세포는 왜 작을까?

출처: Hacker News

인간 몸은 미생물을 제외하고 약 30조 개의 세포로 이루어져 있으며, 각각은 하나의 수정란에서 시작됩니다. 이 세포들은 다양한 형태와 크기를 가지고 있으며, 내부 부피는 다섯 자릿수에 달합니다. 가장 작은 인간 세포인 정자는 부피가 30 µm³에 불과한 반면, 난자는 4,000,000 µm³에 달해 인간 몸에서 가장 큰 세포가 됩니다.1

그렇게 큰 차이가 나는 이유는 무엇일까요? 가장 단순한 답은 진화가 각 세포를 그 기능에 가장 적합한 크기로 만들었다는 것입니다. 정자는 몸에서 많은 수를 만들어야 하기 때문에 작고, 작은 세포를 만들 때 에너지 소모도 적습니다. (정자는 DNA와 몇 개의 미토콘드리아 정도만 가지고 있는데, 이는 꼬리를 회전시키는 데 필요한 에너지를 공급합니다.) 반면 난자는 초기 배아 성장을 지원하기 위해 방대한 양의 미토콘드리아와 영양분을 저장해야 합니다. 요컨대, 모든 세포는 필요에 따라 크고 작으며, 이는 합리적인 범위 안에서 이루어집니다.

하지만 물리학으로부터 훨씬 더 만족스러운 답을 도출할 수 있습니다.

첫 번째 주요 제한: 표면적 대비 부피 비율

세포를 대략 구형이라고 가정하면, 내부 부피는 반지름의 세제곱에 비례해 증가하고, 표면적은 반지름의 제곱에 비례해 증가합니다. 즉, 세포 부피는 표면적보다 훨씬 빠르게 커집니다.

이 비율은 세포 생존에 큰 영향을 미칩니다. 세포막은 영양분을 세포 안으로 끌어들이고 노폐물을 배출합니다. 또한 대장균 같은 원핵세포에서 에너지가 생성되는 곳이기도 합니다. 내부 부피가 막에 비해 지나치게 커지면, 세포는 충분한 에너지를 생산하거나 노폐물을 충분히 배출하지 못해 내부 물질을 유지할 수 없게 되고, 대사 속도가 느려집니다.

두 번째 제한: 확산

확산은 고농도 영역에서 저농도 영역으로 분자들이 이동하려는 경향을 말합니다. 이는 효소가 기질을 찾는 속도, 신호 분자가 수용체에 도달하는 속도, 리보솜이 mRNA와 충돌하는 빈도 등을 결정합니다. 세포 안에서는 거의 모든 일이 분자 간의 우연한 충돌에 의해 일어나기 때문입니다. 세포 부피가 커질수록(분자 총수가 일정하다고 가정하면) 이러한 충돌이 일어날 확률은 감소합니다.

분자의 확산 속도는 여러 요인에 따라 달라집니다. 예를 들어 세포질은 매우 복잡하게 채워져 있어 분자들이 장애물에 부딪히며 이동이 지연됩니다. 세포 안의 모든 단백질은 평균적으로 초당 100억 개의 물 분자와 충돌합니다. 박테리아 내 대부분의 단백질은 확산 계수가 5~10 µm²/s에 불과합니다(분자가 공간을 퍼지는 속도의 척도). 일부 분자는 응집하거나 전하를 띤 표면에 달라붙어 움직임이 더욱 느려집니다.2 일반적으로 큰 분자는 작은 분자보다 확산이 느립니다.

E. coli의 대사물질은 세포 한쪽에서 다른 쪽으로 밀리초 안에 확산할 수 있어 충돌—즉, 세포 내 결과—가 빠르게 일어납니다. 일반적인 단백질은 0.01 초 만에 박테리아 직경(≈1 µm)만큼 이동하지만, 같은 단백질이 1 mm를 이동하는 데는 약 4분, 1 cm를 이동하는 데는 6시간 이상이 걸립니다. 이것이 세포가 작아야 하는 이유 중 하나입니다.

형태와 크기에 대한 추론

이러한 제약을 고려하면, 왜 다양한 세포가 특정한 형태를 갖는지 추측해볼 수 있습니다.

• 적혈구는 작고 이중오목 원반 형태를 띠어 확산을 돕습니다. 구형 대신 ‘도넛’에 가까운 형태로 진화함으로써 부피를 크게 줄이지 않으면서 표면적을 늘렸습니다. 이는 산소 교환 효율을 높이고, 8 µm 정도의 작은 크기로 좁은 모세혈관을 통과하기 쉽게 합니다.

• 난자는 직경이 약 100 µm에 달할 정도로 크게 성장할 수 있는데, 이는 다른 인간 세포에 비해 대사 활동이 적고, 무작위 충돌에 크게 의존하지 않기 때문입니다. 난자는 난자 형성 과정에서 영양분을 비축해 수정 시점까지 기다립니다. 진핵세포가 일반적으로 크게 성장하는 또 다른 이유는 구획화(compartmentalization) 덕분입니다. 세포소기관이라는 별도 구역으로 기능을 모듈화함으로써 필요한 분자들을 서로 가깝게 배치해 효율을 높일 수 있습니다.

세포 크기는 고정된 것이 아니라 같은 종 안에서도 변합니다. 세포는 단백질과 대사물질 생산량이 늘어나면서 분열 준비를 위해 부풀어 오르기도 합니다. 이는 “모든 규칙에는 예외가 있다”는 생물학의 유일한 규칙을 보여줍니다.

사례: 거대 박테리아 Thiomargarita magnifica

Thiomargarita magnifica는 길이가 약 1 cm에 달하는 거대한 박테리아로, 육안으로도 관찰할 수 있습니다. 이 박테리아는 표면적 대비 부피 규칙을 깨고, 내부 부피의 65~80 %를 빈 액포(vacuole)로 채워서 대부분의 분자를 세포 주변부에 몰아넣어 확산 거리를 크게 단축합니다.3

Thiomargarita magnifica는 길이가 약 1 cm에 달하는 박테리아 종으로, E. coli보다 수십 배 큰 미생물입니다. 이 미생물은 육안으로 볼 수 있습니다. 사진 제공: Jean‑Marie Volland

버블 알gae(또는 Valonia ventricosa). 사진 제공: Trident’s Cove

다양한 형태에도 불구하고, 이러한 구조는 여전히 분자 간 충돌에 의존하며, 물리법칙이라는 변하지 않는 법칙에 의해 좌우됩니다. 혹은 D’Arcy Wentworth Thompson이 1917년 저서 On Growth and Form에서 말했듯이, “물체의 형태는 ‘힘의 도표’이다.” 세포는 내부·외부 힘을 모두 증언하며, 확산에 의해 제한되고 부피와 표면적 사이의 미묘한 균형에 의해 형태가 결정됩니다.