식물세포의 팽창

식물세포크기의 증가(팽창)

세포가 분열을 멈추면 일어나는 가장 뚜렷한 변화는 세포 크기의 엄청난 증가이며, 여기에는 액포가 핵심적인 역할을 합니다. 세포분열대의 세포는 상대적으로 작고 그리고 대부분 적은 수의 작은 액포를 가지고 있으며, 일부 세포는 액포가 완전히 없는 경우도 있습니다. 분열대를 떠난 세포는 세포팽창대로 들어가서 중앙 액포가 물을 흡수하는 기작에 따라 크기가 커집니다. 이 팽창과정은 세 가지의 일치된 과정, 즉 성장의 힘을 제공하는 액포의 부풀어 오름, 세포의 팽창을 허용하는 벽의 조절된 이완 그리고 특정 방향으로 신장할 수 있도록 팽창력의 통로화가 관여합니다. 액포가 팽창을 유도하는 능력은 세포의 가장 기본적, 물리적인 특성에 의존합니다. 세포는 내부의 내용물과 주변 환경을 분리해 주는 장벽을 가지고 있습니다. 이로 인하여 세포는 외부 환경의 영향을 받지 않고 안정된 환경에서 물질대사 반응을 집중시킬 수 있습니다.

동물세포와 식물세포 모두는 지질이 풍부한 막으로 둘러싸여 있어 거대분자와 전하를 띤 분자는 막을 통과할 수 없습니다. 그러나 막은 물과 작은 비전하 분자에 대해 투과가 가능하여, 이들 물질은 삼투방식으로 막을 통과합니다. 삼투(osmosis)는 물이 세포막처럼 반투과성 막을 통과하는 과정으로 막 사이의 양쪽에 용질 농도의 차이로 유도됩니다. 물의 순수한 이동은 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 일어납니다. 세포가 주변에서 얻은 염과 자신이 만드는 다른 물질의 농도가 높아짐에 따라 세포질과 외부 용액 사이에 삼투 불균형이 확립되고, 이 차이를 평형화하기 위해 물의 흐름이 유발됩니다. 이러한 물의 유입으로 인하여 세포질 반응이 희석되고 궁극적으로 세포가 터진다는 점에서 세포는 '물의 과다로 인한 죽음'에 직면하게 됩니다. 동물세포는 이를 방지하기 위해 지속적으로 에너지를 소비하여 나트륨과 같은 이온을 퍼내어 내부의 용질 농도를 낮춤으로써 물의 유입을 억제합니다. 이 문제에 대해 식물세포는 완전히 다른 전략을 사용하여 물의 유입을 성장 유도에 이용합니다.

식물에서 세포에 들어온 물은 액포에 저장됩니다. 액포는 주변으로부터 무기질을 활발히 축적하고 삼투작용에 물을 추가적으로 흡수하여 그 결과로 극적으로 커집니다. 세포가 분열을 중지하고 완전히 팽창을 하면 커다란 중앙 액포는 세포 부피의 95%까지 차지하게 됩니다. 그러므로 액포는 당연히 식물세포에서 가장 큰 소기관입니다. 액포막(tonoplast)이라고 하는 자신의 막에 둘러싸여 있는 커다란 액포는 세포질을 원형질막 바닥의 가느다란 층으로 밀어냅니다. 액포는 주로 물과 간단한 염으로 채워져 있기 때문에 액포화는 세포의 크기를 증가시키는 경제적이고 에너지 효율적인 방식입니다. 액포가 식물세포에서 필수적으로 커다란 크기로 존재하지만, 동시에 액포는 단순히 공간을 차지하는 그 이상의 목적으로도 이용됩니다. 종종 액포는 세포가 나중에 사용할 목적으로 저장하거나 또는 세포질에서 영원히 분리해야 할 작은 분자들의 격리에 이용됩니다. 주변에서 흡수한 일부 독성물질은 해독 역할을 하는 액포에서 붕괴되거나 또는 이곳에 저장됩니다. 또한 식물의 일부에 색깔을 띠는 색소도 액포에 축적됩니다. 그러나 액포는 무기 이온과 아미노산과 같은 유용한 물질의 임시 저장고로도 이용됩니다.

어떤 액포는 세포기질에서 일어날 수 없는 반응을 수행하는 장소로 활용됩니다. 예를 들어 분해 및 소화 액포는 동물과 효모의 리소좀과 유사하여 이용 가능한 성분으로 대사물질을 분해하는 역할을 담당합니다. 저장과 분해 액포가 함께 작용하는 상황은 씨앗에서 일어납니다. 씨앗의 경우 액포의 한 종류가 단백질을 저장, 축적하는 식물 특이적인 기능을 수행합니다. 성숙할 때 이 액포는 하나 또는 몇 종류의 단백질을 극단적인 고농도로 포장합니다. 씨앗이 발생을 시작하면서 단백질 저장액포와 분해액포의 융합은 단백질 분해를 유도하여 식물 성장의 초기 과정에서 단백질 합성에 필요한 아미노산을 방출합니다.

식물세포는 세포벽 때문에 팽창 중인 액포의 압력을 견딥니다. 세포벽이 이러한 능력을 갖기 위해서는 예외적인 세기를 갖고 있어야 합니다. 그러나 이러한 세기에도 불구하고 벽은 세포의 팽창을 허용해야 합니다. 벽의 세포적인 구조가 이 특성의 근원이며 벽이 어떻게 신장된 세포가 만드는 특정 방향으로 팽창을 안내하는지를 보여줍니다. 식물 세포벽은 동물세포의 세포외기질보다 더 두껍고 더 강합니다. 후자는 주로 단백질로 구성되지만 식물의 1차 세포벽에서 단백질은 단지 10%에 불과합니다. 여기에는 벽 형성에 관여하는 효소인 당단백질과 벽의 구조에 기여하는 엑스텐신과 같은 단백질이 알려져 있습니다. 세포벽의 기본성분은 섬유소이며, 이는 끝과 끝이 연결되어 있는 직선사슬의 포도당 중합체입니다. 이 사슬은 규칙적인 간격으로 많은 수의 수산기를 갖고 있는 관계로 사슬들 사이에 수소결합을 하여 극세사라고 하는 직선의 반결정 구조를 형성합니다.