세균의 특성

세균의 특성

 

만일 지구에 존재하는 다양한 생물을 해부한다면, 기본적인 분기점은 명확하다. 대부분의 생물의 세포들은 핵, 미토콘드리아, 엽록체(광합성체일 경우), 그리고 대부분의 다른 구조를 갖고 있다. 이러한 세포들을 진핵세포(eukaryote)라 한다. 하지만 세균의 세포는 이러한 구조들을 갖고 있지 않기 때문에 이들을 원핵세포(prokaryote)라 일컫는다.

 

 

세균세포

원핵세포는 진핵세포와 여러 면에서 다르다. 그들은 오직 하나의 염색체를 가지며, 염색체에 히스톤 단백질이 결합되어 있지 않다. 또한 그들은 미세소관(microtubule)이 없으며, 따라서 중심립,방추체, 기저체(basal body)가 없다. 비록 몇몇 원핵세포들은 편모를 갖고 있어도 이들은 진핵세포의 편모(flagella)나 섬모(cilia)에서와 같이 미세소관으로 구성되어 있지 않다. 원핵세포의 리보솜은 구조면에서 진핵세포의 리보솜과 다르고, 원핵세포에서는 진핵세포에서 발견되지 않는 생화학적 특이성이 많이 있다. 원핵세포에서 증식으로 가장 일반적인 방법은 무성생식이다. 유전적인 재조합을 할 수 있는 종들도 진핵세포와는 전혀 다른 방법으로 증식한다. 공여체인 한 개체는 단순히 그 유전자의 일부를 수용체인 다른 개체에게 전이할 뿐 감수분열은 일어나지 않는다.

 

세균세포는 세포벽으로 둘러싸여 있다. 수생식물의 세포벽과 같이 그들의 세포벽은 저농도의 매질에 있을 때(연못과 같은) 세포가 터지지 않도록 하는 데 필요한 힘을 제공한다. 세포벽은 또한 비교적 일정한 형태를 유지할 수 있도록 충분히 단단하다. 막대형태의 세균을 간균(bacillus)이라 하고, 구형의 벽을 갖는 세균을 구균(coccus)이라 하며, 꼬여 있는 형태의 벽을 갖는 세균을 나선균(spirillum)이라고 한다. 세균의 벽은 펩티도글리칸(peptidoglycan)이라고 불리우는 복잡한 중합체로다. 이름에서 암시하듯이 그것은 아미노산과 당을 모두 갖고 있다. 당은 두 종류로 N-아세틸글루코자민(N-acetylglucosamine, NAG)이라고 불리우는 질소를 함유한 6탄당과 그와 유연성 구성되어 있다. 이름에서 암시하듯이 그것은 아미노산과당을 모두 갖고 있다. 당은 두 종류로 N-아세틸글루코자민(N-acetylglucosamine, NAG)이라고 불리우는 질소를 함유한 6탄당과 그와 유연성이 많은 N-아세틸뮤람산(N-acetylmuramic acid, NAM)이다. 이것은 NAG와 NAM이 서로 반복되며 선형 중합체(linear polymer)를 형성한다. 연결은 1번과 4번 탄소 사이이며, 그들은 섬유소(cellulose)에서 보이는 것과 같은 방향을 나타낸다. 이러한 연결은 리소솜의 공격을 받는다.

 

각각의 NAM에 붙어 있는 것은 4개의 아미노산을 갖고 있는 곁사슬이다. 이들은 이웃 사슬의 아미노산과 공유결합을 형성할 수 있다. NAM간의 교차 연결은 같은 면에 있는 이웃 사슬과 연결될 수 있고, 또한 위와 아래에 있는 것과도 연결될 수 있다. 이러한 정교하고도 공유결합적 연결은 세포벽에 커다란 힘을 제공한다. 그것은 또한(비록 무한하게 변할 수 있는 크기 이지만) 세균의 세포벽이 단일 분자라는 정의에 맞는 훌륭한 결론을 유도할 수 있다. 원형질막은 세포벽 바로 아래 위치해 있다. 그것은 그 안에 콜레스테롤이나 다른 스테로이드가 없는 것을 제외하고는 진핵세포의 것과 유사한 인지질 이중층으로 되어 있다.

많은 세균은 편모로 운동을 할 수 있다. 그들의 편모는 원형질막에 붙어 있고 세포벽을 뚫고 나와 있다. 세균 편모의 구조와 구성은 전적으로 진핵세포의 편모와 다르다. 미세소관으로 이루어진 튜불린의 “9 + 2"의 배열 대신에 플라젤린(flagellin)이라는 단백질로 구성된 단일 가닥이다.

몇몇 세균(예, E. coli)은 원형질막에 붙어 있으며 세포벽을 뚫고 뻗어 있는 또 다른 단백질 필라멘트가 있는데 이를 성모(性毛) 또는 필리(pili)라 한다. 대부분의 필리의 기능은 미상이다. 하지만 어떤 필리는 유성생식(접합)이 일어날 때 필요하다. 아직까지 확실하지 않은 어떤 방법으로 이들 필리는 공여체의 염색체 일부를 수용체에 주입시킬 수 있다. 원형질막의 일부는 세포질 안쪽으로 함몰하여 메소솜(mesosome)을 형성할 수 있다.

 

메소솜은 여러 가지의 기능을 수행하는 것 같다. 세균세포가 분열하려고 할 때 메소솜은 새로운 격막을 형성하는 데에 참여한다. 메소솜은 아마도(그것에 붙어 있는) 복제된 염색체의 순차적인 분열도 돕는다. 하지만 1mm 정도의 크기인 원형 이중가닥 DNA를 한 세균의 염색체는 세포내의 핵소체(nuclear body)안에 단단히 꼬여 있다. 많은 세균은 먹이 공급이 빈약할 때에 포자(spore)를 형성한다. 각각의 세포는 단지 단일 포자(따라서 세균 포자는 무성생식의 대행자가 아니다)를 형성한다. 새로 복제된 염색체, 몇몇 리소솜들, 그리고 다양한 효소들은 세포막과 펩티도글리칸의 이중층으로 둘러싸여 있다. 대부분의 물은 포자에서 제거되고 대사는 중단된다. 포자는 건조나 극한의 온도와 같은 혹독한 환경 조건에 잘 견딜 수 있다. 만일 조건이 개선되면, 포자는 대사가 활성화되고 영양세포(vegetative cell)로 발아한다. 토양 세균의 포자는 50년간 휴면 후에도 발아된 기록이 있다.

 

 

세균의 분류

세균의 분류는 매우 어렵다. 그것은 주로 형태와 포자 형성능력, 에너지 생산방법(혐기성 세균은 해당과정, 호기성 세균은 세포호흡), 그리고 그람염색반응에 기초한다. 그람염색은 1884년에 덴마크의 세균학자 Christian Gram에 의해 고안되었다. 세포는 먼저 크리스탈 바이올렛(crystal violet)이라고 불리우는 자주색 염색약으로 염색한다. 그 다음 알코올이나 아세톤으로 처리하면 그람음성(gram negative) 세포로부터는 크리스탈 바이올렛을 씻어 준다. 이 시점에서 그것을 관찰하려면 다른 색깔(예, safranin의 분홍색)로 대비염색(counterstain)을 하여야 한다. 알코올이나 아세톤으로 탈색되지 않는 세균은 그람양성(gram positive)이다. 처음에는 그람 염색이 분류에서 사용되는 가장 임의적인 기준으로 생각되었다. 하지만 최근 연구결과 그 염색법은 두 개의 근본적으로 서로 다른 세균의 세포벽을 구분할 수 있어서 세균간의 의미있는 자연적인 구별을 반영한다. 일반적으로 현재의 세균 분류법은 진화적인 근연관계를 나타내는 자연분류법이라고는 거의 생각하지 않는다. 앞으로 여러 그룹을 간략하게 소개하고자 한다.