현미경으로 들여다본 모습

세포는 생명의 기본 단위라고 불리어 왔습니다. 식물, 곤충, 동물, 인간 등 생명체는 실제로 세포로 구성되어 있습니다. 여러 해 동안, 과학자들은 세포의 내부 작용을 관찰함으로 분자 생물학과 유전학의 많은 비밀을 밝혀 냈습니다. 세포를 더 자세히 살펴보면서, 현미경으로 보아야 보일 정도로 미세하지만 매혹적인 이 생명의 기본 단위에 관해 과학이 무엇을 발견해 왔는지 고려해 보도록 하겠습니다.

현미경으로 본 모습

세포의 모양은 다양합니다. 직사각형으로 생긴 세포가 있는가 하면, 정사각형으로 생긴 세포도 있습니다. 둥근 세포가 있는가 하면 타원형 세포도 있고 물방울처럼 단순하게 생긴 세포도 있습니다. 단세포 유기체인 아메바를 생각해 보십시오. 아메바는 특정한 모양이 없이, 움직이면서 모양이 변합니다. 흥미롭게도, 세포의 모양을 보면 그 세포가 어떤 기능을 수행하는지 알 수 있는 경우가 많이 있습니다. 예를 들어, 일부 근육 세포는 길고 가늘며, 수축되면서 기능을 발휘합니다. 몸 전체로 메시지를 전달하는 신경 세포에는 기다란 가지가 달려 있습니다.

세포는 크기도 각기 다릅니다. 하지만 대부분 육안으로는 볼 수 없을 정도로 매우 작습니다. 보통 세포의 크기를 예를 들어 설명해 보겠습니다. 이 문장의 끝에 있는 마침표를 한번 보십시오. 이 작은 점 안에도 보통 크기의 세포가 약 500개나 들어갈 수 있습니다! 그것이 작다고 생각된다면, 일부 세균의 세포는 크기가 그것의 50분의 1정도밖에 되지 않는다는 점을 생각해 보십시오. 가장 큰 세포는 어느 세포입니까? 타조 알의 난황을 바로 그렇게 묘사할 수 있는데, 이 “거대한” 단세포는 그 크기가 야구 공이나 크리켓 공만합니다!

대부분의 세포는 육안으로 보이지 않기 때문에, 과학자들은 현미경과 같은 기구를 이용하여 세포를 연구합니다.a 그래도 세포의 일부 복잡한 세부점은 분명하게 식별할 수 없습니다. 이러한 점을 생각해 보십시오. 전자 현미경은 세포를 약 20만 배로 확대할 수 있습니다. 개미를 그 정도로 확대하면 길이가 800미터도 넘을 것입니다. 하지만 그 정도로 확대해도 세포의 일부 세부점은 보이지 않습니다!

그리하여 과학자들은 세포가 놀라울 정도로 복잡하다는 사실을 알게 되었습니다. 물리학자인 폴 데이비스는 그의 저서 「제5의 기적」(The Fifth Miracle)에서 이렇게 기술합니다. “각 세포는 마치 기술자의 매뉴얼에 따라 만들어진 것 같은 미세한 구조물들로 가득 차 있다. 아주 작은 족집게에서부터 가위, 펌프, 모터, 지렛대, 밸브, 파이프, 사슬, 심지어 차량에 이르기까지 수많은 구조물들로 이루어져 있다. 하지만 물론 세포는 단지 그러한 부속품들의 집합체에 불과한 것이 아니다. 여러가지 구성 요소들이 함께 어우러져 마치 공장의 정교한 생산 라인과도 같이 원활하게 작동하는 하나의 완전한 체계를 이룬다.”

DNA—유전 담당 분자

다세포 생물인 식물과 동물뿐 아니라 인간 역시 하나의 세포로 시작됩니다. 그 세포는 일정한 크기가 되면 분열하여 두 개의 세포가 됩니다. 그 다음에는 이 두 세포가 분열하여 네 개의 세포가 됩니다. 세포가 계속 분열함에 따라, 세포의 전문화가 이루어집니다. 즉 세포들 간에 차이가 생겨 근육 세포, 신경 세포, 피부 세포 등이 생성됩니다. 그러한 과정이 진행됨에 따라, 많은 세포들이 함께 무리를 지어 조직을 형성합니다. 예를 들어, 근육 세포는 서로 합쳐져 근육 조직을 형성합니다. 서로 다른 형태의 조직이 심장, 폐, 눈과 같은 기관을 형성합니다.

각 세포의 얇은 외피 아래에는 세포질이라고 하는 젤리 같은 액체가 있습니다. 그 액체 속에는 얇은 막으로 세포질과 분리되어 있는 핵이 있습니다. 핵은 세포의 거의 모든 활동을 관장하기 때문에 세포의 통제 본부라고 불리어 왔습니다. 핵 속에는 줄여서 DNA라고 부르는 디옥시리보 핵산으로 작성된 세포의 유전 프로그램이 들어 있습니다.

DNA 분자는 세포의 염색체 안에 나선형으로 촘촘하게 자리잡고 있습니다. DNA 분자로 이루어진 여러 부분을 가리키는 유전자에는, 지금의 당신을 만드는 데 필요한 모든 정보가 담겨 있습니다. 「월드 북 백과 사전」에서는 다음과 같이 설명합니다. “DNA에 들어 있는 유전 프로그램으로 인해 각 생물체는 다른 모든 생물체와 달라진다. 그러한 프로그램으로 인해 개와 물고기가 서로 다르고 얼룩말과 장미가 서로 다르며 버드나무와 말벌이 서로 다른 것이다. 당신이 지상에 사는 다른 모든 사람과 다른 것도 바로 그 때문이다.”

단 하나의 세포의 DNA 속에도 엄청난 양의 정보가 들어 있습니다. 이 잡지 크기의 지면 약 100만 페이지 분량의 정보가 들어 있습니다! DNA는 한 세대의 세포에서 다음 세대의 세포로 유전 정보를 전달하는 역할을 하기 때문에 모든 생명의 종합 계획서라고 불리어 왔습니다. 그러면 DNA는 어떤 모양을 하고 있습니까?

DNA는 서로 꼬여 있는 두 개의 가닥으로 이루어져 있어, 나선형 계단 내지는 꼬여 있는 사다리처럼 생겼습니다. 그 두 가닥은 염기라고 하는 네 가지 화합물을 한 쌍씩 조합해 놓은 것으로 연결되어 있습니다. 한쪽 가닥의 염기 한 개와 다른 쪽 가닥의 염기 한 개가 한 쌍을 이루고 있는 것입니다. 이러한 염기쌍은 꼬여 있는 DNA 사다리의 가로대를 형성합니다. DNA 분자에 들어 있는 염기들이 정확히 어떻게 배열되느냐에 따라 그 분자가 지니는 유전 정보가 결정됩니다. 간단히 말해서, 그 배열 방법에 따라 머리카락 색깔에서부터 코 모양에 이르기까지 당신에 관한 거의 모든 것이 결정된다는 뜻입니다.

DNA와 RNA 그리고 단백질

단백질은 세포 속에서 가장 많이 발견되는 고분자입니다. 대부분의 유기체에서 수분을 제외한 나머지 무게의 절반 이상은 단백질의 무게인 것으로 추산되어 왔습니다! 단백질은 아미노산이라고 하는 더 작은 기초 단위로 이루어져 있습니다. 일부 아미노산은 몸에서 만들어지지만, 음식을 통해 섭취하지 않으면 안 되는 아미노산들도 있습니다.

단백질은 여러가지 기능을 수행합니다. 예를 들어, 적혈구에는 헤모글로빈이라는 단백질이 있는데, 이 단백질은 몸 전체로 산소를 운반합니다. 그런가 하면, 몸이 질병에 맞서 싸우는 데 도움이 되는 항체라는 단백질도 있습니다. 인슐린과 같은 그 밖의 단백질들은 세포의 다양한 기능을 조절하는 데 그리고 음식을 소화시켜 에너지를 발생시키는 데 도움이 됩니다. 우리 몸에 있는 단백질을 모두 합하면 헤아릴 수 없이 많은 수가 될지도 모릅니다. 단 하나의 세포에만도 수백 가지의 단백질이 있을지 모릅니다!

각 단백질은 DNA 유전자가 결정해 주는 특정한 기능을 수행합니다. 하지만 DNA 유전자에 들어 있는 유전 정보가 어떻게 해독되어 특정한 단백질이 만들어지는 것입니까? 이 기사에 나오는 “단백질 합성 과정”이라는 도표에서 볼 수 있듯이, DNA에 보관되어 있는 유전 정보는 우선 세포의 핵에서 세포질로 전송되어야 하는데, 세포질에는 단백질을 생산하는 공장과도 같은 리보솜이 자리잡고 있습니다. 이러한 전송 작업은 리보 핵산(RNA)이라고 하는 매개체를 통해 이루어집니다. 세포질 속에 있는 리보솜은 RNA가 가져온 지시 사항을 “읽어서” 아미노산을 적절한 순서로 배열함으로 특정한 단백질을 생성시킵니다. 따라서 DNA와 RNA 그리고 단백질의 생성 사이에는 상호 의존 관계가 존재합니다.

생명은 어디에서 시작되었는가?

유전학과 분자 생물학에 대한 연구는 수십 년 동안 과학자들을 매료시켜 왔습니다. 물리학자인 폴 데이비스는 그 모든 일 배후에 창조주가 있을지도 모른다는 견해에 대해 회의적인 태도를 나타냅니다. 하지만 그는 이렇게 인정합니다. “각 분자가 전체 조직상의 지정된 위치에서 특정한 기능을 수행함으로 정확한 개체가 만들어진다. 많은 왕래가 이루어진다. 분자들은 세포를 가로질러 가서 정확한 시간에 정확한 장소에서 다른 분자들을 만나 맡은 일을 적절히 수행해야 한다. 이 모든 일이, 분자들에게 명령을 내리고 적절한 위치로 유도하는 우두머리가 없는 상태에서 일어난다. 분자들의 활동을 감독하는 체계가 전혀 없는 것이다. 분자들은 맹목적으로 돌아다니다가 서로 부딪쳐서 튕겨나가기도 하고 얼싸안기도 하는 등 분자가 해야 할 일을 하는 것뿐이다. ·⁠·⁠· 아무튼 이 지각 없는 원자들은 집단적으로 힘을 합해 놀라우리만큼 정확하게 생명의 춤을 춘다.”

세포의 내부 작용에 관해 연구해 온 많은 사람들이 세포가 생길 수 있었던 것은 분명히 지성의 힘이 작용했기 때문일 것이라고 결론 내린 데는 그만한 이유가 있는 것입니다. 그 이유가 무엇인지 살펴보도록 하겠습니다.

[각주]

[5면 네모와 도해]

세포의 내부 모습

각 세포의 내부에는 핵이 있는데, 핵은 세포의 지휘 본부이다. 핵 속에는 염색체가 들어 있는데, 염색체는 나선형으로 꼬여 촘촘하게 들어차 있는 DNA 분자와 단백질로 이루어져 있다. 유전자는 이 DNA 분자 위에 자리잡고 있다. 단백질을 생산하는 공장과도 같은 리보솜은 핵 밖에 있는 세포질 속에 자리잡고 있다.

[도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

세포

리보솜

세포질

핵

염색체

DNA—생명의 사다리

[7면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

DNA 복제 과정

간단해 보이도록, 나선형으로 꼬여 있는 DNA를 평평하게 보이게 하였다

1 세포 분열이 일어나 다음 세대의 세포가 생성되려면 DNA가 복제되어야(DNA의 사본이 만들어져야) 한다. 우선, 단백질이 DNA의 두 가닥을 분리하는 일을 돕는다

단백질

2 그 다음에는 엄격한 염기 짝짓기 법칙에 따라, 세포 속에 유리되어 있던 (사용할 수 있는) 염기들이 원래의 두 가닥에 있는 상응하는 염기와 결합한다

유리되어 있는 염기들

3 마지막으로, 두 개의 똑같은 암호문이 만들어진다. 따라서 세포가 분열될 때, 새로운 세포들은 각기 동일한 DNA 암호문을 갖게 된다

단백질

단백질

DNA 염기 짝짓기 법칙

A는 항상 T와 결합

A T 티민

T A 아데닌

C는 항상 G와 결합

C G 구아닌

G C 시토신

[8, 9면 도해]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

단백질 합성 과정

간단해 보이도록, 이 삽화에서는 단백질이 10개의 아미노산으로 이루어져 있는 것으로 묘사하였다. 단백질은 대부분 100개 이상의 아미노산으로 이루어져 있다

1 특수한 단백질이 지퍼를 열듯이 DNA 가닥을 분리시킨다

단백질

2 유리되어 있는 RNA 염기가 한쪽 가닥에 노출된 DNA 염기하고만 결합하여 전령 RNA 가닥을 형성한다

유리되어 있는 RNA 염기들

3 새로 만들어진 전령 RNA가 떨어져 나가 리보솜으로 이동한다

4 운반 RNA가 아미노산을 가지고 리보솜으로 간다

운반 RNA

리보솜

5 리보솜이 전령 RNA를 거쳐감에 따라, 아미노산 사슬이 연결된다

아미노산

6 단백질 사슬은 형성 과정에서, 제기능을 발휘하는 데 필요한 모양으로 접히기 시작한다. 그렇게 접히고 나면 리보솜이 단백질 사슬을 방출한다

운반 RNA의 양쪽 끝에는 중요한 역할을 하는 것이 달려 있다

하나는 전령 RNA 암호를 인식하는 역할을 한다

다른 하나는 정확한 아미노산을 운반한다

운반 RNA

RNA 염기는 T가 아니라 U를 사용하며, U는 A와 결합한다

A U 우라실

U A 아데닌