그림 54탐험관
세포 속을 걷기: 동물 세포, 식물 세포, 세균
세포를 100만 배로 키우면 미토콘드리아는 소파만 하고 대장균 한 마리는 길이 2 m이며, 소포를 끄는 키네신은 초속 0.8 m로 걷습니다.
이 기기에서는 3D를 띄울 수 없습니다. 아래 안내 단계를 글로 볼 수 있습니다.
1 / 14 100만 배로 키운 세포100만 배로 키운 세포의 바닥 막 위에 서 있습니다. 눈높이 1.6 m는 실제로 1.6 µm입니다. WASD나 방향키, 조이스틱으로 움직이고 R과 F, 또는 오른쪽 화살표로 오르내립니다. 앞에 보이는 핵에는 안을 들여다볼 창을 냈습니다. 오른쪽 위 도감 버튼을 누르면 가 볼 수 있는 78가지가 나옵니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
세포 안에 들어와 섰습니다
세포는 너무 작아서 머릿속에 그리기 어렵습니다. 교과서 그림은 동그라미 안에 핵과 미토콘드리아 몇 개, 구불구불한 소포체를 비슷한 크기로 띄워 놓곤 합니다. 이 전시는 동물 세포 하나를 100만 배로 키워, 보통 사람의 눈높이로 그 안을 걸어 다니게 합니다. 모든 부품은 실제 세포에서 잰 크기대로 그렸습니다. 그래서 미토콘드리아는 걸터앉을 만한 캡슐이고, 리보솜은 큰 구슬만 한 짙은 알갱이입니다.
세포 모양은 유리 접시 위에 넓게 퍼진 세포를 따랐습니다. 길이 30 µm, 폭 24 µm, 가운데 높이 8 µm인 낮은 돔입니다. 시작하는 자리는 돔의 바닥으로, 유리에 붙은 쪽 세포막입니다. 가운데에는 핵이 있고, 핵의 왼쪽은 거친면 소포체가 감싸고 있으며 오른쪽에는 골지체가 있습니다. 미토콘드리아와 리소좀이 여기저기 흩어져 있고, 핵 옆 한 점에서 미세소관이 사방으로 뻗어 나가며, 작은 소포가 그 위를 타고 세포 가장자리로 갑니다.
왜 100만 배로 키웠을까요
몸이 세포 안에 들어갈 만큼만 키우면 될 것 같지만, 10만 배로는 모자랍니다. 이 배율에서 지름 20 µm인 세포는 2 m짜리 공이 되고, 핵은 사람 머리보다 작아집니다. 거꾸로 키 1.6 m인 사람은 실제로 16 µm가 되어 세포 전체보다 커집니다.
100만 배로 키우면 숫자를 읽기도 쉬워집니다. 모형의 1 m는 세포의 1 µm이고, 1 mm는 1 nm입니다. 눈높이 1.6 m는 1.6 µm를 뜻합니다. 화면 왼쪽 위의 축척 상자가 이것을 보여 주며, 그 안의 막대는 지금 바로 앞에 있는 물체까지의 거리에 맞추어 다시 그려집니다. 3 m 떨어진 벽을 보고 있으면 그 거리에서 1 µm가 얼마나 길어 보이는지를 막대가 알려 줍니다.
모형 속 크기
주요 부품과 모형의 크기는 아래와 같습니다. 세포마다 크기가 달라서 실제 값은 범위로 적었습니다.
| 부품 | 실제 크기 | 모형 크기 |
|---|---|---|
| 세포 전체(유리 위에 퍼진 상태) | 지름 20~40 µm | 30 × 24 × 8 m |
| 핵 | 지름 2~10 µm | 9 × 6 × 7.6 m |
| 미토콘드리아 | 폭 약 1 µm, 길이 약 2 µm | 폭 0.84 |
| 리소좀 | 0.1~1.2 µm | 0.5~0.7 m |
| 핵공 | 약 120 nm | 12 cm |
| 미세소관 | 굵기 25 nm | 굵기 2.5 cm |
| 리보솜 | 25~30 nm | 약 2.8 cm |
| 매끈면 소포체 관 | 굵기 30~100 nm | 6 cm |
| 세포막 | 두께 4~10 nm | 두께 4~10 mm |
| 키네신 한 걸음 | 8 nm | 8 mm |
모형 세포의 부피는 약 3,000 µm³입니다. 『숫자로 보는 세포생물학(Cell Biology by the Numbers)』은 사람 세포의 부피를 어림할 때 2,000 µm³를 쓰고, 대부분 500~4,000 µm³ 사이에 든다고 설명합니다. 같은 책의 계산 예에서는 전형적인 포유류 세포를 3,000 µm³로 잡습니다. 유리 위에 퍼진 HeLa 세포는 지름이 약 40 µm까지 넓어지지만 높이는 몇 µm밖에 되지 않습니다. 그래서 모형도 공이 아니라 낮은 돔 모양입니다.
숫자를 직접 확인해 봅니다
출발점 가까이에 갈라 놓은 미토콘드리아 옆에 서 보세요. 폭이 1 m라서 꼭대기가 눈높이보다 조금 낮습니다. 실제 세포에서는 1 µm로, 머리카락 굵기의 100분의 1쯤입니다.
가장 보기 어려운 것은 세포막입니다. 두께 410 nm는 모형에서 410 mm로 연필 굵기 정도인데, 이 막이 길이 30 m짜리 방을 감싸고 있습니다. 『숫자로 보는 세포생물학』은 이 비율을 비행기 동체 지름과 겉판 두께의 비율에 견줍니다. 그래서 오른쪽 벽의 한 부분만 20배 더 두껍게 그렸습니다. 그 부분에서는 지질 머리 하나가 0.8 mm가 아니라 16 mm여서 두 겹을 셀 수 있습니다.
전혀 들어맞지 않는 숫자는 핵 속 DNA입니다. 사람 세포 하나에는 DNA가 약 2 m 들어 있습니다(약 30억 염기쌍인 유전체 두 벌, 염기쌍 하나에 0.3 nm). 모형의 축척으로는 2,000 km짜리 실을 길이 9 m인 공에 밀어 넣은 셈입니다. 창 안으로 보이는 보라색 실은 질감을 보여 주려고 조금만 그린 것입니다.
세포막의 단면
인지질 분자는 물과 잘 섞이는 머리 하나와 물을 피하는 꼬리 두 개로 되어 있습니다. 물속에서 꼬리끼리 맞대고 늘어서면 바깥 두 면에 머리가 오는 두 겹 막이 생깁니다. 한 겹의 깊이가 약 2 nm라서 이중층의 가운데 부분은 약 4 nm입니다. 단백질은 이 얇은 막에 박혀 있습니다. 확대한 부분의 파란 원통은 두 겹을 모두 관통하는 통로 단백질이고, 바깥쪽에 초록 구슬이 달린 단백질은 당 사슬을 단 당단백질입니다.
세포막은 액체처럼 흐릅니다. 지질은 옆 분자 사이를 끊임없이 미끄러져 다니지만, 한 겹에서 다른 겹으로 뒤집히는 일은 아주 드뭅니다. 그래서 두 겹은 서로 다른 지질 조성을 유지할 수 있습니다. 모형에서는 지질을 멈춰 두었습니다.
핵과 핵공
핵막은 안쪽 막과 바깥 막 두 겹이고, 그 사이에 수십 nm의 틈이 있습니다. 핵 앞쪽에 낸 창의 가장자리에서 두 막의 단면을 볼 수 있는데, 모형에서는 약 4 cm 떨어져 있습니다. 바깥 막은 거친면 소포체로 이어집니다. 모형에서 소포체 주머니가 핵 바로 옆에서 시작하는 것도 그 때문입니다.
핵공은 두 막을 한꺼번에 뚫고 있습니다. 하나하나가 지름 약 120 nm인 단백질 고리이고 가운데로 통로가 나 있으며, 척추동물의 핵 하나에는 약 2,000개가 있습니다. 전령 RNA와 리보솜 조각은 핵공으로 나가고, 핵 안에서 일할 단백질은 핵공으로 들어옵니다. 모형에는 기기 성능에 따라 핵공을 300~1,100개 그립니다.
핵 안의 핵소체는 막 없이 빽빽하게 모인 부분으로, 모형에서는 지름 2 µm로 그렸습니다. 리보솜 RNA 유전자 둘레에 생기며, 리보솜의 큰 조각과 작은 조각이 여기서 조립되어 핵 밖으로 나갑니다.
단백질이 만들어지고 포장되는 길
리보솜은 전령 RNA를 읽으면서 아미노산을 한 줄로 잇습니다. 세포질에 떠 있는 리보솜은 세포질에 남을 단백질을 만듭니다. 새 단백질의 앞부분에 소포체로 가라는 신호가 있으면 리보솜이 소포체에 달라붙어, 자라나는 사슬을 막 너머 주머니 안으로 밀어 넣습니다. 소포체가 거칠게 보이는 것은 이렇게 붙은 리보솜 때문입니다. 매끈면 소포체에는 리보솜이 없습니다. 굵기 30~100 nm인 관이 그물처럼 이어진 구조로, 지질을 만들고 칼슘을 저장합니다.
소포체에서 나온 단백질은 작은 소포에 실려 골지체로 갑니다. 포유류 세포 하나에는 골지체 더미가 40100개 있고 대개 중심체 가까이에 모여 있으며, 더미 하나는 주머니 48장으로 되어 있습니다. 모형에는 여섯 장짜리 더미 하나를 놓았습니다. 단백질은 소포체에 가까운 시스 면으로 들어와, 안을 지나는 동안 당이 잘리고 덧붙여진 뒤 트랜스 면에서 소포에 담겨 세포막이나 리소좀 같은 다른 구획으로 떠납니다.
미세소관 위를 걷는 키네신
미세소관은 굵기 약 25 nm인 속 빈 관이고, 대개 튜불린 13줄로 되어 있습니다. 한 줄은 알파·베타 튜불린 한 쌍이 8 nm마다 되풀이되는 사슬입니다. 미세소관 대부분은 핵 옆의 중심체에서 시작해 세포 가장자리로 뻗습니다. 세포 안의 거리에서는 거의 휘지 않는 단단한 관입니다.
키네신-1은 긴 줄기로 이어진 운동 머리 두 개와, 화물을 붙잡는 꼬리로 되어 있습니다. PDB-101의 설명처럼 키네신은 손을 번갈아 짚듯이 걷습니다. 한쪽 머리가 미세소관을 붙잡고 있는 동안 다른 머리가 떨어져 앞으로 넘어가서 16 nm 앞에 다시 붙습니다. 한 걸음에 화물이 8 nm 나아가고 ATP가 하나 쓰입니다. 『숫자로 보는 세포생물학』에 따르면 시험관 속 일반 키네신은 1초에 약 800 nm를 가고, 100걸음쯤 걸으면 미세소관에서 떨어집니다.
100만 배 모형에서 초속 800 nm는 초속 0.8 m로, 천천히 걷는 사람의 속도입니다. 그런데 머리는 1초에 100걸음쯤 내딛기 때문에 화면으로는 따라갈 수 없습니다. 그래서 키네신을 보여 주는 안내 단계에서는 실제 속도의 1/20로 느리게 바꾸어, 머리 하나가 다른 머리를 넘어가는 모습을 볼 수 있게 했습니다.
미토콘드리아와 리소좀
미토콘드리아는 막이 두 겹입니다. 바깥 막은 매끈하고, 안쪽 막은 크리스타라는 주름으로 접혀 있어서 ATP를 만드는 단백질이 자리 잡을 넓은 면을 줍니다. 『숫자로 보는 세포생물학』은 전형적인 미토콘드리아를 길이 약 2 µm, 지름 약 1 µm인 캡슐로 설명하지만, 많은 세포에서는 미토콘드리아가 이어져 수십 µm에 이르는 가지 모양 그물을 이루기도 합니다. 모형에는 따로 떨어진 캡슐 열 개를 놓고, 하나를 갈라 크리스타가 보이게 했습니다.
리소좀은 60종이 넘는 소화 효소를 담은 주머니로, 세포 하나에 보통 수백 개가 있습니다. 모형에는 여섯 개만 놓았습니다. 리소좀 안은 pH 4.5~5로 유지되고, 효소는 이 산성에서 가장 잘 일합니다. 둘레의 세포질은 pH 7.2 정도여서 효소가 제대로 일하지 못합니다. 그래서 리소좀이 새더라도 세포의 나머지 부분이 소화되지 않습니다.
10배, 100배 더 작아지기
100만 배 축척에서는 세포 안을 걷기 쉽지만, 20 nm보다 작은 것은 발밑의 부스러기처럼 보입니다. 리보솜은 구슬만 하고 칼륨 통로는 폭이 8 mm입니다. 분자를 보려면 한 번 더 확대해야 해서, 오른쪽 위 크기 버튼에 ×10과 ×100을 두었습니다.
이 버튼은 세포를 다시 만들지 않고 나를 작게 만듭니다. ×10에서는 축척이 1,000만 대 1이 되어 눈앞의 1 m가 실제 100 nm이고, 눈높이는 바닥에서 160 nm입니다. ×100에서는 축척이 1억 대 1이 되어 1 m가 10 nm이고, 내 키는 실제 16 nm로 프로테아솜 하나만 합니다. 왼쪽 위 상자에는 지금의 배율과 1 m가 실제로 얼마인지, 내 실제 눈높이가 늘 나와 있어서 어느 단계에서든 숫자를 확인할 수 있습니다. 세포는 그대로입니다. 소파만 하던 미토콘드리아가 길이 100 m인 건물이 되어서, ×100에서는 그 옆을 지나가는 데만 몇 분이 걸립니다.
제 크기로 그린 분자
분자는 단백질의 접힌 덩어리 하나를 구슬 하나로 나타내는 구슬 모형으로 그렸습니다. RCSB PDB-101의 그림과 같은 방식입니다. 실제 크기로 만들어 일하는 자리에 놓고, 가까이 가서 보일 만큼 커졌을 때만 화면에 그립니다. 세포 건너편에서는 그리는 비용이 들지 않습니다.
동물 세포에서는 네 군데에서 분자를 찾을 수 있습니다.
- 오른쪽 앞 바닥 막. 칼륨 통로와 나트륨-칼륨 펌프, 수용체, 아쿠아포린이 0.8 nm 간격의 지질 머리로 덮인 막에 박혀 있습니다. 지름 약 100 nm인 클라트린 바구니가 막을 안쪽으로 오므리고 있습니다. 굵기 7 nm인 액틴 섬유가 바닥을 가로지르고, 그 위를 미오신 V가 걷습니다. 옆에는 밧줄 같은 중간섬유가 놓여 있습니다.
- 그 옆의 붐비는 상자. 한 변 100 nm인 상자에 실제 세포질과 같은 밀도, 1 µm³에 약 300만 개로 단백질을 채웠습니다. ×100에서는 밀고 들어갈 수 있는 분자의 벽입니다. 가장자리에 프로테아솜과 Hsp90 샤페론, 글리코젠 알갱이, 전령 RNA 하나를 함께 읽는 리보솜 줄이 있습니다.
- 핵 안. 뉴클레오솜에 감긴 DNA와, 그 위에서 RNA 가닥을 만드는 RNA 중합효소 II가 있습니다. 핵막에는 자세히 그린 핵공 복합체가 하나 있습니다.
- 소기관 위. Sec61 통로로 거친면 소포체에 붙은 리보솜, 갈라 놓은 미토콘드리아의 잘린 가장자리에 줄지어 선 ATP 합성효소, 키네신이 걷는 미세소관 아래의 다이닌이 있습니다.
도감에 실제 밀도라고 적은 곳(붐비는 상자, 지질 바닥)은 실제 밀도이고, 나머지는 듬성듬성 그렸습니다. 실제 막은 단백질이 너무 빽빽해서 통로 하나하나를 알아보기 어렵기 때문입니다.
같은 축척의 식물 세포
세포 버튼을 누르면 같은 축척으로 만든 잎 세포로 바뀝니다. 셀룰로스 벽 안의 길이가 40 µm, 폭 24 µm, 높이 20 µm입니다. Cell Biology by the Numbers는 이런 식물 세포의 부피 대부분을 액포가 차지한다고 설명하는데, 들어가자마자 그것이 눈에 띕니다. 반투명한 덩어리가 가운데를 채우고, 나머지는 그 둘레의 얇은 층과 핵이 있는 한쪽 끝 방으로 밀려나 있습니다.
엽록체는 액포 아래 바닥과 한쪽 벽에 붙어 있습니다. 길이를 5 µm로 그렸는데, 관다발 식물에서 재어 본 46 µm 안에 듭니다. 하나는 갈라 놓아서 납작한 틸라코이드 주머니가 쌓인 그라나와 녹말 알갱이가 보입니다. 맞은편 벽에는 지름 약 50 nm인 원형질 연락사가 모여 있어 이웃 세포와 이어집니다. 가까운 벽을 따라서는 소기관이 액틴 줄 고리를 타고 1초에 4 µm씩 흐릅니다. 원형질 유동에서 잰 1초에 1100 µm 안의 값입니다. 갈라 놓은 엽록체 안에서 ×100으로 작아지면 이산화탄소를 고정하는 효소 루비스코와, 물을 쪼개 산소를 내놓는 광계 II를 찾을 수 있습니다.
같은 축척의 세균
세 번째 세포는 대장균입니다. Cell Biology by the Numbers는 폭 약 1 µm, 길이 약 2 µm, 부피 약 1 µm³를 어림값으로 씁니다. 그래서 100만 배 축척에서는 생물 하나가 통째로 접시 위에 누운 길이 2 m짜리 캡슐이고, 동물 세포의 미토콘드리아 하나만 합니다. 모형이 우연히 그렇게 된 것이 아닙니다. 미토콘드리아는 아주 오래전 다른 세포 안으로 들어간 세균의 후손이라서, 지금도 작은 유전체를 따로 갖고 있습니다. 접시의 눈금은 한 칸이 1 µm입니다.
×1에서는 몸이 너무 커서 안에 들어갈 수 없으므로 ×10에서 시작합니다. 안에서는 리보솜이 가운데의 핵양체 둘레를 거의 채우고 있습니다. 핵양체는 막 없이 뭉친 염색체입니다. 머리 위의 외피는 안쪽 막, 얇은 펩티도글리칸 그물, 바깥 막의 세 겹입니다. 외피에는 지름 약 45 nm인 편모 모터가 박혀 저마다 나선 모양 섬유를 1초에 약 100바퀴 돌리고, 한쪽 끝에 격자로 모인 화학 수용체가 모터에게 언제 거꾸로 돌지 알려 줍니다. 핵이 없어서 리보솜은 전령 RNA가 다 만들어지기 전부터 읽기 시작하는데, 출발점 가까이 두 곳에서 그 모습을 볼 수 있습니다.
도감
도감 버튼을 누르면 가 볼 수 있는 78가지 목록이 열립니다. 동물 세포에 49가지, 식물 세포에 14가지, 세균에 15가지입니다. 이름으로 찾거나, 세포와 종류(소기관, 분자, 과정)로 거르거나, 크기순으로 늘어놓을 수 있습니다. 하나를 고르면 필요한 경우 세포와 크기를 바꾼 뒤 그 앞으로 데려다줍니다. 카드에는 실제 크기와 세포 하나에 몇 개인지, 짧은 설명과 출처가 나오고, 막대 하나에 단백질, 리보솜, 대장균, 동물 세포, 지금 크기의 내 키와 나란히 크기를 견줍니다.
과정 일곱 가지(체세포 분열의 단계들, 세포 주기, 식물 세포가 나뉠 때 생기는 세포판, 세균의 이분법)는 3D 세포 안에서 일어나지 않습니다. 이 카드에는 대신 작은 그림이 나옵니다.
100만 배가 속도와 거리에 하는 일
모형의 1 m가 세포의 1 µm이므로, 모든 길이는 단위를 여섯 단계 올리면 바뀝니다. 지름 20 µm인 세포는 20 m가 되어 버스 한 대 반을 이어 놓은 길이입니다. 지름 25 nm인 리보솜은 25 mm, 2.5 cm로 큰 구슬 크기입니다. 5 nm인 단백질은 5 mm로 쌀알을 세워 놓은 정도이고, 두께 5 nm인 막은 5 mm 두께로, 길이 30 m인 홀을 감싸는 손가락 두 개 사이에 잡힐 만한 층입니다.
속도도 같은 비율로 바뀝니다. 시간은 늘어나지 않기 때문입니다. 키네신은 초속 약 800 nm로 걷고, 모형에서는 초속 0.8 m입니다. 1초에 몇 µm를 떠도는 단백질은 몇 m를 가는 셈입니다. 여러분은 초속 1.4 m로 걷고, 이것은 실제 세포에서 초속 1.4 µm이므로 키네신보다 조금 빠릅니다. 세포의 길이 30 m를 건너는 데 약 21초가 걸립니다. ×100에서는 같은 걸음이 초속 14 nm이고, 걷기 조절에 빠른 속도가 있는 것도 이 때문입니다.
단위에는 함정이 하나 있습니다. 넓이는 제곱으로, 부피는 세제곱으로 바뀝니다. 부피 1 µm³인 미토콘드리아는 모형에서 1 m³로, 한 변이 1 m인 상자입니다. 세포 전체인 약 3,000 µm³는 3,000 m³이고, 약 2,500 m³를 담는 올림픽 수영장보다 큰 홀입니다. 위 표의 숫자는 길이입니다. 세포마다 개수를 말할 때는 이 입방미터 3,000개 안의 개수를 뜻합니다.
분자는 몇 개이고 건너는 데 얼마나 걸릴까요
『숫자로 보는 세포생물학』에 따르면 세포 1 µm³마다 단백질이 약 300만 개 있고, 부피 2,000에서 4,000 µm³인 사람 세포 하나에는 약 100억 개(10¹⁰)가 들어 있습니다. 이 모형의 3,000 µm³로 계산하면 3,000 × 300만, 약 90억 개입니다. 모형에서는 여러분 주위 1 m³ 공간에 300만 개가 있는 셈입니다. 이웃한 단백질 사이의 평균 간격은 1 µm³를 300만으로 나눈 값의 세제곱근, 약 0.007 µm, 즉 7 nm이고, 화면에서는 7 mm입니다. 단백질 하나는 약 5 nm이므로 거의 맞닿아 있습니다. 붐비는 상자가 재현하는 밀도가 바로 이것이고, 모형의 다른 곳은 훨씬 비어 있습니다.
세포 안의 분자는 곧게 가지 않습니다. 물 분자에 이리저리 부딪히는데, 이 움직임을 확산이라고 하며, 거리 x를 가는 데 걸리는 평균 시간은 거리의 제곱에 비례합니다. 한 방향으로만 움직이는 입자는 t ≈ x² / 2D이고, D는 확산 상수입니다. 3차원에서는 2가 6이 됩니다. 책은 보통 크기 단백질의 D를 물속에서 약 100 µm²/s, 세포 안에서 약 10 µm²/s로 줍니다. 대입하면 다음과 같습니다.
- 대장균 한 마리를 건널 때, x = 1 µm: t ≈ 1 / 60, 약 0.02초입니다. 책은 약 0.01초라고 합니다.
- HeLa 세포를 건널 때, x = 20 µm: t ≈ 400 / 60, 약 7초입니다. 책은 약 10초라고 합니다.
- 길이 1 cm인 축삭을 따라갈 때, x = 10,000 µm: t ≈ 10⁸ / 60, 약 170만 초로 대략 3주입니다. 책은 D와 계수를 어림해 약 2주라고 합니다.
초속 1 µm로 가는 운동 단백질은 1 cm를 가는 데 2에서 3시간이 걸립니다. 신경 세포가 화물을 확산에 맡기지 않고 미세소관에 싣는 이유입니다. 그러나 세포 한 개 크기에서는 두 방법이 비슷합니다. 20 µm를 가는 데 운동 단백질은 20초, 확산은 10초가 안 걸리므로, 작은 세포는 분자를 확산에 맡기고 운동 단백질은 크거나 정해진 곳으로 가야 하는 화물에 씁니다.
흔히 하는 오해
- "소기관은 빈 물속에 멀찍이 떠 있다." 실제 세포의 세포질은 붐비는 젤이고 소기관은 서로 가까이 모여 있으며, 소포체는 거의 모든 곳에 뻗어 있습니다. 모형의 넓은 빈 공간은 걸어 다닐 수 있도록 단순하게 만든 것입니다.
- "분자는 어디로 가야 할지 안다." 대부분 확산으로 우연히 짝을 만나고, 알맞은 방향으로 마주칠 때만 반응합니다. 키네신 같은 운동 단백질은 길을 따라가는 예외지만, 화물도 그 길을 찾아야 합니다.
- "키네신은 사람처럼 걷는다." 애니메이션으로는 그렇게 보이지만, 머리는 주위 물에 늘 떠밀릴 만큼 작습니다. ATP 하나마다 머리 하나가 앞으로 넘어가 붙는 톱니 같은 걸음이고, 그렇게 떨림이 한 방향의 걸음으로 바뀝니다.
- "핵은 세포의 뇌라서 모든 것을 직접 조종한다." 핵은 유전체를 보관하고 복사하며 RNA를 만들지만, 단백질은 세포질과 소포체에서 만들어지고 세포의 많은 결정은 막에 닿는 신호로 내려집니다. 미토콘드리아는 작은 유전체를 따로 가지고 있기까지 합니다.
- "세포는 모두 교과서 그림처럼 생겼다." 모형은 유리 위에 퍼진 세포 한 종류를 흔히 연구되는 크기로 보여 줍니다. 적혈구에는 핵이 없고 근섬유에는 핵이 여럿 있으며, 세포 부피는 몇 자릿수에 걸쳐 다릅니다.
모형과 실제 세포가 다른 점
- 세포질이 거의 비어 있습니다. 실제 세포에는 1 µm³마다 단백질이 약 300만 개 들어 있습니다. 둘레에 떠다니는 알갱이는 많아야 수천 개이고, 실제처럼 빠르게 부딪치며 움직이지 않고 천천히 떠다닙니다.
- 리보솜을 듬성듬성 그렸습니다. 모형에는 수천 개뿐이지만 실제 세포에는 훨씬 많아서, 거친면 소포체가 리보솜으로 빽빽하게 덮여 보입니다.
- 액틴과 중간섬유는 조금만 그렸습니다. 바닥을 가로지르는 액틴 다발과 핵을 감싼 중간섬유 몇 가닥만 있고, 막 아래의 빽빽한 액틴 그물은 길이 막히지 않도록 뺐습니다.
- 분자는 멀리서 보이지 않습니다. 분자 모형은 가까이 가야 나타나고, 실제처럼 이리저리 구르지 않고 가만히 있습니다.
- 소기관은 대부분 움직이지 않습니다. 살아 있는 세포에서는 미토콘드리아가 움직이고 나뉘고 합쳐지며, 소포체도 몇 분마다 모양이 바뀝니다.
- 핵에 창을 냈습니다. 실제 핵막은 핵공 말고는 닫혀 있습니다.
- 색은 지어낸 것입니다. 이 크기의 소기관에는 고유한 색이 없습니다. 전자현미경 사진은 회색이고, 형광 사진은 염료의 색입니다.
세포 안에서 움직이는 법
컴퓨터에서는 WASD나 방향키로 걷고 마우스를 끌어서 둘러봅니다. R을 누르면 떠오르고 F를 누르면 다시 내려갑니다. Shift를 누르면 빨라지고, 바닥을 클릭하면 그 자리까지 걸어갑니다. 휴대폰에서는 화면 왼쪽 절반이 조이스틱이고 오른쪽 절반으로 시선을 돌립니다. 오른쪽의 화살표 두 개로 오르내릴 수 있습니다.
화면 오른쪽 위의 버튼은 세 줄입니다. 「세포」는 동물 세포와 식물 세포, 세균 사이를 오갑니다. 「크기」는 나를 ×10이나 ×100으로 작게 만들거나 되돌립니다. 「걸음」은 느리게, 보통, 빠르게 가운데 하나를 고릅니다. ×100에서는 보통 걸음이 1초에 13 nm밖에 되지 않아서 빠르게가 쓸모 있습니다. 왼쪽 위의 작은 지도는 내가 있는 곳을 위에서 보여 주고, 지도를 누르면 그 자리로 걸어갑니다.
무언가에 가까이 가면 이름표가 나타나고, ×100에서는 분자 하나하나에도 이름표가 붙습니다. 「이름표 모두」를 켜면 한 번에 더 많이 보입니다. 「부품」 목록이나 도감에서 고르면 그 앞으로 바로 갑니다.
자주 묻는 질문
실제 세포 속도 이렇게 생겼나요?
크기와 자리는 실제 측정값을 따랐지만, 실제 세포는 훨씬 붐빕니다. 단백질과 RNA, 작은 분자가 거의 모든 틈을 채우고 있고 소기관도 모형보다 더 촘촘히 모여 있습니다. 실제 밀도로 그리면 어느 쪽으로도 몇 µm 앞밖에 보이지 않을 것입니다.
세포에 왜 바닥이 있나요?
실험실에서 연구하는 동물 세포는 대부분 유리나 플라스틱 접시에서 키우는데, 이때 세포는 바닥에 붙어 납작하게 퍼집니다. 모형의 바닥은 접시에 닿은 쪽 세포막입니다. 조직 속 세포라면 사방이 다른 세포로 둘러싸여 있습니다.
키네신은 실제로 얼마나 빠른가요?
일반 키네신은 시험관에서 1초에 약 800 nm를 가고, 세포 안에서는 더 빨리 가기도 합니다. 8 nm 걸음을 1초에 100번쯤 내딛는 셈입니다. 모형의 축척으로는 초속 0.8 m여서, 느린 화면을 끄면 머리가 흐릿하게 보일 만큼 빠르게 내딛으며 산책하듯 옆을 지나갑니다.
소포가 정말 미세소관을 타고 이렇게 멀리 가나요?
그렇습니다. 키네신은 소포와 소기관 같은 화물을 미세소관을 따라 나르고, 다이네인은 반대 방향인 중심체 쪽으로 나릅니다. 키네신 한 분자는 보통 100걸음쯤 뒤에 떨어지지만, 화물 하나에 운동 단백질 여러 개가 붙어 있는 경우가 많아서 계속 이어서 갈 수 있습니다.
미토콘드리아를 왜 따로 떨어진 캡슐로 그렸나요?
교과서에 나오는 모양이고, 많은 세포에서, 특히 전자현미경 단면에서 실제로 그렇게 보입니다. 살아 있는 세포에서는 길게 가지를 친 그물을 이루고 끊임없이 나뉘고 합쳐지기도 합니다. 따로 떨어진 캡슐이 알아보기 쉬워서 그렇게 그렸습니다.
세포 하나에 리보솜은 몇 개나 있나요?
세포의 종류와 자라는 속도에 따라 다릅니다. 『숫자로 보는 세포생물학』에 따르면 빨리 자라는 대장균 하나에는 리보솜이 약 7만 2,000개 있고, 세포 건조 질량의 3분의 1이 넘습니다. 동물 세포는 부피가 대장균의 천 배가 넘고 리보솜도 훨씬 많아서, 모형에 그린 수천 개는 아주 적은 표본입니다.
핵 안으로 어떻게 떠서 들어갈 수 있나요?
창은 엔진 모형에서 흔히 보는 단면 보기처럼 일부러 잘라 낸 것입니다. 실제 세포에서는 핵막이 닫혀 있고, 사람만 한 것은 핵공을 지나갈 수 없습니다.
기본 크기로는 왜 세균 안에 들어갈 수 없나요?
100만 배 축척에서 세균은 길이 2 m, 폭 1 m밖에 되지 않는데 내 눈높이는 1.6 m이기 때문입니다. 10배 작아지면 눈높이가 실제 160 nm가 되고, 세균은 폭 10 m인 굴이 됩니다. 실제 크기 관계도 같습니다. 대장균 하나는 미토콘드리아 하나만 하고, 동물 세포 하나에는 수천 개가 들어갈 수 있습니다.
분자가 정말 이렇게 빽빽한가요?
붐비는 상자와 지질 바닥은 그렇습니다. Cell Biology by the Numbers는 세포의 단백질을 1 µm³에 약 300만 개로 어림하고, 상자는 이 밀도로 채웠습니다. 다른 곳의 분자 모형은 하나하나 찾을 수 있게 듬성듬성 그렸고, 둘레에 떠다니는 알갱이는 흉내만 낸 정도입니다.
식물 세포는 왜 가운데가 비어 있나요?
가운데는 물과 염류, 색소를 담은 중심 액포입니다. 잎 세포 가운데에는 액포가 부피의 80% 이상을 차지하는 것이 많습니다. 액포가 벽을 미는 압력이 식물의 부드러운 부분을 꼿꼿하게 세우고, 액포가 물을 잃으면 식물이 시듭니다.
크기 버튼을 누르면 무엇이 달라지나요?
세포는 그대로이고 내가 작아집니다. ×10에서는 눈앞의 모든 길이가 전보다 10배 커 보여서, 구슬만 하던 리보솜이 축구공만 해집니다. 왼쪽 위 상자에는 지금의 배율과 1 m가 실제로 얼마인지, 실제 단위로 잰 내 키가 늘 나옵니다.
용어
- 소기관: 핵이나 미토콘드리아처럼 세포 안에서 저마다 맡은 일이 있는 부분입니다.
- 세포질 기질(사이토졸): 소기관 둘레를 채운 물기 많은 젤입니다.
- 인지질 이중층: 세포막을 이루는 지질 분자 두 겹입니다.
- 핵막: 핵을 둘러싼 두 겹 막입니다.
- 핵공 복합체: 핵막을 꿰뚫는 통로를 이루는 지름 약 120 nm의 단백질 고리입니다.
- 염색질: 히스톤 단백질에 감긴 DNA로, 핵 안에서 DNA가 있는 모습입니다.
- 소포체: 막으로 된 주머니와 관의 그물입니다. 거친면 소포체에는 리보솜이 붙어 있고 매끈면 소포체에는 없습니다.
- 시스터나: 소포체나 골지체를 이루는 납작한 주머니 한 장입니다.
- 크리스타: 미토콘드리아 안쪽 막의 주름입니다.
- 미세소관: 굵기 약 25 nm인 튜불린 관입니다.
- 운동 단백질: ATP를 써서 섬유를 따라 움직이는 단백질입니다. 키네신과 다이네인은 미세소관 위를 걷습니다.
- ATP: 아데노신 삼인산으로, 세포가 에너지를 옮기는 데 쓰는 작은 분자입니다.
- 액포: 식물 세포의 커다란 물주머니로, 액포막이라는 막에 싸여 있습니다.
- 엽록체: 광합성이 일어나는 소기관으로, 안에 틸라코이드 더미가 있습니다.
- 원형질 연락사: 식물 세포벽을 뚫고 이웃한 두 세포를 잇는 통로입니다.
- 핵양체: 세균의 염색체가 막 없이 모여 있는 부분입니다.
- 펩티도글리칸: 당 사슬과 짧은 펩타이드가 엮인 그물로, 세균의 세포벽을 이룹니다.
- 편모 모터: 세균 외피에 박혀 편모를 돌리는 회전 모터입니다.
- 배율: 모형이 실제보다 몇 배 큰지를 나타냅니다. ×10과 ×100은 처음의 100만 배에 곱해집니다.
출처
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