세포 주기
세포 주기는 세포가 유전체를 복제하고, 다른 구성 요소를 만들고, 두 딸세포로 나뉘는 사건들의 순서예요. DNA 복제는 한 단계에서만 일어나지만 세포의 생장은 계속돼요. 배양한 사람 세포는 약 24시간에 한 번 분열하고, 효모는 약 90분이 걸려요.
크게 두 단계
- 간기(전체 시간의 약 95%) – 세포가 준비하는 시기예요. 쉬고 있는 단계가 아니에요.
- G1기(간격 1): 세포가 활발하게 자라지만 DNA는 복제하지 않아요.
- S기(합성기): DNA를 복제해요. 처음 DNA가 2C였다면 4C가 되지만 염색체 수는 변하지 않아요(2n은 그대로 2n). 동물 세포에서는 중심립도 복제돼요.
- G2기(간격 2): 분열에 필요한 단백질을 만들고 계속 자라요.
- M기(체세포분열, 사람 세포에서 약 1시간) – 핵분열(핵이 나뉨) 다음에 세포질 분열(세포질이 나뉨)이 일어나요.
G0기 – 분열을 멈춘 상태
어떤 세포는 분열을 멈추고(예: 어른의 심장 세포) G1기를 벗어나 G0기로 들어가요. 살아 있고 제 일은 하지만, 필요하지 않으면 분열하지 않아요. 동물에서는 체세포분열이 2배체 몸 세포(체세포)에서만 일어나지만, 식물은 반수체와 2배체 세포 모두에서 체세포분열을 할 수 있어요.
체세포분열: 동형 분열
체세포분열에서는 딸세포의 염색체 수가 어미 세포와 같아서 동형 분열(equational division)이라고 해요. 단계는 다음과 같아요.
- 전기: 염색사가 응축되어 염색체가 돼요. 염색체마다 두 염색분체가 동원체에서 붙어 있어요. 간기에 복제된 중심체가 양극으로 이동하며 방추사(성상체)를 뻗어요. 전기가 끝날 무렵 골지체, 소포체, 인, 핵막이 보이지 않게 돼요.
- 중기: 핵막이 사라지고 염색체가 가장 단단하게 응축돼요. 모양을 관찰하기에 가장 좋은 때예요. 방추사가 동원체(동원체 부위의 작은 원반)에 붙고, 모든 염색체가 적도면에 줄을 서요. 이것이 중기판이에요.
- 후기: 동원체가 갈라지고 염색분체가 분리되어 양극으로 이동해요. 동원체가 앞에 서고 팔 부분이 뒤따라와요.
- 말기: 염색체가 양극에 도착해 풀어지면서 염색사로 돌아가요. 핵막, 인, 골지체, 소포체가 다시 만들어져요.
세포질 분열
동물 세포에서는 세포막에 골이 생겨 점점 깊어지다가 세포가 둘로 잘록하게 나뉘어요. 식물 세포는 세포벽이 있어 잘록해질 수 없으므로 가운데에 세포판이 생겨 옆 세포벽까지 바깥쪽으로 자라요. 이것이 나중에 중엽이 돼요. 미토콘드리아, 색소체 같은 세포 소기관은 두 세포가 나누어 가져요. 핵분열 뒤에 세포질 분열이 일어나지 않으면 핵이 여러 개인 세포, 즉 합포체(syncytium)가 생겨요. 예: 코코넛의 액체 배젖.
감수분열: 감소 분열
감수분열은 생식세포(식물에서는 포자)를 만들 2배체 세포에서 일어나요. 분열은 두 번(감수 1분열, 2분열)이지만 DNA 복제는 한 번뿐이에요. 결과는 반수체(n) 세포 4개예요.
감수 1분열
- 전기 1(길고 복잡하며 5단계):
- 사상기(렙토텐) – 염색체가 실처럼 보이기 시작해요.
- 접합기(자이고텐) – 상동 염색체가 시냅토네마 복합체의 도움으로 짝을 지어요(접합, synapsis). 한 쌍을 2가 염색체(bivalent) 또는 4분자(tetrad, 염색분체 4개)라고 해요.
- 두꺼운실기(파키텐) – 교차: 상동 염색체의 비자매 염색분체가 재조합 소체에서 조각을 서로 바꿔요. 재조합 효소가 도와요. 이로써 유전자가 재조합돼요.
- 이중기(디플로텐) – 시냅토네마 복합체가 풀리고 상동 염색체가 떨어지기 시작하지만 X자 모양의 키아스마 부분에서는 붙어 있어요. 일부 척추동물의 난모세포에서는 이중기가 몇 달에서 몇 년까지 이어지기도 해요.
- 이동기(디아키네시스) – 키아스마가 끝쪽으로 이동해요. 방추체가 생기고 인과 핵막이 사라져요.
- 중기 1: 2가 염색체가 적도면에 줄을 서요.
- 후기 1: 상동 염색체가 갈라져 양극으로 가고, 자매 염색분체는 동원체에서 붙은 채 그대로 있어요.
- 말기 1: 핵이 다시 생길 수도 있어요. 세포질 분열로 두 세포(딸세포 2개)가 돼요. 감수 2분열 전의 짧은 시기를 분열 간기(interkinesis)라고 하고, 이때는 DNA를 복제하지 않아요.
감수 2분열
체세포분열과 매우 비슷해요. 전기 2, 중기 2(염색체가 적도면에), 후기 2(동원체가 갈라지고 자매 염색분체가 분리), 말기 2로 진행돼요. 결과는 반수체 세포 4개예요.
체세포분열과 감수분열 비교
| 체세포분열 | 감수분열 |
|---|---|
| 분열 1번 | 분열 2번 |
| 딸세포 2개 | 딸세포 4개 |
| 2n → 2n (동형) | 2n → n (감수 1분열에서 감소) |
| 접합과 교차 없음 | 전기 1에 접합과 교차가 일어남 |
| 딸세포가 어미 세포와 같음 | 딸세포가 서로 다름(변이) |
| 몸(체)세포 | 생식세포·포자를 만드는 세포 |
세포 주기 동안의 염색체 수와 DNA 양
규칙: 염색체 수 = 동원체 수. "C"는 복제 전 반수체 한 벌의 DNA 양이에요.
| 시기 | 염색체 | DNA |
|---|---|---|
| G1 | 2n | 2C |
| S기 이후, G2, 전기, 중기 | 2n (각각 염색분체 2개) | 4C |
| 체세포분열 후기 (세포 전체) | 4n (염색분체가 분리됨) | 4C |
| 체세포분열 후 딸세포 하나 | 2n | 2C |
| 감수 1분열 후 세포 하나 | n (각각 염색분체 2개) | 2C |
| 감수 2분열 후 세포 하나 | n | C |
체세포분열과 감수분열의 의미
체세포분열
- 염색체 수를 그대로 유지해서 모든 몸 세포가 같은 유전자를 가져요.
- 다세포 생물의 생장.
- 상처의 재생과 세포 교체. 예: 피부 표피, 장 안쪽 벽, 혈액 세포.
- 세포가 너무 커졌을 때 핵과 세포질의 비율을 되돌려 줘요.
- 식물에서는 분열 조직(생장점과 부피 생장을 하는 형성층)의 체세포분열로 계속 자라요.
- 많은 생물에서 무성 생식에 쓰여요.
감수분열
- 세대가 바뀌어도 염색체 수를 일정하게 유지해요. n(난자) + n(정자) = 2n(접합자).
- 교차와 염색체 쌍의 무작위 분배로 유전적 다양성을 만들어요. 이것이 진화의 재료예요.
직접 해 보기: 생물학자처럼 염색체 세기
긴 털실(또는 모루) 4개와 짧은 털실 4개를 준비하세요. 색은 두 가지로, 하나는 "엄마", 다른 하나는 "아빠"예요. 긴 빨강 하나와 긴 파랑 하나가 상동 염색체 한 쌍이므로 2n = 4예요. 먼저 체세포분열을 연기해요. 각 털실 옆에 복사본을 붙이고(S기), 가운데에 줄을 세우고, 복사본을 양쪽으로 당겨요. 새 "세포"마다 4개인지 세어 보세요. 이제 감수분열을 해 봐요. 긴 것끼리, 짧은 것끼리 짝을 짓고, 털실 조각을 조금 바꾸고(교차), 짝 전체를 당겨서 나눈 다음 한 번 더 갈라요. 4개의 세포마다 2개씩인지 세어 보세요. 3D의 6단계 슬라이더로 답을 확인해 보세요.
핵심 공식과 정의
- 세포 주기: G1 → S → G2 → M (간기 = G1 + S + G2)
- S기: DNA 2C → 4C, 염색체 수는 2n 그대로
- 체세포분열: 전기, 중기, 후기, 말기. 세포 1개 → 2개, 2n → 2n
- 감수분열: 세포 1개 → 4개, 2n → n. DNA 복제 한 번, 분열 두 번
- 전기 1: 사상기 → 접합기 → 두꺼운실기 → 이중기 → 이동기
- 염색체 수 = 동원체 수. S기 이후(후기 전까지) 염색분체 수 = 염색체 수 × 2
- 2가 염색체(4분자) = 상동 염색체 1쌍 = 염색체 2개 = 염색분체 4개
- 체세포분열로 세포 1개에서 N개를 만들려면: k번 분열 후 N = 2^k
풀이 예제
1. 식물 세포의 G1기 염색체가 2n = 16이에요. (a) G2기, (b) 체세포분열 후 딸세포 하나의 염색체 수와 DNA 양을 구하세요. (G1의 DNA = 2C로 해요.)
(a) G2기: DNA가 복제되어 4C이고, 염색체는 그대로 16개예요(각각 염색분체 2개). (b) 딸세포 하나: 염색체 16개, DNA 2C.
2. 2n = 24인 세포가 감수분열을 해요. 감수 1분열 후와 감수 2분열 후 세포 하나의 염색체 수는 각각 몇 개인가요?
감수 1분열에서 수가 절반이 되어 12개예요(각각 염색분체 2개). 감수 2분열은 염색분체를 나눌 뿐 수는 그대로여서 4개의 세포 모두 12개예요.
3. 사람 세포(2n = 46)의 전기 1에서 2가 염색체는 몇 개 생기나요? 염색분체로는 몇 개인가요?
2가 염색체 수 = n = 23개예요. 하나에 염색분체가 4개이므로 23 × 4 = 92개예요.
4. 세포 하나가 체세포분열을 연속으로 5번 해요(매번 모든 딸세포가 분열). 세포는 모두 몇 개가 되나요?
한 번 분열할 때마다 두 배가 되므로 2⁵ = 32개예요.
5. 꽃가루 100개를 만들려면 감수분열이 몇 번 필요한가요? (감수분열 한 번에 4개가 생겨요.)
100 ÷ 4 = 25번이에요(생식 모세포 25개).
6. 세포 주기가 24시간이에요. 분열 중인 세포 100개를 본 슬라이드에서 4개가 M기였어요. M기가 얼마나 걸리는지 어림해 보세요.
어떤 단계에 있는 세포의 비율 ≈ 그 단계에 걸리는 시간의 비율이에요. 4/100 × 24 h = 0.96 h ≈ 1시간.
자주 하는 실수
- 간기를 "쉬는 시기"라고 부르는 것. 세포는 자라고 DNA를 복제하느라 바빠요. 현미경으로 보면 조용해 보일 뿐이에요.
- S기에 염색체 수가 두 배가 된다고 생각하는 것. 두 배가 되는 것은 DNA(2C → 4C)이고, 동원체 수가 그대로여서 염색체는 2n이에요.
- 후기 1에서 자매 염색분체가 분리된다고 말하는 것. 후기 1에서는 상동 염색체가 분리되고, 자매 염색분체는 후기 2(그리고 체세포분열 후기)에서 분리돼요.
- 교차를 접합기나 이중기에 두는 것. 짝짓기는 접합기, 교차는 두꺼운실기에 일어나고, 키아스마는 이중기에 보여요.