일반생물학 및 실험 (1) 양파표피세포의 각 시기별체세포분열 관찰실험 보고서

실험제목 및 날짜

 

본 보고서는 2023년 5월 25일 일반생물학(1) 실험 수업 중 실시한 ‘현미경을 활용한 양파 표피세포의 체세포 분열 관찰 및 각 시기별 특징 이해 실험’ 에 대한 보고서입니다.

 

서론

 

모든 생물은 세포로 이루어져 있으며 세포는 생물의 기본단위로 간주됩니다. 생물들은 단세포 생물과 다세포 생물들로 구분되는데 세포분열이 일어나면 단세포 생물들에게는 무성생식이 진행되는 것이며 다세포 생물들의 경우 구성 및 생명활동에 필수적인 세포들을 생산해 내는 것입니다. 일반적으로 사람의 몸은 약 60조개의 세포들로 구성되어 있으며, 이 세포들의 기원을 추적하여 보면 하나의 수정란으로부터 기인됨을 확인할 수 있습니다. 세포로 구성된 생명체들에게 세포분열은 필수적인 과정입니다. 세포분열은 복잡한 일련의 과정을 통하여 수행되는데 각각의 과정을 적절히 조절하는 것은 매우 중요합니다. 세포분열은 체세포분열과 생식세포분열의 두가지로 구분되고 핵이 분열하여 dna가 나누어진 후 세포질이 분열하여 두 개의 딸세포를 형성하며 세포분열을 마무리합니다.

 

cell cycle

 

세포분열은 동일한 과정을 반복하는 주기성이 관찰되는데 이를 몇가지 과정으로 나누어 세분할 수 있습니다. 진핵세포의 세포분열과정은 일단 가장 크게 간기와 분열기로 나누어볼 수 있습니다.

 

간기에는 세포가 분열을 준비하며 성장하는 시기입니다. 분열기는 실제로 DNA가 반으로 나누어지고 세포질이 나누어지는 시기입니다. 간기의 특성은 DNA가 염색질의 형태로 풀어져 있다는 것 입니다. 이렇게 풀어진 형태에서 DNA의 복제가 일어납니다. 복제가 일어나는 시기를 S기라고 하며 분열기와 S기의 중간과정을 각각 G1기 G2기 라고 합니다. 복제를 통하여 DNA의 양은 2배가 되고 체세포 분열 또는 생식세포 분열을 통하여 DNA의 양은 원래대로 또는 반으로 되게 됩니다.

 

체세포 분열은 세포주기에서 시간적으로 가장 짧습니다. 세포주기의 약 10 퍼센트 이내를 점유합니다. 이러한 분열기를 전기, 중기, 후기 , 말기로 세분하는데 이것은 염색체의 모양과 상태에 따른 분류입니다

실험목적

 

세균 배양액 속 세균들의 세포호흡을 통한 메틸렌 용액의 환원 및 탈색 과정을 관찰 및 이해하고 다양한 조건과 환경을 설정하여 세포호흡에 영향을 미치는 요인들을 분석하기 위해서 입니다.

 

 

실험결과 (그래프, 표, 사진 등)

 

 

 

discussion

실험결과분석

 

실제 실험을 실시한 결과, 양파의 표피세포의 정확한 체세포 분열의 식별에 어려움이 있었습니다. 이는 낮은 배율의 현미경, 염색이 안된 표본, 너무 두껍게 만들어진 표본, 실험자의 현미경 조작미숙 등의 원인을 고려해보았습니다.

 

이론상으로는 양파의 뿌리부분은 생장점이 존재하기 때문에 활발한 체세포 분열이 관찰되어야 하며 모든 시기의 체세포 분열 시기가 관찰되어야 합니다.

 

체세포 분열에 관한 세부 검토는 두 번째 자료를 활용하여 서술하였습니다.

 

a: 간기의 세포입니다. 간기에는 세포가 성장하고 DNA가 복제되기 때문에 DNA는 핵 속의 염색질의 형태로 존재합니다.

 

b: 체세포 분열 전기의 세포입니다. 이 기간에는 핵막과 인이 없어지기 시작하는 단계입니다. 또한, 복제된 DNA는 염색분체를 형성하고 방추사가 형성되기 시작합니다.

 

c: 체세포 분열 중기의 세포입니다. 중기에는 형성된 염색체들이 적도판에 나란히 배열되고 중심체에서 자라나온 방추사들이 염색체에 연결됩니다. 모든 염색체(46개의 염색체)가 다 방추사에 결합되어야만 다음 단계로 진행됩니다.

 

d: 체세포 분열 후기의 세포입니다. d 세포는 표기가 따로 되어 있지 않아 c, d 세포 사이에 있는 세포에서 두칸 위에 있는 세포입니다. 후기에 다다르면 세퍼레이즈 효소는 방추사의 길이를 짧게하고 짧아진 방추사는 염색체를 둘로 나누어 양 끝으로 이동시킵니다.

 

e: 체세포 분열 말기의 세포입니다. 체세포 분열 말기는 다시 핵막과 인이 생기며 염색체가 염색질로 되돌아가는 양상이 관찰됩니다. 이후 세포질이 함입되어 두 개의 세포로 나누어지는 세포질 분열 단계로 접어듭니다.

 

 

본 사진의 양파의 표피세포로 추정됩니다. 표본이 적절히 염색되어 있어 관찰 및 분석에 상당한 용이함이 있었습니다. 화살표로 표시된 세포는 체세포 분열 후기의 세포로 판단하였습니다. 체세포 분열 후기의 세포는 방추사가 separase 효소에 의한 pacman effect로 짧아짐에 따라 자매 염색분 체가 분리되는 형태 및 양상을 보입니다. 세포의 양극으로 완전히 DNA가 이동된 후 해당 세포는 각각의 핵막과 인을 형성하는 말기에 접어들 것으로 예상하였습니다.

 

 

실험 재료 및 실험기구

LM, 슬라이드 글라스, 커버 글라스, filter 종이 , alcohol lamp, 랜셋, 양파 표피세포

 

 

Further study

 

1. 동물세포의 체세포 분열과 식물세포의 체세포 분열의 공통점 및 차이점에 관하여 서술하시오

 

• 동물세포와 식물세포간의 체세포 분열의 차이점은 각 세포의 구조에 기인합니다. 동물세포는 비교적 말랑말랑한 세포막으로 구성되어 있는 반면에 식물세포는 견고한 세포벽으로 구성되어 있습니다. 따라서 동물세포는 체세포 분열 말기가 종료된 후 진행되는 세포질 분열에서 세포막이 함입되어 두 개의 딸세포로 분리되는 형태과 관찰됩니다. 세포막의 함입은 미세소관이 세포막을 조여 세포막이 점점 잘록해지다 결국 갈라지게 되는 기작으로 진행됩니다. 식물세포의 경우, 동물세포와 다르게, 단단한 세포벽이 존재하여 세포벽이 새로이 형성되는 양상으로 세포질의 분열이 진행됩니다. 세포질에 세포벽을 구성하는 물질을 포함하는 소낭들이 모여서 점차 세포벽을 형태를 만들어가다 결국 벽을 쳐서 두 세포 사이를 구분하게 됩니다. 두 세포간의 공통점은 두 세포 모두 진핵세포라는 점으로부터 기인합니다. 두세포 모두 핵이 존재하여 분열기에 들어서며 핵막과 인이 소실되는 현상이 관찰됩니다.

 

2. 유사분열과 감수분열의 주요한 차이에 관하여 서술하시오

 

• 유사분열과 감수분열의 가장 큰 차이는 DNA의 양에 있습니다. 유사분열에서는 모세포의 DNA가 모두 딸세포로 전달됩니다. 따라서 한번의 DNA복제가 일어난 후, 한번의 분열이 일어납니다. 감수분열의 경우, 절반의 DNA 딸세포로 전달됩니다. 따라서 한번의 복제가 발생한 후 두 번의 분열이 일어납니다. 유사분열은 정소와 난소를 제외한 모든 분열하는 세포에서 발생하는 세포입니다. 감수분열은 정소와 난소에서만 일어나는 세포분열입니다. 감수분열의 결과, 단수체의 생식세포가 만들어집니다.

 

3. Cell Cycle Inhibitor의 종류와 각 Cell Cycle Inhibitor의 작용기작에 대하여 서술하시오

 

• 세포분열은 매우 정교하고 복잡한 과정입니다. 따라서 문제가 발생할 경우 세포분열을 중단하고 또한 불필요한 세포분열을 조절하는 메커니즘이 생체 내에 구축되어 있습니다. 세포분열 과정을 점검하는 점검 지점이 세포주기에서 3곳이 존재하는데 G1기 중, G2기에서 M기로 넘어가기 전, M기 중기에서 검문 지점이 존재합니다. G1기의 검문지점은 세포 상태를 파악하여 분열이 어려운 세포들을 분류하여 분열을 중단시킵니다. 이러한 세포들을 분화된 세포라고 하며, 이들은 G0기로 돌입하여 분열이 진행되지 않습니다. G2기에 존재하는 두 번째 검문소는 복제된 DNA를 점검하여 문제가 없을 경우 분열기로 진입시킵니다. M기 중기의 검문소에서는 방추사가 적도판에 배열된 염색체들에 모두 정확히 결합되었는지 확인합니다. 이와 같은 점검을 통하여 어느 한 세포에 DNA가 중복되고 다른 세포에는 DNA가 결실되는 현상을 방지합니다. 방추사가 충분히 결합하지 않은 경우, 상황이 정상적으로 개선될 때까지 후기로 진행되지 않습니다.

 

• 이러한 세포분열에 중요한 작용기작은 CDK와 사이클린 단백질로 조절됩니다. 이때 세포 내에 CDK는 항상 존재하며 사이클린이 결합하였을 때에만 활성화되어 세포분열을 진행시킵니다. CDK는 또한 사이클린 분해효소로 작용하여 사이클린을 분해하고 다시 비활성화 상태로 돌아갑니다. 사이클린의 경우, G1 cyclin, G1/S cyclin, S cyclin, M cyclin 등이 있습니다. 각각의 사이클린은 각각의 세포분열 시기에 출현하여 CDK와 결합해 서로 다른 단백질을 인산화시킵니다. M cyclin은 MPF라고도 부릅니다.

 

Reference

• Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., Reece, J. B., & Campbell, N. A. Campbell biology. Eleventh edition. New York, NY, Pearson Education, Inc.; 2021.
• J. Natn. Sci. Foundation Sri Ranka. 2015 43 (2) 153-163
• Edmund Beecher Wilson - Figure 2 of: Wilson, Edmund B. (1900년) The cell in Development and Inheritance (2째 ed.), Category:New York: The Macmillan Company