[세포생물학] 원핵세포, 진핵세포, 최초의 세포, 고분자 합성

세포는 핵의 유무에 따라 두 종류로 나눌 수 있다. 진핵세포 (Eukaryotic cell)는 유전물질과 세포질을 서로 나누어지도록 한 핵막이 존재하는 반면 원핵세포 (Prokaryotic cell)는 핵막이 없다.

 

 

 

원핵세포와 진핵세포, [출처] thoughtco (Prokaryotes and Eukatyotes)

 

세포의 기원과 진화

앞서 살펴본 것처럼 원핵세포와 진핵세포는 핵막의 유무로 크게 나뉜다. 더 세부적으로 살펴보자. 일반적으로 원핵세포는 진핵세포 보다 작고 단순하다. 핵이 없고, 소유하고 있는 유전정보가 비교적 단순하다. 마지막으로, 세포소기관 및 세포골격을 확인할 수 없다. 잠시 살펴보았는데도 원핵세포와 진핵세포는 큰 차이가 있다. 이렇게 큰 차이점이 있음에도 불구하고, 현재의 세포들은 모두 동일한 조상에서 유래되었다고 보고 있다. 이 두 세포가 분자적으로 동일한 원리에 의해 생명현상을 보이기  때문이다. 어떻게 최초의 세포가 생겨났을까. 그리고 어떻게 현재 세포들이 보여주고 있는 것 같은 복잡성과 다양성을 진화시킬 수 있었을까?

 

최초의 세포

지구가 만들어지고 7 억 5 천만년 후, 최초의 세포가 나타난 것으로 추정된다. 최초의 생명체가 어떻게 유래되었는지 재현할 수 없기 때문에 학술적으로 아직도 논란의 대상이나 생명의 탄생과정에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 1920 년대에 진행된 실험에서 단순한 구조의 유기분자는 고분자로 합성될 수 있다는 가설이 제시된다. 이는 원시대기 상태에서 자발적으로 이루어지는 것으로 생명의 탄생 과정을 풀 수 있는 실마리를 보여주고 있다. 최초의 생명이 탄생한 지구의 대기 속에는 산소가 거의 없고, CO2, N2와 같은 가스들로 가득 차 있었으며, H2, H2S, CO가 소량으로 존재하였다. 이러한 가스들은 환원반응이 유리하게 일어나는 조건을 만들었다. 태양이나 번개에서 발생하는 빛 에너지에 의해 자연적으로 유기분자가 생성될 수 있게 했다. 1950 년대에는 Stanley Miller라는 과학자가 환원적 원시대기로부터 유기분자가 생성될 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다.  H2, CH4, NH3 혼합액에 전기 방전을 가하면 여러 종류의 아미노산 등 유기분자가 자발적으로 형성되는 현상을 발견한 것이다. 생명체가 탄생하기 위해서는 유기분자가 반드시 필요하다. Miller의 실험이 원시대기 조건을 정확하게 재현하였다고는 할 수 없다. 그러나 Miller의 실험은 최초의 생명체가 탄생할 수 있도록 생명체의 기본 물질인 유기분자가 원시대기에서 자발적으로 합성될 수 있음을 증명하여 큰 의미를 가진다.

 

고분자 합성, 진화의 단계

진화의 다음 단계는 고분자 합성이다. 생명체 탄생 이전, 원시 지구의 조건에서 단량체 (monomer)가 중합반응에 의해 고분자로 합성될 수 있다는 것은 알려져 있었다. 예를 들면, 아미노산 혼합물을 가열하면 중합반응으로 폴리펩티드가 합성된다. 하지만 생명체가 만들어지고 유지되기 위해서는 이 고분자가 다른 고분자를 만드는 자기 복제가 일어나야만 했다. 오직 그 자신을 새롭게 복제 또는 합성할 수 있는 고분자만이 생존할 수 있었을 것이며 나아가 진화할 수 있었을 것이다. 현존하는 세포의 정보 고분자에는 핵산과 단백질이 있다. 이 가운데 오직 핵산만이 자기 복제를 할 수 있다. 핵산은 서로 상보적인 서열을 인식해서 쌍을 이룰 수 있고, 자신을 합성하기 위해 자신을 상보적인 주형으로 사용할 수 있다. 1980년대 초반, Sid Altman과 Tom Cech는 RNA 분자가 뉴클레오타이드 중합반응을 포함한 화학반응을 촉매 하는 효소로 작용할 수 있음을 증명하였다. 이는 분자적 진화과정을 이해하는 데 있어 굉장히 중요한 업적이라고 할 수 있다. 결론적으로, 진화 초기과정에서 RNA가 최초의 유전 체계였으며, 초기의 화학적 진화에서는 스스로 복제하는 RNA 분자가 기본을 이루고 있었다고 받아들여지고 있다.