세포 구조와 기능

핵심 개념 4 — 시스템 상호작용(SYI): 생물학적 시스템은 상호작용하며, 이러한 시스템과 그들의 상호작용은 복잡한 속성을 나타낸다.

학습 목표 2.1.A: 세포 소기관 및 세포 구성 요소의 구조와 기능이 세포의 기능에 어떻게 기여하는지 설명하시오.

• 2.1.A.1 리보솜은 리보솜 RNA(rRNA)와 단백질로 구성되어 있습니다. 이 막이 없는 세포 소기관은 모든 생명의 세포에서 발견되며, 알려진 모든 생명체의 공통 조상을 반영합니다. 리보솜은 메신저 RNA(mRNA) 서열에 따라 단백질을 합성합니다.
• 2.1.A.2 내막계(endomembrane system)는 막으로 둘러싸인 소기관 및 세포 구성 요소(내질망(ER), 골지체, 리소좀, 액포, 운송 소포, 핵막, 세포막 등)의 그룹으로 구성되어 있으며, 이들은 상호작용하여 다당류, 지질, 단백질을 세포 간에 수정, 포장 및 수송합니다.
• 2.1.A.3 내질망은 세포가 형태를 유지하도록 도와주어 기계적 지지를 제공하며, 세포 내 수송에도 관여합니다.
  • i. 거친 내질망(rough ER)은 막에 결합된 리보솜과 관련이 있으며, 세포의 구획화를 가능하게 하고 단백질 합성을 수행하는 데 도움을 줍니다.
  • ii. 매끄러운 내질망(smooth ER)의 기능에는 세포의 해독 및 지질 합성이 포함됩니다.
  • 배제 문장: 특화된 세포에서의 매끄러운 내질망의 구체적인 기능에 대한 지식은 AP 시험 범위를 벗납니다.
• 2.1.A.4 골지체는 평평한 막 주머니가 연속된 막으로 둘러싸인 구조입니다. 골지체의 기능에는 다음이 포함됩니다:
  • i. newly synthesized cellular products의 올바른 접힘 및 화학적 수정
  • ii. 수송을 위한 단백질의 포장
  • 배제 문장: 특정 인산지질의 합성 및 리소좀, 과산화효소체, 분비 소포를 위한 특정 효소의 포장에 있어 골지체의 역할에 대한 지식은 AP 시험 범위를 벗납니다.
  • *2.1.A.4를 위한 예시:
    • 골지체 내에서 일어나며 단백질의 기능 또는 타겟팅을 결정하는 단백질의 당화(glycosylation) 및 기타 화학적 수정
• 2.1.A.5 미토콘드리아는 유산소 세포 호흡에 관여하는 다른 대사 반응들을 위한 구획을 제공하는 이중 막을 가지고 있습니다. 외막은 매끄럽지만, 내막은 매우 구부러져 있어 ATP가 더 효율적으로 합성될 수 있도록 하는 주름(folds)을 형성합니다.
• 2.1.A.6 리소좀은 소화 효소를 함유하고 있는 물질이 분해되는 막으로 둘러싸인 주머니입니다. 리소좀 또한 프로그래밍된 세포 사멸(apoptosis)에도 관여합니다.
• 2.1.A.7 액포는 막으로 둘러싸인 주머니로서 다양한 역할을 수행합니다.
  • i. 식물 세포에서, 특수화된 큰 액포는 영양분 및 물 저장을 통해 팽압(turgor pressure)을 유지합니다.
  • ii. 동물 세포에서, 액포는 크기가 작고 식물 세포보다 더 풍부하며, 세포 물질을 저장합니다.
• 2.1.A.8 엽록체는 식물 및 광합성 조류에서 발견되는 특수화된 소기관입니다. 엽록체는 이중 막을 포함하며 광합성이 일어나는 장소로 기능합니다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.2.A: 표면적 대 부피 비가 세포 또는 생물과 환경 간의 물질 교환에 미치는 영향을 설명하시오.

• 2.2.A.1 표면적 대 부피 비는 생물학적 시스템이 필수적인 영양분을 얻고, 노폐물을 배설하며, 열 에너지를 획득하거나 방출하며, 그 밖의 방법으로 환경과의 화학 물질 및 에너지交换에 영향을 미칩니다.
  • *관련 공식:
    • 구의 부피: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • 정육면체의 부피: $V = s^3$
    • 직사각형 부피体的 부피: $V = lwh$
    • 원통의 부피: $V = \pi r^2 h$
    • 구의 표면적: $SA = 4\pi r^2$
    • 정육면체의 표면적: $SA = 6s^2$
    • 직사각형 부피体的 표면적: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • 원기둥의 표면적: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = 반지름
    • $l$ = 길이
    • $h$ = 높이
    • $w$ = 너비
    • $s$ = 정육면체 한 변의 길이
  • *2.2.A.1을 위한 예시:
    • SA/V 비 및交换
      • 근모(root hairs)
      • 기공 세포(guard cells)
      • 장 상피细胞(gut epithelial cells)
    • 편모(cilia)
    • 기공(stomata)
• 2.2.A.2 세포막의 표면적이 충분히 커서 물질 exchange가 이루어져야 합니다.
  • i. 표면적 대 부피 비는 세포의 크기와 형태를 제한할 수 있습니다. 작은 세포는 일반적으로 큰 세포보다 높은 표면적 대 부피 비를 가지며, 환경과의 물질 exchange가 더 효율적입니다.
  • ii. 세포의 부피가 증가하면 표면적 대 부피 비는 감소하고 내부 자원에 대한 수요는 증가합니다.
  • iii. 환경과의 충분한物质交换을 위해서는 더 복잡한 세포 구조(예: 막 주름)가 필요합니다.
  • iv. 생물체의 크기가 커질수록 표면적 대 부피 비율이 감소하여 환경과의 열교환 속도 같은 성질에 영향을 미친다. 작은 질량은 큰 질량보다 주변 환경과 비례적으로 더 많은 열을 교환한다. 질량이 증가할수록 표면적 대 부피 비율과 열교환 속도 모두 감소한다.
  • v. 단위 체중당 대사율과 다세포 생물체의 크기 사이에는 관계가 있으며; 일반적으로 생물체가 작을수록 단위 체중당 대사율이 높다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.3.A: 세포막의 각 구성 요소가 세포 내부 환경을 유지하는 데 담당하는 역할을 설명하시오.

• 2.3.A.1 인산지질은 친수성 영역과 소수성 영역을 모두 가진다. 인산지질의 극성 친수성 인산 영역은 수성 외부 또는 내부 환경으로 향하고, 비극성 소수성 지방산 영역은 막 내부에서 서로 마주 보고 있다.
• 2.3.A.2 삽입 단백질은 친수성(전하를 띤 극성 측쇄를 가짐), 소수성(비극성 측쇄를 가짐), 또는 두 가지 특성을 모두 가질 수 있다.
  • i. 단백질의 친수성 영역은 단백질 내부에 있거나 세포질(시토플라스마)에 노출되어 있다.
  • ii. 단백질의 소수성 영역은 막 내부의 지방산과 상호작용하는 단백질 표면을 형성한다.

학습 목표 2.3.B: 세포막의 유동 모자이크 모델을 설명하시오.

• 2.3.B.1 세포막은 인산지질 분자로 구성된 구조적 골격과 그 속에 삽입된 단백질, 스테로이드(예: 척추동물의 콜레스테롤), 당단백질, 당지질로 이루어져 있다. 이 모든 성분은 유동 모자이크 모델에서와 같이 막 내에서 세포 표면 주위를 이동할 수 있다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.4.A: 생물학적인 막의 구조가 선택적 투과성에 미치는 영향을 설명하시오.

• 2.4.A.1 세포막은 세포의 내부 환경과 외부 환경을 분리한다. 선택적 투과성은 세포막이 소수성 내부를 가지고 있기 때문에 발생한다.
• 2.4.A.2 소수성 분자인 $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$, $\mathrm{CO_2}$를 포함한 작은 비극성 분자는 막을 자유롭게 통과한다. 친수성 물질(큰 극성 분자 및 이온 등)은 막에 삽입된 채널 및 운반 단백질을 통해 이동한다.
• 2.4.A.3 인산지질의 비극성 탄화수소 꼬리는 이온과 극성 분자의 막 통과를 방지한다. 작은 극성 전하 없는 분자, 예를 들어 $\mathrm{H_2O}$ 또는 $\mathrm{NH_3}$(암모니아)은 막을 소량 통과할 수 있다.

학습 목표 2.4.B: 세포벽이 세포 구조와 기능 유지에 담당하는 역할을 설명하시오.

• 2.4.B.1 세균, 고생물, 진균, 식물의 세포벽은 구조적 경계뿐만 아니라 특정 물질에 대한 투과성 장벽을 제공하며, 내부 또는 외부 세포 환경에 대해 삼투 용해로부터 보호한다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.5.A: 생물이 용질 및 수분 균형을 유지하기 위해 사용하는 기전을 설명하시오.

• 2.5.A.1 막의 선택적 투과성은 막 전체에 걸쳐 용질의 농도 기울기를 형성할 수 있게 한다.
• 2.5.A.2 능동 수송이 아닌 수동 수송은 대사 에너지의 직접적인 투입 없이 높은 농도 영역에서 낮은 농도 영역으로 분자가 순이동하는 것이다.
• 2.5.A.3 능동 수송은 분자를 이동시키기 위해 에너지가 직접적으로 투입되어야 한다. 어떤 경우에는 능동 수송을 사용하여 낮은 농도 영역에서 높은 농도 영역으로 분자를 이동시키기도 한다.

학습 목표 2.5.B: 생물이 대형 분자를 세포막을 가로질러 수송하기 위해 사용하는 기전을 설명하시오.

• 2.5.B.1 내포 작용 및 외배 작용은 세포 안으로나 밖으로 대형 물질을 수송하거나 대량의 물질을 수송하기 위해 에너지를 필요로 한다.
  • i. 내포 작용에서는 세포가 세포막을 자체 안쪽으로 접어 새로운 (작은) 소포를 형성함으로써 외부 환경으로부터 재료를 흡수하고大型 분자 및 입자 물질을 uptake한다.
  • ii. 외배 작용에서는 내부 소포가 세포막과 융합하여 세포로부터大型 분자를 분비하고 배출한다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.6.A: 분자의 구조가 세포막 통과 능력에 미치는 영향을 설명하시오.

• 2.6.A.1 촉진 확산은 전하를 띤 이온이 막을 통과할 수 있도록 운반 단백질이나 채널 단백질이 필요하다.
  • i. 막은 이온이 막을 가로질러 이동함에 따라 극성이 될 수 있다.
  • ii. 전하를 띤 이온, 즉 $\mathrm{Na^+}$(나트륨)과 $\mathrm{K^+}$(칼륨)은 막을 통과하기 위해 채널 단백질이 필요하다.
• 2.6.A.2 촉진 확산은 에너지 투입 없이 큰 극성 분자가 막을 통과할 수 있게 한다. 이러한 유형의 확산에서 물질은 농도 기울기 방향으로 이동한다.
• 2.6.A.3 아쿠아포린은 대량의 물을 막을 가로질러 수송한다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.7.A: 농도 기울기가 막을 통한 분자 이동에 미치는 영향을 설명하시오.

• 2.7.A.1 외부 환경은 세포의 내부 환경에 대해 등渗, 저渗, 또는 고渗일 수 있다. 물의 이동은 저渗 영역에서 고渗 영역으로 이동한다고도 묘사할 수 있다. 물은 삼투 현상에 의해 높은 물ポテンシャル 영역에서 낮은 물ポテンシャル 영역으로 이동한다.
  • 식(물ポテンシャル): $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • 여기서:
    • $\psi_p$ = 압력ポテン셜
    • $\psi_s$ = 용질ポテン셜
  • 예시: 2.7.A.1:
    • 원생생물의 수축포포
    • 식물 세포의 중심포포

학습 목표 2.7.B: 삼투조절 기제가 생명의 건강과 생존에 기여하는 방법을 설명하시오.

• 2.7.B.1 성장과 호메오스타시는 막을 통한 분자의 지속적인 이동에 의해 유지된다.
• 2.7.B.2 삼투조절은 물의 균형을 유지하고 생물이 내부 용질 구성 및 물ポテン셜을 조절할 수 있게 한다. 물은 저삼투압 또는 저용질 농도 영역에서 고삼투압 또는 고용질 농도 영역으로 이동한다.
  • 식(용액의 용질ポテン셜): $\psi_s = -iCRT$
    • 여기서:
    • $i$ = 이온화 상수
    • $C$ = 몰농도
    • $R$ = 압력 상수 $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = 켈빈 온도 (°C + 273)

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.8.A: 이온 및 기타 분자가 막을 이동할 수 있게 하는 과정을 서술하시오.

• 2.8.A.1 막을 통한 능동 운송 및 전기화학적 기울기의 형성과 유지를 위해서는 ATP와 같은 대사 에너지가 필요하다.
  • i. 능동 운송에는 막 단백질이 필수적이다.
  • ii. $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ 펌프와 ATP아제는 막 전위 유지에 기여한다.

핵심 개념 2 — 에너지代谢(ENE): 생물학적 시스템은 성장, 번식 및 동적 호모스타시스 유지를 위해 에너지와 분자 구성 요소를 사용합니다.

학습 목표 2.9.A: 진핵세포의 막 결합 구조를 서술하시오.

• 2.9.A.1 진핵세포의 막 및 막결합 소기관은 세포 내 대사 과정과 특정 효소 반응을 구획화한다.

학습 목표 2.9.B: 내부 막과 막결합 소기관이 진핵세포 기능의 구획화에 기여하는 방법을 설명하시오.

• 2.9.B.1 내부 막은 경쟁적 상호작용을 최소화하고 반응이 일어나는 표면적을 증가시켜 세포 과정을 촉진한다.

핵심 개념 1 — 진화(EVO): 진화 과정은 생명의 다양성과 통일성을 이끕니다.

학습 목표 2.10.A: 원핵세포와 진핵세포 사이의 구획화의 유사점 및/또는 차이점을 서술하시오.

• 2.10.A.1 미토콘드리아 및 엽록체와 같은 막으로 둘러싸인 소기관들은 내공생(endosymbiosis)을 통해 자유 생활을 하던かつて의 원핵세포로부터 진화했습니다.
• 2.10.A.2 원핵생물은 일반적으로 내부 막으로 둘러싸인 소기관이 없으나, 특수한 구조와 기능을 가진 내부 영역을 가집니다.
• 2.10.A.3 진핵세포는 세포를 특수화된 영역으로 분리하는 내부 막을 유지합니다.