방송통신대학교 - 재배식물생리학 요약 정리 - 3 식물세포의 구조와 기능

3 식물세포의 구조와 기능

<학습개요>
- 식물세포는 식물체를 구성하는 기본단위이고, 외피구조, 소기관, 골격구조, 세포기질로 이루어져 있다. 세포 내 소기관은 독특한 기능을 가지며 상호 협력하여 체내의 각종 생리작용을 조절한다. 이때 세포막은 세포소기관들의 특별한 화학적 환경을 조성하여 한 세포내에서 서로 다른 화학반응이 동시에 공존케 한다. 또한 식물체 내에 존재하는 수많은 식물세포는 하나하나가 독립적으로 존재하지 않고, 조직적으로 모여 서로 연락하고 상호작용을 한다. 식물세포의 증식은 분열조직에서의 세포분열로 이루어지는데 수층분열과 병층분열에 의해 두 방향으로 이루어진다.
<주요용어정리>

1. 기질(基質, substrate) : 세포막은 원형질막과 세포 내 소기관의 막을 말하는데, 그 구조는 인지질이중층에 단백질이 표면 또는 내부에 들어 있는 구조를 하고 있다. 막구조 단백질은 탄소화물이 결합되어 있기도 하며 인지질이중층에서 자유롭게 이동하며 움직이기 때문에 이와 같이 불려진다.
2. 전원형질/심플라스트(symplast) : 세포 중에서 액포를 제외한 세포질을 의미하는 것. 심플라스트경로란 원형질연락사를 통하여 세포에서 세포로 이동하는 경로이다.
3. 전세포벽/아포플라스트(apoplast) : 식물조직 내의 세포간극, 물관, 헛물관과 같은 자유공간. 이러한 자유공간을 통한 수분의 이동경로를 아포플라스트경로라고 한다.
4. 유동모자이크 모델(fluid mosaic model) : 세포막은 원형질막과 세포 내 소기관의 막을 말하는데, 그 구조는 인지질이중층에 단백질이 표면 또는 내부에 들어 있는 구조를 하고 있다. 막구조 단백질은 탄소화물이 결합되어 있기도 하며 인지질이중층에서 자유롭게 이동하며 움직이기 때문에 이와 같이 불려진다.
5. 셀룰로우스(cellulose) : 식물의 세포벽을 구성하는 성분. 주성분이 단순다당류이며, 산에는 약한 특성을 띠고 물에는 녹지 않는 성질을 갖고 있다.
6. 헤미셀룰로오스(hemicellulose) : 식물 세포벽에 존재하는 탄수화물의 하나로 펙틴질을 뺀 성분. 셀룰로오스보다 화학 시약에 저항력이 약함. 크실란, 글루칸, 크실로글루칸, 글루코만난 등이 있다.
7. 펙틴(pectin) : 세포 사이의 결합물질로서 주로 세포벽의 중층을 형성하는 다당류이다.
8. 벽공(壁空, pit) : 식물의 조직에서 세포벽이 비후되는 과정에서 생긴 구멍모양의 구조. 주로 고등식물의 세포에서 볼 수 있다. 세포벽 내에 부분적으로 2차벽이 형성되지 않아 안쪽으로 패인 곳이다.
9. 체세포분열(體細胞分裂, mitosis) : 진핵생물의 체세포에서 복제된 각 염색체의 자매염색분체가 분리되어 2개의 딸세포를 만드는 세포분열.
10. 감수분열(減數分裂, meiosis) : 식물의 생식기관에서 일어나는 세포분열. 감수분열은 2회의 연속적인 핵분열에 의하여 진행된다. 감수분열을 거쳐 생겨나는 낭세포들은 모두 핵상이 반수체인 n상태이다. 염색체수는 모두 동일하지만 각 세포의 염색체 조성과 염색체에 있는 유전자 조성은 서로 다르다.
11. 캘러스(callus) : 세포가 무방향으로 분열하여 일정한 형태가 없는 세포 덩어리. 조직배양시 또는 상처를 입었을 때 이러한 캘러스가 형성된다.

<목차>
01. 세포의 구성요소
02. 세포의 외피구조
03. 세포 내 소기관
04. 골격구조와 기질
05. 세포분열과 증식
학습목표
1. 식물세포의 특징을 이해한다 .
2. 식물세포의 외피구조 특징을 이해한다 .
3. 세포 소기관의 각 기능을 이해한다 .
4. 세포 내 골격구조와 기질의 중요성을 이해한다 .
5. 분열조직에서 일어나는 세포분열 방식에 대해 이해한다.

1. 세포의 구성요소

1)식물세포의 구성요소
구분 구성 성분
외피구조 : 세포벽(1), 원형질막(1), 원형질연락사
복막구조 : 핵(1), 엽록체(20), 미토콘드리라(200)
단막구조 : 소포체(1), 골지장치(100), 액포(1), 퍼옥시솜(100)
골격구조 : 미세소관(~1,000), 미세섬유(~1,000)
세포기질 : 물, 당, 전분, 단백질, 지질, 핵산, 탄닌 등

*세포 내 소기관의 기능적 구분
에너지 생산 기관
• 엽록체, 미토콘드리아
*물질 합성 기관
• 핵, 소포체(리보솜), 골지장치
*물질 저장 및 분해 기관
• 액포, 퍼옥시솜, 올레오솜, 글리옥시솜
* 식물세포의 구성요소_내용물
원형질 – 세포막(원형질막)안의 내용물, 원형질체
세포질 – 원형질에서 핵을 제외한 나머지 부분
시토졸 – 세포질에서 소기관 사이에 분포하는 기질

2. 세포의 외피구조

세포벽
구성성분 : 원섬유 + 기질
• 원섬유 - 미세원섬유(섬유소꼬임) 다발
• 기질 - 헤미셀룰로오스, 펙틴, 확장소(expansin), 리그닌 등
원형질연락사와 벽공 발달
중엽층(펙틴 : 접착제)과 세포간극(펙틴의 분해)

* 세포벽의 기능
- 식물체 지지, 형태 유지, 보호
• 리그닌, 수베린, 큐틴 퇴적
- 세포 팽압에 대한 저항
• 벽압 작용
- 식물 운동 조절
• 팽압 변화, 기공 개폐
벽공과 원형질연락사를 통한 물질 투과와 정보 교환

* 원형질 연락사
-1차 세포벽을 가로질러 이웃에 있는 두 개의 세포 사이를 연결하는 작은 구멍
-공유된 원형질막으로 둘러싸임
-Desmotubule(연결소관)로 소포체와 연결
-전원형질(symplast) 경로 형성
• 세포 간 원형질체 연결

벽공과 원형질 연락사를 통한 물질투과와 정보교환

전원형질 수송

* 원형질막
성분 : 인지질 60~80%, 단백질 20~40%
구조 : 인지질 이중층 + 단백질

유동모자이크 모델을 따름

* 원형질막 (Plasma membrane)
성분 : 인지질 60~80%, 단백질 20~40%
구조 : 인지질 이중층 + 단백질
• 유동모자이크 모델 (fluid mosaic model)
: 세포막은 인지질이중층에 단백질이 표면 또는 내부에 들어 있는 구조를 하고 있고,
막구조 단백질은 탄소화물이 결합되어 있기도 하며 인지질이중층에서 자유롭게 이동가능.

유동모자이크모델 &rarr; 세포막 유연성 및 신호인식 및 반응 효율제고

* 원형질막의 기능
세포 속 모든 물질을 외부로부터 화학적으로 구획화 시킴
• 세포 안팎으로 분자의 출입을 조절하는 기능 수행
• 용매(물 등)는 일부 통과시키나 특정 용질(하전된 이온 등)은 통과시키지 않음
• 수송 단백질의 선택적 투과 (수송단백질) 화학 물질 인식 및 수용
• 화학적 신호 전달 ((예) 호르몬인식 및 수용)
세포벽 성분의 합성과 세포벽 형성
세포소기관들의 특별한 화학적 환경을 조성
세포막은 세포소기관들의 특별한 화학적 환경을 조성 → 서로 다른 화학반응이 동시에
공존 → 다양한 기능을 수행

3. 세포내 소기관

세포 내 소기관의 원형질막 구조
복막구조체
• 두 겹의 단위막, 서로 이질적이며 연속성이 없음
• 핵, 엽록체, 미토콘드리아 ----DNA 함유
단막구조체
• 한 겹의 막, 원형질막보다 조금 얇음
• 소포체, 골지장치, 퍼옥시솜, 올레오솜, 글리옥시솜, 액포
* 핵(nucleus)
- 형태 : 직경 10µ m 구, 두 겹의 핵막, 핵공 (물질이동 가능)
- 내용물
① 염색질(단백질 + DNA) → 염색체 (세포분열)
② 인(핵소체) : 리보솜의 단백질과 RNA를 소 단위체 별로 조립 핵공을 통해 시토졸로 이동하여 완전체로 조립
③ 핵질: RNA, 효소, 단백질, 물 등 핵기능에 필요한 기질 제공
- 기능 : 유전정보 보유, 전달 및 발현(전사), 리보솜 합성

* 엽록체(chlolroplast)
- 형태 : 볼록렌즈 또는 접시 모양, 이중막(당지질), 폭 1µ m, 지름 5~8µ m
- 구성 : 막포(그라나-틸라코이드), 기질(스트로마), 고리형 DNA(스트로마), 리보솜 (자체적으로 발현, 전사, 번역 가능)
- 기능 : 광합성, 질소와 황 동화작용, 전분립 일시 저장, 아미노산, 지방산, ABA 등 합성

* 미토콘드리아 (mitochondria)
형태 : 구형~원통형, 이중막, 크기(0.5~2.0µ m)
구성 : 이중막, 크리스타, 자체 DNA (메트릭스)
기능 : 호흡작용 - 에너지(ATP) 생산

소포체와 리보솜
- 소포체(endoplasmic reticulum, ER)
• 핵막과 연결된 소관의 세포 내외의 광범위한 네트워크 형성
• 조면소포체 - 단백질 합성, 리보솜분포
• 활면소포체 - 지질합성, 막조립 기능
• 단백질과 지질의 합성 및 전달 시스템
- 리보솜(ribosome)
• 단백질과 RNA로 구성 (막구조가 아님)
• 조면소포체의 표면에 있거나 세포질에 유리된 상태로 분포
• 단백질 합성
소포체는 세포 내 소기관과 세포간의 커뮤니케이션을 담당
합성된 단백질, 지질을 세포간, 세포막 및 각 세포소기관에 전달

* 골지장치 (Golgi)
세포 내 골지체 혹은 딕티오솜 (dictyosome) 의 집합체
기능 : 소포체에서 분비하는 물질 농축 저장 , 세포벽 물질 합성

* 올레오솜 ( oleosome )
지질 저장세포 소기관
인지질 반단위막
소포체에서 합성한 중성 지방 종자 저장
올레오신 / 칼레오신
: 유지체를 피복하는 특수 단백질

퍼옥시솜, 글리옥시솜
퍼옥시솜 (peroxisome)
• 단막 , 광호흡 관련
• 과산화수소 (H 2 O 2 의 생성과 분해
• 엽록체와 미토콘드리아 사이에 공간적으로 밀접하게 배열
글리옥시솜 glyoxysome
• 지방종자나 어린식물에 존재
• 올레오솜에서 유래한 지방산을 산화
• 미토콘드리아 및 유지체 사이에 공간적으로 밀접하게 배열
액포

액포막 tonoplast 으로 둘러싸임
성숙 세포의 체적 중 90% 이상 차지
기능
① 세포팽창 신장에 기여
② 여러 대사 산물의 저장 장소 (고분자 화합물의 분해와 세포 내 재사용)
③ 세포내 항상성에 기여
항상성 (恒常性 , constancy)
외부의 영향력에 직면하여 변화에 저항하는 능력

4. 골격구조와 기질

미세소관( microtubule)
구조
• 튜블린 단백질이 만든 가늘고 긴 원통형 직경 25nm)
기능
• 세포모양유지
• 세포소기관 의 공간적 배치
• 세포분열 시 염색체 이동 (방추사형성)
• 세포판 형성에 관여
• 원형질막 안쪽에 있는 미세관은 세포벽의 생장이나 세포를 일정한 모양으로 유지하는데 관여
미세소관의 기능
세포모양유지, 세포소기관의 공간적 배치 , 세포분열 시 염색체 이동 방추사형성 ),
세포판 형성에 관여 , 원형질막 안쪽에 있는 미세관은 세포벽의 생장방향이나 세포를
일정한 모양으로 유지하는데 관여

미세소관의 기능

미세섬유 ( microfilament)
- 구조
• 엑틴단량체의 중합 , 이중나선으로 꼬인 긴 섬유형태
- 기능
• 세포벽형성에 관여
• 화분관 신장 유도
• 원형질유동 (세포기질과 세포질 소기관의 통합된 움직임)
• 체관부 단백질은 미세섬유의 한 종류

세포기질
구조
• 세포질에서 세포 소기관 사이의 무구조의 가용성 물질 (시토졸)
기능
• 시토졸 내 용해된 각종 이온 , 저분자 , 고분자 삼투압 및 pH 완충능 조절
• 다양한 효소계는 해당작용 등 기초 대사 관여

5. 세포분열과 증식

세포분열
- 체세포분열 → 동일한 염색체와 유전적 조성 → 조직과 기관형성
- 감수분열 → 반수체 (생식세포)
- 분열의 축과 방향이 정확하고 일정하나, 그 극성과 방향을 결정하는 요인은 아직까지 정확하게 알려져 있지는 않음

체세포분열
분열장소
• 생장점 , 형성층
분열결과
• 조직과 기관 형성
분열질서 : 분열의 축과 방향
• 수층분열 기준면과 직교
• 병층분열 기준면과 평행










<확인문제>
1. 다음 중 식물세포에서만 볼 수 있는 것은? (03, 05년 기출문제)
① 소포체 ② 미토콘드리아 ③ 리보솜 ④ 원형질연락사
④, 세포벽, 세포간극, 원형질연락사, 엽록체, 액포는 식물세포에서만 볼 수 있다. (교과서 59쪽)

2. 식물의 세포벽 구성 성분 가운데 가장 큰 비중을 차지하는 것은? (03, 07년 기출문제)
① 셀룰로오스 ② 수베린 ③ 펙틴  ④ 리그닌
②, 식물의 세포벽은 원섬유와 기질로 구성된 복합체이다. 원섬유는 셀룰로오스(섬유소) 분자로 구성되며, 기질은 헤미셀룰로오스, 펙틴, 리그닌 등의 다당류와 세포벽 단백질, 지질, 무기염류 등으로 구성되어 있다. 세포벽 구성 성분 가운데 셀룰로오스가 가장 큰 비중을 차지하며, 목재를 형성하는 수목에는 리그닌 함량이 매우 높다. (교과서 60-61쪽)

3. 식물체에서 세포와 세포를 연결해주는 중층의 주성분은? (06년 기출문제)
① 셀룰로오스  ② 수베린 ③ 펙틴  ④ 리그닌
③, 세포와 세포 사이에는 펙틴이 주성분인 중엽층이 있다. 접착제 역할을 하여 두 세포를 결합시키는 역할을 한다. (교과서 62-63쪽)

4. 세포간의 물질 이동에 관여하는 것은? (00, 02년 기출문제)
① 세포벽 ② 골지체 ③ 원형질연락사 ④ 리보솜
③, 세포벽에 원형질연락사와 벽공이 발달하여 인접한 세포와의 연락을 담당한다. 원형질연락사는 1차세포벽을 가로질러 이웃해 있는 두 개의 세포 사이를 연결하는 작은 구멍이다. 골지체는 소포체에서 분비하는 물질을 가공하고 농축하여 저장하고, 리보솜에서 아미노산이 결합되어 단백질이 합성된다. (교과서 63-64쪽)

5. 세포막을 구성하는 중요한 2가지 구성 성분은? (02년 기출문제)
① 셀룰로오스와 리그닌   ② 인지질과 단백질
③ 큐틴과 수베린   ④ 펙틴질과 황지질
②, 식물의 세포막은 세포내 막구조물의 모든 막을 말한다. 이들은 반투성막으로 선택적 투과성을 가지는데, 그것은 막의 구성 성분과 그들의 독특한 구조 때문이다. 특히 세포막은 인지질 2중층에 단백질이 군데군데 박혀 있는 구조를 하고 있다. (교과서 65쪽)

6. 유동모자이크모델로 설명할 수 있는 것은? (03, 07년 기출문제)
① 세포벽의 구조   ② 원형질연락사의 구조
③ 원형질막의 구조   ④ 세포안의 골격구조
①, 세포막의 구조를 보면 지질이중층은 기름성분으로 움직이는 액체의 성질을 띠고 단백질 분자들이 띄엄띄엄 모자이크 모양으로 떠 있는 형태로 인지질의 바다에 떠다니는 단백질 빙산의 모습을 연상하여 유동모자이크모델이라고 한다. (교과서 65쪽)

7. 두겹의 단위막을 갖고 있는 세포 내 소기관은? (00, 01년 기출문제)
① 액포   ② 골지체 ③ 소포체   ④ 엽록체
④, 세포 안에는 여러 가지의 소기관이 있으며 그들은 한 겹 또는 두 겹의 막으로 싸여 있다. 서로 다른 두 겹의 단위막으로 싸여 있는 복막구조체로 핵, 엽록체, 미토콘드리아가 있으며, 모두가 DNA를 갖고 있다. (교과서 66-70쪽)

8. 엽록체 막을 구성하는 두 가지 성분은? (04, 05년 기출문제)
① 셀룰로오스와 펙틴 ② 리그닌과 수베린 ③ 큐틴과 엽록소 ④ 인지질과 단백질
④, 5번 해설 참조, 엽록체의 막도 세포막의 일종인데 인지질 대신 당지질로 구성되어 있다. (교과서 65, 68쪽)

9. 엽록체의 특징을 잘못 설명한 것은? (07년 기출문제)
① 두 겹의 막으로 싸여 있다.  ② 독자적인 DNA를 갖고 있다.
③ 외막에 엽록소가 분포되어 있다.  ④ 전분을 일시적으로 저장한다.
③, 엽록체는 두 겹의 막으로 싸여 있으며 내막에서 막포가 분화하며 막포의 구성단위가 틸라코이드이고 그라나를 형성한다. 이 틸라코이드 막에 광합성의 명반응에 관여하는 색소(엽록소, 카로티노이드)와 단백질이 박혀 있다. 기질에는 암반응에 필요한 각종 효소가 들어 있고, 또한 독자적인 DNA를 갖고 있어 자체 증식이 가능하다. 광합성뿐만 아니라 질소, 황 등의 동화작용이 일어나며, 아미노산, 지방산, ABA, 포르피린 등을 합성하고, 전분립을 일시적으로 저장하기도 한다. (교과서 68-69쪽)

10. 엽록체에서 엽록소가 들어있는 곳은? (00, 01, 04, 05년 기출문제)
① 외막의 표면 ② 내막의 표면 ③ 내외막의 사이 ④ 틸라코이드
③, 9번 해설 참조

11. 엽록체에서 암반응이 일어나는 곳은? (03, 06년 기출문제)
① 그라나(grana) ② 기질(stroma) ③ 라멜라(lamella) ④ 틸라코이드(thylakoid)
②, 9번 해설 참조, 명반응은 틸라코이드 막에서 일어나고 이산화탄소가 고정되는 암반응은 기질(stroma)에서 일어난다. (교과서 68-69쪽)

12. 엽록체에서 일어나는 대사작용이 아닌 것은? (01년 기출문제)
① 질소의 동화 ② 유황의 동화 ③ 광합성 작용  ④ 해당작용
④, 9번 해설 참조, 호흡작용은 미토콘드리아에서 일어나며 호흡작용의 첫단계인 해당작용은 시토졸에서 일어난다. (교과서 69쪽)

13. 다음 중에서 자체 DNA를 함유하고 있는 기관은? (00, 01년 기출문제)
① 리보솜 ② 퍼록시솜 ③ 미토콘드리아 ④ 세포막
③, 7번 해설 참조

14. 세포의 소기관 중 단막구조체에 해당하는 것은? (02년 기출문제)
① 액포 ② 엽록체 ③ 핵 ④ 미토콘드리아
①, 세포의 소기관은 단막구조체와 복막구조체로 구분할 수 있다. 그 가운데 핵, 엽록체, 미토콘드리아는 두 겹의 막으로 감싸여 있는 복막구조체이고, 나머지는 단막구조체이다. 액포는 대표적인 단막구조체이다. (교과서 73쪽)

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