모든 진핵생물의 세포소기관과 세포 이하의 구조는 동일하다
진핵생물은 진균류, 원생생물, 식물 및 동물계로 이루어져 있으며, 진균류와 원생생물은 단세포이다. 진핵세포의 크기는 직경이 10-100㎛로 세균보다 크다. 그리고 인간의 결합조직을 형성하는 세포인 섬유아세포의 직경은 15㎛ 정도이며, 그 건조 중량은 대장균 세포보다 수천 배 크다. 이 밖에도 단세포 원생생물인 아메바는 직경이 0.5mm 정도로 섬유아세포보다 30배 이상 크다.
원핵세포처럼 진핵세포도 원형질막으로 둘러싸여 있다. 하지만, 원핵세포와는 달리 대부분의 진핵세포는 내부에 막으로 둘러싸인 특이한 기능을 하는 세포소기관이 있다. 대부분의 세포소기관은 인지질 단일 막이지만 핵, 미토콘드리아 및 엽록체는 이중 층이다. 각각의 세포소기관에는 특이적인 화학 반응을 촉진하는 효소를 비롯한 특정한 단백질이 있다. 세포소기관을 형성하는 막은 세포소기관 내부의 이온 조성을 조절하므로 세포소기관의 이온 조성은 세포질 및 타 세포소기관과 다르다.
진핵세포에서 가장 커다란 세포소기관은 핵으로서 세포 활동에 필요한 대부분의 DNA를 갖고 있다. 동물 세포와 식물 세포에서 대부분의 ATP는 미토콘드리아와 엽록체에 존재하는 커다란 분자 기계로부터 생성된다. 식물은 엽록체에서 광합성에 의하여 ADP와 인산으로부터 ATP를 합성한다. 세균 세포에서도 ATP를 생성하는 유사한 분자 기계가 원형질막에 존재한다. 한편, 미토콘드리아와 엽록체는 진핵세포에 들어와 공생하게 된 세균으로부터 유래하였을 것으로 추정하고 있다. 시간이 지나면서 박테리아 유전자의 상당수는 핵으로 이동하여 핵 게놈의 일부가 되었다. 한편, 미토콘드리아와 엽록체에도 크기가 작은 게놈이 있으며 이들 세포소기관에 필요한 단백질 중 일부는 이들 게놈에서 만들어진다. 이들 단백질을 합성하는 DNA의 서열은 세균에서 유래하였다.
세포는 쓸모없는 부분을 폐기하거나 재활용할 수 있는 작은 분자로 분해한다. 이와 같은 세포의 일상적인 작업은 분해효소로 채워져 있는 리소좀에서 주로 일어난다. 리소좀 내부는 대략 pH 5.0 정도로 세포질보다 산성도가 매우 강하다. 이러한 조건은 특별히 낮은 pH에서 작용하는 리소좀 효소 물질 분해 능력을 돕는다. 이와 같이 pH가 낮은 환경을 조성하기 위해서 리소좀 막에 존재하는 단백질들은 ATP를 사용하여 리소좀 안으로 수소 이온을 들여보낸다. 식물 및 진균류에는 액포가 있으며 이 세포소기관 내부는 pH가 낮으며 염과 영양분을 저장한다. 모든 진핵세포에 존재하는 페르옥시솜은 크기가 작은 세포소기관으로서 막의 지질 성분을 분해하는 역할을 한다.
진핵세포의 세포질에는 세포골격이라는 섬유성 단백질이 집적되어 있다. 세포골격을 구성하는 섬유성 단백질은 미세소관, 미세섬유 및 중간섬유 등 3종류이다. 미세소관은 튜불린 단백질이 모여서 형성된 튜불린 중합체이며 직경은 20㎛이다. 액틴으로 구성된 미세섬유의 직경은 7nm, 1개 혹은 그 이상의 막대 모양의 단백질이 모여서 형성된 중간섬유의 직경은 10nm이다. 세포 골격으로 인하여 세포는 견고하고 강직해져서 세포 형태를 유지한다. 세포골격 섬유는 세포의 구조물들이 이동하는 것을 조절한다. 예를 들어, 어떤 세포골격 섬유는 세포소기관에 연결되거나 세포소기관 및 염색체가 이동할 수 있는 도로를 만들고, 또 어떤 섬유는 세포가 운동하게 한다. 따라서 세포골격은 세포를 구조화하는데 중요한 물질이다.
셀룰로스와 다른 형태의 중합체로 구성된 식물 세포벽은 단단하며 견고하다. 진균류도 세포벽이 있는데 구성성분은 세균이나 식물 세포와는 다르다.
각 세포소기관의 막이나 내부에는 특정한 기능을 수행하는 단백질들이 있다. 세포 활동을 제대로 하려면, 세포 내의 세포소기관을 비롯한 여러 장소에 있는 많은 단백질들이 합성된 장소로부터 작용할 장소로 정확하게 이동해야 한다. 어떤 단백질은 세포질에 자유롭게 떠 있는 리보솜에서 합성되지만, 이들 단백질들 중 일부는 작용하는 장소와 기증에 따라 핵, 미토콘드리아, 엽록체 또는 페르옥시솜으로 이동한다. 세포 밖으로 분비되는 단백질이나 막단백질은 소포체에 붙어있는 리보솜에서 합성된다. 소포체는 단백질과 지질을 합성하고 가공하여 밖으로 내보낸다. 소포체에서 합성된 단백질은 골지체로 수송되는데, 단백질이 최종 목적지에 도달하기 전에 골지체에서 조금 더 변형된다. 이와 같은 경로로 이동하는 단백질은 특정한 짧은 아미노산 서열을 가지거나 올리고당과 결합하는데 이들은 단백질이 정확한 목적지에 도달할 수 있도록 도와주는 주소지와 같은 역할을 한다. 이러한 주소지 분류가 가능한 이유는 단백질을 분류하여 각종 세포의 구성요소로 수송 역할을 하는 단백질이 이러한 표식을 인식하고 결합하기 때문이다.
세포의 DNA는 염색체라는 상태로 포장되어 있다
원핵세포는 거의 모든 유전 정보를 길이가 약 1nm인 한 개의 고리형 DNA에 가지고 있다. 이 고리형 DNA는 자체적으로 여러 번 감겨 크기가 1nm인 세포의 중심부에 놓인다. 반면, 진핵세포에서 DNA는 핵 내에 자리 잡고 있으며, 여러 개의 커다란 직선형 염색체에 나뉘어 있다. 동일한 생명체에서 모든 세포 안에 존재하는 염색체의 크기 및 개수는 똑같다. 각 염색체는 단백질과 결합하고 있는 하나의 선형 DNA 분자로 이루어져 있으며, 모든 염색체에 존재하는 DNA 전부를 게놈이라 한다. 염색체는 염기성 염색 시약으로 염색되는데 세포 분열 중에만 광학 또는 전자현미경으로 관찰된다. 왜냐하면, 이 시기에 DNA는 꽉 뭉쳐져 있기 때문이다. 원핵생물의 DNA도 단백질과 결합한 상태로 존재하기 때문에 염색체라고 하지만, 세균 염색체 안에 존재하는 DNA의 배열은 진핵생물의 염색체에 존재하는 DNA의 배열과는 많이 다르다.
모든 진핵세포는 세포 주기를 이용하여 세포 분열을 조절한다
모든 진핵생물의 세포 주기는 본질적으로 동일하다. 세포 주기는 세포가 분열을 준비하고, 실제로 분열하는 일련의 과정이며 체세포 분열이라 한다. 진핵생물의 세포 주기는 일반적으로 4단계로 나뉜다. 염색체와 DNA는 S기 동안에 복제되며, 복제된 염색체는 M기 동안 나누어지게 되므로 세포 분열 동안에 각 딸세포는 각 염색체를 한 조각씩 가지게 된다. M기와 S기 사이에는 G1기와 G2기가 있는데, 이 시기에 mRNA와 단백질이 합성되어 세포 크기가 커진다.
단세포인 생명체의 경우 2개의 딸세포는 항상 그런 것은 아니지만 거의 모세포를 닮는다. 다세포 생명체에서도 세포 분열에 의하여 생성된 딸세포는 대부분 모세포와 거의 동일하다. 예를 들어, 간세포가 분열하여 새로 생성된 간세포는 모세포와 동일한 특징과 긴으을 갖3는다. 이와 같은 현상은 인슐린을 만드는 췌장 세포 경우도 마찬가지다. 그 반면에, 줄기세포 및 미분화 세포는 여러 종류의 분화된 세포를 만들 수 있다. 이런 분화 세포들이 분열할 때 생성된 딸세포가 서로 다른 경우가 있다. 이러한 비대칭 세포 분열은 인체를 구성하는 각종 세포를 만들어내는 데 결정적인 역할을 한다. 생성된 딸세포 중 어떤 것은 모세포처럼 미분화된 상태를 유지하며 여러 종류의 분화 세포를 만들 수 있는 능력을 갖추고 있고, 어떤 딸세포는 여러 번 분열하여 특정한 세포로 분화된다.
대장균과 같은 세균은 최적 조건에서 30분마다 분열하여 2개의 딸세포를 만들 수 있다. 초파리 배아세포처럼 분열하는데 7분 정도 밖에 걸리지 않는 진핵세포도 있지만, 대부분의 진핵생물은 성장하고 분열하는데 상대적으로 시간이 오래 걸린다. 더구나, 진핵생물의 세포 주기는 고도로 조절된 작용에 의해 일어난다. 이런 정교한 조절 때문에 세포 및 조직이 영양분 혹은 호르몬이 부족하여도 불균형적으로 과도하게 성장하지 못한다. 성체가 된 동물에서 신경세포나 횡문근 세포처럼 고도로 분화된 세포는 거의 분열하지 않는다. 하지만, 생명체는 항상 수명이 다 된 세포는 새로운 세포로 대체하거나 필요한 경우는 더 많은 세포를 만든다. 예를 들어, 근육이 손상된 경우나 운동을 하여 근육을 키우는 경우는 더 많은 세포가 만들어진다. 또 다른 예는 사람이 산소가 희박한 고도가 높은 곳으로 올라가면 더 많은 산소를 포획하기 위하여 적혈구 수가 증가한다. 암의 근본적인 결함은 세포의 성장과 분열을 조절하는 능력이 없다는 것이다.