오면서 동시에 인산(phosphate)을 붙여 화학적으로 변화시킨다. 이렇게 되면, 당이 세포 안에서 마치 덫에 걸린 것처럼 갇히게 되어 다시 밖으로 나갈 수 없게 된다.
1.5 작은 부피의 세포 내에서의 확산(diffusion)
AI에서 내가 주로 다루는 분야는 Generative modeling이다. 여기서 최근 가장 핵심이 되는 패러다임은 확산 모델인데, 본 과목을 학습하면서 디퓨전, 즉 확산이라는 단어를 보니 뭔가 더 반가운 느낌이다.
확산이라는 단어를 생각하면 아래의 이미지와 같이 점차 퍼져나가는 이미지를 연상시킬 수 있다.
작은 부피의 세포 내에서 확산은 무엇을 의미할까?
세포 내부는 질서있게 배열된 분자들의 모임이 아니고, 분자들이 매우 빠른 속도로 움직인다. 예를 들어, 세포에게 특정 단백질을 만들라는 신호를 주게 된다면 몇 분 안에 새로운 단백질이 완성된다. 새로운 단백질 합성을 위해 필요로 하는 분자들이 서로를 매우 빠르게 움직이며 합쳐져야 가능한 일이다. 이렇게 빠르게 움직이는 것을 확산(diffusion)이라 부른다.
교재에는 계산을 통해 단백질 분자 하나가 확산만으로 세포를 가로지르는 데 걸리는 시간이 나타나 있는데, 박테리아의 경우 약 1/250초, 진핵세포의 경우 약 2초라는 아주 빠른 속도로 세포의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 이동할 수 있다고 한다.
1.6 기하급수적으로 증가하는 세포
이상적인 환경이라면 세포의 성장 속도는 세포 수에 정비례하여 빨라진다. 그래서 세포는 지수적 성장을 한다고도 표현을 하는데, 이렇듯 세포 집단의 성장을 나타내는 핵심 공식으로, 지수 성장률(µ)을 이용한 공식이고 다음과 같다.
여기서, N(t)는 시간 t 시점에서의 세포 수를 의미하며, N(0)은 가장 처음 세포 수, µ는 세포의 고유한 지수 성장률을 의미한다.
1.7 성장하는 세포의 구성 변화
성장하는 세포 집단에서 특정 효소의 합성이 시작될 때, 시간이 지남에 따라서 효소 양은 어떻게 변화할까?
즉, 성장하는 세포 집단에서 세포는 계속 2배씩 늘어나는데 새로 만들어지는 효소는 어떻게 이 속도를 따라잡는지 구성 변화를 살펴보자.
위 표에서는 세포의 질량이 시간이 지남에 따라 1, 2, 4, 8로 정확히 2배씩 늘어나는 이상적인 지수적 성장을 가정하고 있다.
이때, 가능한 시나리오는 2개가 있다. 첫 번째는 효소 합성이 오래전에 시작된 경우 즉, 안정 상태인 경우이다. 그리고 두 번째는 t가 0에서 시작된 유도 상태가 있다.
먼저, 안정 상태(steady state)의 경우, 효소 합성이 아주 오래전부터 계속되어 안정 상태에 도달한 경우이다. 그래서 위 표에서도 세포의 질량이 증가한 양과 효소의 총량이 동일하게 정확히 2배씩 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이 경우, 세포 하나당 효소의 농도가 항상 일정하게 유지된다.
다음으로, 유도 상태인데, 이것이 위 표의 핵심이다. t=0 시점에 세포의 질량은 1이지만, 효소는 0인 것을 확인할 수 있다. 이 시점부터 세포는 효소를 합성하게 된다. 그러면 T_d 시점에서 세포의 질량은 2이지만 처음 효소가 합성되었기 때문에 A만큼의 효소를 만들게 된다. 이제 다음 시점인 2T_d 시점에서는 2배만큼 늘어난 세포가 또다시 효소를 합성하게 되어 3A 만큼의 효소가 생긴다. 이런식으로 직전 시점의 세포의 양만큼 점차 효소도 늘어나게 된다.
1.8 성장하는 세포 집단의 나이 분포
활발하게 성장하고 분열하는 세포 집단에서 존재하는 세포는 동일하지 않고 다양한 나이 분포를 갖고 있다.
새롭게 분열된 세포는 성장하면서 부피가 두 배가 되고 두 개의 자식세포로 분열한다. 쉽게 말해, 세포 1개의 나이가 1이 되어 분열하면 나이 0인 새로운 세포가 2개가 생긴다는 것이다.
이렇게 되면 당연히 존재하는 세포의 수도, 세포의 나이도 다르게 되는 것은 당연하다. 아래 그림을 보면 개별 세포의 나이가 어떻게 분포하는지 잘 나타내는 그래프인데, 항상 오른쪽 아래로 내려가는 지수 함수 형태를 보이게 된다. 즉, 어린 세포가 항상 더 많다.
