chapter 03. 세균의 형태와 구조

01. 세균의 형태
알균(구균, coccus), 막대균(간균, bacillus), 나선균(spirillum) 3가지 기본형을 분류하며 구조와 형태는 염색없이 관찰할 수 있으나, 대부분 염색을 해야 자세히 관찰할 수 있다.

1) 알균(구균, coccus)
여러 가지 구형의 형태를 가지고 있음, 대부분 그람 양성균이고, 폐렴쌍알균을 제외한 대부분의 쌍알균은 그람 음성균으로 균배열의 트징으로 균종을 감별함.
병원성을 지닌 알균은 감염되면 염증, 화농을 일으키고 각종 항생물질을 사영하면 치료효과 보임
(1) 단알균(monococcus) : 알균 하나가 단독으로 존재하는 것
(2) 쌍알균(diplococcus) : 두 개씩 쌍쌍이 배열되어 있고 대표적으로 수막염균, 임균, 폐렴알균 등
  예외) 폐렴쌍알균(연쇄상구균, Streptococcus pnenmoniae = Diplococcus pneumoniae)은 그람 양성균에 속함
(3) 사슬알균(Streptococcus) : 사슬모양응로 배열된 것
(4) 포도알균 : 포도모양으로 배열된 것으로 포도알균(Staphylococcus)이 있다.

2) 막대균(간균, bacillus)
막대기 모양 또는 원통형 모양의 세균으로 종에 따라 크기와 길이가 다양함
(1) 연성하감 막대균은 여러 개가 양 끝이 서로 이어져서 사슬처럼 보이므로 사슬막대균을 형성함
(2) 녹농균과 같이 균체의 한 끝에 1~3개, 장티푸스균과 같이 균체의 주위에 다수 편모가 있어 운동이 가능함.
(3) 파상풍균이나 탄저균 등은 균체의 한 끝 또는 중앙부에 포자가 있는 막대균에 속함

3) 나선균(Spirillum)
S형 또는 나선형균의 총칭으로 꼬임과 회전수에 따라서 4가지로 구분하며, 그람음성균에 속함.
(1) 비브리오(Vibrio) : 한 번 꼬여 있는 간상 구조
(2) 보레리리아(Borrelia) : 불규칙적이고 부드럽게 꼬여있는 형태
(3) 트레포네마 (Treponema) : 규칙적인 작은 꼬임 형태
(4) 스피로헤타 (Spirochaeta) : 낚시바늘 모양으로 끝이 굽어 있읍

<주요세균의 크기(um)>
포도 알균 : 0.8 ~ 1.0
대장균 : (0.4 ~ 0.7) * (1 ~ 3)
콜레라균 : 0.5 * ( 1.5 ~ 3)
결핵균 : (0.3 ~ 0.6) * (1 ~ 4)
디프테리아균 : (0.3 ~ 0.8) * (1 ~ 8)
탄저균 : (1.0 ~ 1.2 ) * (3~5)
매독균 : (0.13 ~ 0.15) * (10 ~ 13)
렙토스피라 : 0.1 * (6 ~ 20)


02. 세균의 구조와 기능
원핵생물로서 핵막, 미토콘드리아, 소포체 등이 없고 세포의 주요 구조물운 세포벽, 리보솜, 협막, 편모, 섬모, 플라스미다, 아포 등으로 구성.

1) 세포벽
(1) 세포벽의 역할 및 구성 : 세균 고유형태를 유지시킴, 삼투압 등 외계 충격에서 보호 역할을 하고 세균 세포벽의 기본 골격을 이루는 화합물은 펩티도글리칸이나 뮤레인으로 불리는 망상구조체로 펩티드 부분과 글리칸 구분으로 구성됨.
(2) 합성 방해 물질
    - 페니실린 및 세펨계 : 세포벽 합성과정에서 마지막 단계에 작용하는 전위효소를 억제하고 펩티도글리칸의 주성분인 뮤레인 합성을 방해함으로써 세균 세포벽의 생화학적 구조를 파괴하여 세균증식을 억제함
    - 라이소자임 : 눈물과 침에 존재하는 생체 방어성 분비 효소로써 숙주에 침입하는 미생물을 파괴하며 펩티도글리칸 분자 가운데 특히 글리칸 구조를 가수분해하여 미생물을 사멸함.

—————————————————————————————————
<세균의 형태>
1) 공 모양
  (1) 포도알 모양 : 황색포도알균(황색보도상구균) 등
  (2) 사슬 모양 : 고름사슬알균(화농연쇄상구균) 등
  (3) 쌍알 모양 : 폐렴알균(폐렴구균), 임균, 수막염균은 붉은 색이다.

2) 막대 모양
  (1) 사슬 모양 : 탄저균, 세레우스균 등
  (2) 짧은 막대 모양 : 인플루엔자균 등
  (3) 가늘고 긴 막대 모양 : 대장균, 녹농균 등
  (4) 곤봉 모양 : 디프테리아균 등

3) 나선 모양
  (1) 짧은 나선 모양 : 킴필로박터, 헬리코박터 등
  (2) 긴 나선 모양 : 매독균, 재귀열 보렐리아, 황달출혈성 렙토스피라 등

<그람 염색법>
  1) 크리스탈 바이올렛( 본 염색, 청자색)
  2) 루골액 처리후, 에탄올(요오드, 매염제) 탈색
  3) 사프라닌 적색 염색 : 그람 양성 _ 청자색/ 그람 음성 _ 적색

——————————————————————————————————————

(3) 세포벽 그람 염색법에 따른 그람 양성균과 그람 음성균의 차이
  1) 그람 양성균의 세포벽 : 테이코산과 펩티도글리칸을 주성분으로 하고 있음
  2) 테이코산 : 많은 그람 양성 세균의 세포벽이나 세포막에 발견되는 중합체로 항원성이며, 균의 형특이성을 결정함
  3) 펩티도글리칸 : 그람 양성균의 세포벽의 구성성분(비교적 두껍고, 세포벽의 90% 차지)으로 세포의 보호작용 및 1차 염색 처리 후 탈색제 사용시 탈색되지 않음
  4) 그람 음성균의 세포벽 : 소량의 펩티도 글리칸 외층에 지질다당류, 외막, 지질 단백질 3가지로 구성되며 펩티도글리칸은 내층에 존재하고 그람 얏성균은 펩티도 글리칸 층이 두껍지만 그람음성균은 펩티도 글리칸 층이 얇아 탈색제 사용시 탈색됨.
    가. 지질다당류(lipopolysaccharide, LPS) :  지질(lipid A)과 다당류의 복합체로 그람 음성균 세포벽의 주된 성분이며 지질(lipid A)d은 내독소(endotoxin), 발열, 혈관확장, 혈액응고작용을 유발하며 다당류는 균체 O항원 작용을 함.
     - 주요 기능 :  세포의 파열을 방지하며 숙주의 식균 작용에 내성을 부여한다.
   나. 외막 : 세포질 주위 단백질의 누출 방지, 숙주 환경의 담즙산이나 가수분해효소로부터 세포를 보호한다.
   다. 지질단백지 : 그람 음성세균은 그람 양성세균에 비하여 지질 단백질이 더 많다.
   라. 펩티도글리칸 :  매우 얇고 세포벽의 10% 만 구성한다.


2) 협막 : 협막의 존재는 세균의 병원성을 결정하는데 중요한 요인으로, 협막을 보유한 세균세포는 백혈구 식균 작용을 방해하며 협막이 있는 균이 없는 균보다 병독력이 강하다.
  - 균체의 표면을 매끄럽게 만들어 포도쌍알균, 인플루엔자균등 병원균의 중요한 독력을 증가시킨다.
  - 외계와의 경계가 분명한 것을 협막이라고 하며, 분명치 않은 것을 점액층이라고 한다.

< 점액층 >
젤리 상태로 다당체가 주성분, 세균의 표면부착 용이하게 함.

3) 섬모 : 그람 음성세균은 섬모라 불리는 표면 부속물을 갖고 있으며 직경이 5 ~ 10nm 크기의 단백질로 구성되며 보통 머리털 같은 돌기 모양으로 세균의 세포질로부터 돌출함
  -  기능 : 숙주에 부착 : 예시) 임균은 섬모를 통하여 점막에 흡착하고 감염병을 일으키는 능력을 가짐.
               생식에 이용하는 것 : 세균이 접합하는 동안 세포 간의 유전물질을 전달하는 통로로 이용됨.

4) 편모 : 세균의 세포 표면에 돌출된 긴 섬유상의 부속지이며 세균의 운도익관으로 활발한 운동을 하고 성ㅂㄴ은 단백질로 특수 염색이나 전자 현미경을 사용해야 볼수 있다. 편모는 H항원을 소유한 항원성을 가지며 세균의 분류에 유용하게 사용함.

편모 숫자, 부위에 따라 무모균, 단모균, 양모균, 총모균, 주모균으로 분류된다.

5) 세포질막 : 특이적인 선택적 투과성을 가진 단위막으로 인지질과 단백질로 구성되며, 세포의 건조 중량이 20 ~ 30% 차지.
  - 기능 : 세포내로 용질의 선택적 투과 및 수송(세포직막의 특수한 생화학적 구조)
              화학주성계의 수용기와 단백질을 갖고 있음

6) 리보솜 : 단백질 합성에 관여하는 리보솜은 rRNA와 단백질로 구성되며 단위로 S는 스웨덴 물리화학자 Svedberg가 확립된 침강계수로서 리보솜의 크기를 나타내는 단위
  - 원핵세포는 70S 리보솜, 진핵세포의 리보솜은 80S로 원핵생물과 진핵세포 리보솜의 구조적 차이점은 세균에 의해 발생되는 동,식물성 감염병의 치료에 항생제를 사용하는 데 중요한 기초가 된다.

7) 아포 :  원핵세포는 휴면세포 상태의 특수구조를 갖고 세균이 생존에 불리한 환경이 주어지면 아포를 생성한다.
  - 아포는 휴면상테로 영양과 환경이 호전될 때 다시 대사하는 데 요구되는 최소한의 수분과 요소만을 포함하고 세균의 증식에 유리한 환경이 되면 다시 발아하여 정상적으로 증식함(아포 형성 기간 중에는 모든 대사가 정지 후 이러한 형태로 수년 ~수 십년간 생존)
  - 아포가 외부 영향력에 대하여 저항력이 강한 것은 외피의 지단백막(지질단백막, lipoprotein membrane)이 있기 때문임.
  - 아포의 의학적 의미 : 열과 소독제에 대한 내성, 아포형성 시 세균의 외독소 방출, 탈수시키거나 100도씨로 열을 가해도 죽지 않고 동결, 건조, 방사선 조사 등에도 강한 내성을 가지므로 의학적 측면에서 매우 중요, 121도씨 15분간 고압증기멸균을 해야 사멸됨.
  - 종류 : 탄저균(Bacillus anthracis), 무산소성균인 Clostridium균


03. 미생물의 증식
- 성장 : 진핵 생물의 몸체가 커지는 것을 의미
- 증식 : 개체 수가 증가하느 ㄴ것

1) 세균의 영양소
- 미생물이 증식하는데 필요한 영양소 : 탄소원, 질소원, 무기물 및 발육인자 등
- 환경인자 : 물, 온도, 산소, 삼투압, pH

2) 세균의 증식
- 세균은 보통 두개의 같은 크기의 자손 세포를 형성하는 무성생식에 의한 이분법에 의해 증식은 모든 세균의 가장 일반적인 증식 방법
- 활동 중인 세포분열 기간 동안 세포 수를 결정하는 것은 세균의 세대시간을 계산함으로써 알 수 있음
- 세균을 새로운 배지에 접종하여 회분배양하면, 세균은 일정한 속도로 증식할 때 배양액 중의 균수를 측정하여 그래프로 나타낸 것으로 세균의 증식곡선 : 유도기, 대수증식기, 극기정지기, 대수사멸기로 구분됨
<세대 시간>
균종에 따라 다르며 일발전그오 균수의 2배수가 될 때를 말함
  (1) 유도기 : RNA의 함량이 증가하고 효소 활성이 강해져 증식을 준비하는 시기이며 세균 세포의 크기는 2배 정도 되나, DNA의 양적 증가는 변하지 않고, 세균의 증식은 일어나지 않으며 세포 구성성분이 증가함
  (2) 대수증식기 : 세균 성장이 매우 활발하여 대수적으로 증가하는 기간으로 생장률은 세균의 종류나 배지 조건에 따라 다르며 이 기간에 적당한 영양분과 환경이 주어지면 생장이 지속적임
(3) 극기정지기(정지기) : 세균 성장 결과 배지 내 영양분과 산소가 고갈, 대사산물이 축적되며 pH 변화 등에 의해 분열 속도가 느려져 새로이 분열하는 세포수와 균형을 이루어 최대 세균수에 도달, 전체적 세균 수의 증감이 없는 시기로 증가균 수와 사멸균 수는 평형
(4) 대수사멸기 :  장지기 이후 사멸하는 세포수가 증가되어 생존 미생물 수가 점차 줄어드는 시기로 세균의 사멸과 약화에 의해 생균수가 감소하고 생산된 산에 의해 pH가 저하하며 사멸을 촉진하는 시기임.


04. 미생물 증식의 영향
1) 영양
  (1) 무기물 : 성분은 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 철, 아연, 구리 등. 인은 인산염으로 ATP, 핵산 및 조효소의 성분으로 중요하며 흔히 사용하는 배지에 함유되어 있어 특별히 첨가할 필요는 없다.
  (2) 탄소원 : 대부분 에너지원이나 균체 구성성분으로 사용되며 병원성 세균은 당류를 주로 이용(일반적으로 많이 사용하는 것은 포도당임)
  (3) 질소원 : 주로 단백질의 구성성분으로 세균은 질소원을 아미노산, 펩톤, 단백질 등의 유기질소화합물을 이용
  (4) 발육인자 : 물, 무기물질, 탄소원, 질소원이 있어도 어떤 물질이 반드시 미량으로 존재하지 않으면 증식이 불가능한 것으로 자체적으로는 합성을 하지 못하고 외부에서 공급받아야 하는 유기화합물 비타민등

2) 환경조건
  (1) 온도 : 미생물이 발육하고 사멸하는 데 가장 중요한 역할. 발육 증식에 가장 적합한 온도- 최적온도로 미생물이 가장 짧은 시간에 세대시간을 가지며 최대 증식률을 이룰 수 있는 온도.
    - 최적 온도에 따른 세균 분류 : 대부분의 병원성 세균은 35 ~ 37도씨에서 잘 증식함.
    - 저온세균(12 ~ 18도씨) : 수중환경의 세균, 저온균은 약 25도씨 정도의 온도에서 불활성화되는 효소를 가지고 있어 증식 억제
    - 중온세균 (30 ~ 37도씨) : 대부분의 병원성 세균(예; 장티푸스 균)
    - 고온세균(55 ~ 60도씨) : 토양 중의 세균, 일부 온천에 사는 균
    - 병원균의 최적온도 : 병원균의 최적온도는 37도씨이고 곰팡이는 실온상태
(2) 수소이온의 농도 : 미생물의 성장에 영향을 미치는 데 대부분 혈액의 pH 7.4 와 같은 범위에서 잘 자람, 대부분 pH는 7.0 ~ 7. 5의 범위이나 Vibrio Choleare는 pH 7.6 ~ 8.0 에서 증학함
(3) 산소 : 유리산소 요구성에 따른 분류
    - 미호기성균 : 미량의 산소상태, 즉 2~10% 함유(대기 중 산소 21%)된 상태에서 증식이 잘 되는 균으로 고농도 산소는 독성으로 작용함. 예) 헬리코박터
    - 편성호기성균(절대 호기성균) :  산소를 절대적으로 필요로 하는 균. 예) 녹농균, 결핵균, DPT 등
    - 통성혐기성균(조건무산소성균) : 유리산소 존재 여부에 관계없이 자라는 대부분의 산소가 있으면 호흡, 없으면 발효과정으로 통해서 에너지를 획득함. 예) 대장균, 이질균, 장티푸스 균 등의 장내세균
    - 편성혐기성균(절대무산소성균) : 유리산소 존재하에서는 증식이 불가능한 균. 예) 파상풍, 가스 괴저, 보툴리누스균
(4) 이산화탄소 : 모든 세균은 대사에 소량의 이산화탄소가 필요하며 호이산화탄소성 세균은 더 높은 이산화탄소 종도에서 잘 성장. 예) 임균, 수막염 등
(5) 수분 : 세균의 질량 80 ~ 90%를 차지하며 세균의 발육, 배양, 대사활동을 포함된 모든 미생물의 증식에 필요하며 수분은 영양소의 용매로 작용하여 영양의 흡수와 생체 대부분의 생화학반응에 관여함
(6) 삼투압 : 세균 세포는 견고한 세포벽이 있어 삼투압이 변화된 환경에서도 쉽게 사멸하지 않음. 원형질 분리 : 고농도의 서랑 및 식염수와 같은 고장액 속에 세균 세포를 넣으면 세포질 내의 수분이 빠져 나와 세포질막은 수축되고 세포막도 세포벽에서 박리됨.
(7) 염도 : 호염성세균-증식하기 위해 고농도의 염류를 필요로 하는 미생물로 비브리오와 같은 해양 세균은 호염성 세균으로 약 3% 염화나트륨 농도에서 잘 자람.

포도알균의 경우 염류에 대한 내성이 있으며 10% 이상의 염화나트륨 농도에서도 증식함

<용어설명>
면역 : 생체 내에서 병원체 등의 비자기물질이나 암세포와 같은 비정상적인 세포를 인식해서 죽임으로써 생체를 질병으로 부터 보호하는 기전을 말한다.
멸균 : 증식성을 가진 모든 미생물을 완전히 사멸 똔느 제거 하기 위한 작용과 조작을 말한다.
숙주 : 기생충이나 균류 등이 기생 또는 공생하는 상대방 생물을 말한다.
약물내성 :  생물이 자신에 대해 어떠한 작용을 가진 약물에 저항성을 가짐으로써 이러한 약물이 효과를 발휘하지 못하게 되는 현상을 말한다.
유전자 :  생물의 유전정보를 담당하는 주요인자이다. 모든 생물에서 DNA를 매체로 하여 그 염기배열이 부호화 되어 있다. 다만 RNA 바이러스는 RNA배열에 부호화 되어있다.
유전체 : 어떤 생물을 그 생물답게 하는데 필수적인 유전정보를 말한다.
펩티도글리칸 : 펩티드와 당으로 이루어진 고분자를 말하며, 세균의 세포막 바깥쪽에 층을 형성하는 세포벽의 주요 물질이다.
플라스미다 :  세포 내에서 복제되어 딸세포로 분배되는 염색체 이외의 DNA분자를 일컫는다. 세균이나 효모의 세포질 내에 존재하며 염색체의 DNA와는 독립하여 자율적으로 복제한다. 일반적으로 고리 모양의 이중가닥 사슬 구조이다.