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미토콘드리아

last modified: 2015-03-22 15:38:03 by Contributors


저기 액포(vacuole)[1]와 엽록체 사이에 있는 동그라미쳐진 것.

Contents

1. 개요
2. 기능
3. 기원
4. 외형 및 연구
5. 유전
6. 기타/이야깃거리
7. 관련 항목/외부 고리


1. 개요

복수형 mitochondria, 단수형 mitochondrion

진핵생물의 세포 안에 있는 세포 호흡을 담당하는 세포 소기관이다. 콘드리오솜 또는 사립체(絲粒體)라고도 하며, 겉모양이 낱알을 닮고 내부 구조가 마치 끈을 말아 놓은 것 같다고 하여 붙여진 이름이다. 이 항목에서는 가장 널리 쓰이는 명칭인 미토콘드리아를 쓰기로 하자.

2. 기능

세포는 기본적으로 생명을 유지하는 데 에너지가 필요하다. 그런데 이 에너지라는게 모든 종류의 에너지를 다 사용할 수 있는 게 아니므로(예컨대, 열 에너지나 전기 에너지 같은 것을 사용할 수는 없다) 흩어져 있는 에너지를 실제로 세포가 사용할 수 있는 에너지로 바꾸는 작용이 필요하다. 이 때, 세포가 사용할 수 있는 에너지가 바로 ATP이며[2], 유기물의 화학 에너지를 이용하여 ATP를 만드는 작용이 세포 호흡이다. 따라서 미토콘드리아는 생명 활동에 필요한 ATP를 합성하는, 즉 세포 호흡을 담당하는 세포 소기관이라고 말할 수 있다.

미토콘드리아의 이러한 작용은 발전소에 비유할 수 있다. 발전소는 연료를 태워 물을 끓여 얻은 수증기의 압력으로 터빈을 돌려 이를 전기 에너지로 바꾸는 일을 한다. 즉, 물질의 에너지 → 열 에너지 → 운동 에너지 → 전기 에너지 순으로 순차적으로 에너지로 바꿔가서 종국에는 우리가 필요한 전기 에너지를 얻게 된다. 미토콘드리아도 이와 같다. 미토콘드리아는 유기물이라는 연료를 산화시켜 얻은 에너지로 이온의 위치 에너지(농도의 차이)를 만들어 낸다. 즉, 이온을 펌프질해서 미토콘드리아 가장자리로 끌어올린다. 이렇게 위치 에너지가 만들어지면 이온들이 위치 에너지를 해소하며 에너지를 발산하는데, 이 에너지를 이용하여 ATP를 합성해 낸다. 즉, 물질의 화학 에너지 → 위치 에너지 → ATP의 순으로 차례대로 에너지 형태를 변환해 가며 최종적으로 신체가 필요한 에너지인 ATP를 합성해 낸다. (이렇게 이온의 농도 차이를 이용하여 ATP가 합성된다는 것을 '화학 삼투이론(chemiosmotic theory)'이라고 한다.)

이러한 미토콘드리아가 관여하는 일반적인 세포 호흡의 과정은 해당 작용(Glycolysis), 시트르산 회로(Citric acid cycle), 산화적 인산화(Oxidative phosphorylation)의 세 단계로 이루어진다. 간략하게 말하자면 해당 작용과 시트르산 회로에서 기질을 산화시켜 얻은 에너지를 산화적 인산화 과정에서 사용하여 ATP를 얻는 것이다. 다만, 시트르산 회로와 달리 해당과정은 미토콘드리아에서 일어나지 않는다.

미토콘드리아에 문제가 생겨 세포 호흡이 원활하게 이루어지지 않으면 신진대사율이 엄청나게 높아져서 추위를 안 타는 경우가 생기고 쓸데없는 열량 소비로 금세 마르고 쉽게 지친다. 왜냐하면 필요한 ATP가 충분히 만들어지지 않으니 이를 보충하기 위해 세포 호흡을 더 많이 해야하기 때문이다. 그 외 뇌졸중, 근육마비등의 동시다발적인 질병에 걸릴수 있다. 한편, 미토콘드리아에 돌연변이가 생겨서 청각쪽에 이상이 생기는 경우도 있다.

이렇게 미토콘드리아에 문제가 생기면 열량 소비가 많아진다는 것에 착안해서 다이어트 약이 만들어지기도 했다. 하지만 부작용이 극심해서 금지 크리. 혹시 가만히 있어도 살이 빠진다는 것에 혹해서 구해 먹고 싶은 사람도 있을 수 있는데, 별로 좋지 않은 생각이다. 왜냐하면 이 약을 먹으면 운동을 안 해도 되어서 편해지기는 커녕 운동을 하지 않고 있어도 운동을 하고 있는 것처럼 힘들게 되기 때문이다. 실감이 안 난다면 온탕에서 20분 정도 가만히 있을 때 힘이 빠지는 상태로 쭉 지낸다고 생각해 보자. 실제로 이 약 때문에 자살한 사람도 있다. 즉, 한 번 먹으면 돌이킬 수 없다는 말이다. 그리고 과량 복용하면 ATP 합성을 아예 못하게 되어서 죽을 수도 있다. 즉, 독극물이라는 말. 그러니까 편하게 살 빼려하지 말고 적절한 식이 요법과 운동으로 살을 빼자. 뭐 말만큼 쉽다면야 이런 걸 찾지도 않겠지만

3. 기원

미토콘드리아는 자체적인 DNA를 가지고 있다. 자체적인 DNA의 존재와 이중막 구조[3]는 미토콘드리아뿐만 아니라 엽록체에서도 나타나는 것으로 오래전 유기 호흡을 하는 세균과의 공생의 결과로 이루어진 데서 유래한 것으로 여겨진다. 즉, 원래 미토콘드리아나 엽록체는 또 하나의 독립적 생물 이었을 수 있다는 것이다.

그렇다고 미토콘드리아를 따로 떼어놓으면 사멸되기 때문에 일반적인 공생관계와는 다른, 필수적인 공생 관계라고 할 수 있다. 세포에게 조교당했다 공생 관계가 오래 지속되면서 원핵세포로서의 기능은 그 흔적만 조금 남기고 대부분 사라졌다. 예를 들어 자체 DNA가 있긴 하나 전사 번역은 핵DNA에 의존하기 때문에 거의 필요 없다. 하긴 미토콘드리아가 원핵생물로서 기능한다면 항생제 때문에 사람도 죽을 것이다.

이러한 미토콘드리아와 진핵생물과의 공생은 생명체의 진화에서 가장 중요한 과정이었다고 평가받는다. 기껏해야 해당작용이나 하던 생물이 완전한 세포 호흡을 할 수 있게 되었으니, 전에는 상상도 할 수 없던 고 에너지 대사가 가능해졌고, 세포는 넘쳐나는 에너지를 토대로 새로운 기능을 획득할 기회를 얻게 되었다. 인류 역사로 비유하자면 산업혁명에서의 증기기관의 발명에 비견할 정도로, 아니 그 이상 가는 대단한 일.

4. 외형 및 연구

크기는 0.2~3㎛정도이다. 모양과 크기와 수도 생물종, 세포의 종류와 역할에 따라 다양하지만 보통 너비는 0.5㎛, 길이는 2㎛ 정도 된다. 위상차 현미경을 사용하면 살아 있는 세포에서도 관찰이 가능하고, 야누스그린 B에 염색되어 다른 부분과 쉽게 구별된다. 또한 시토크롬산화효소에 대한 나디반응, 석신산탈수소효소에 의한 테트라졸리움염 환원반응으로 염색하여 검출한다.

1개의 세포에 함유된 미토콘드리아의 수는 세포의 에너지 수용에 관계되며, 보통은 세포질의 25%를 차지하고 있지만 일반적으로 호흡이 활발한 세포일수록 많은 미토콘드리아를 함유하고 있다. 예를 들어, 간세포 1개당 1,000∼3,000개, 식물세포에서는 100∼200개의 미토콘드리아를 볼 수 있다.

전자 현미경이 발달함에 따라 미토콘드리아의 미세구조가 상세하게 연구되어 있다. 또 세포 파쇄액을 원심분리한 세포분획법에 의해 미토콘드리아의 화학적 성분과 생물학적 기능이 밝혀졌다.

5. 유전

위에 언급한 바와 같이 미토콘드리아는 독립된 핵산을 가지며, 인간의 경우 모계에서 99.99% 물려받는다.[4] 이런 이유로 미토콘드리아 관련 질병은 유전된다. 또한 어머니 → 딸로 계속 전달된다는 특성을 이용하여 인류의 공통 조상을 찾는데 이용되기도 하는데, 자세한 내용은 미토콘드리아 이브를 참조할 것.

6. 기타/이야깃거리

세포생물학을 배우지 않은 중고등학생때 어정쩡한 성교육을 받고 미토콘드리아가 정자에만 있다고 생각하게 되는 경우가 많은데, 전혀 그렇지 않다. 이것은 마치 숨을 쉬지 않는데 살아있는 사람이 있다는 것과 같은 류의 생각이다. 우리 몸에서 미토콘드리아가 사라졌다고 생각하면 우리 몸은 1분도 채 버티지 못하고 사망할 것이며, 이는 다른 생물도 마찬가지이다. 다른 체세포와 비교해 봤을때 그 역할 상 미토콘드리아가 차지하는 비중이 상당히 높기때문에 강조되는것 뿐이다. 다만 세균은 미토콘드리아를 가지지 않는데, 세균은 그 본체 자체가 미토콘드리아 기능을 한다.(앞에서 미토콘드리아의 생성은 세균과의 공생 결과라고 한 점을 떠올려 보자) 물론, 미토콘드리아가 퇴화된 생물이나 절대 혐기성 세균 같은, 아주 예외적인 생물도 있다. 하지만 중요한 점은 우리가 마주칠 수 있는 거의 모든 생물은 미토콘드리아를 가진다는 점이다. (여기서 '거의'는 수사학적 엄밀성을 위한 장식 어구에 지나지 않는다. 즉, 거의라는 말에는 신경쓰지 않아도 좋다.)

7. 관련 항목/외부 고리

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  • [1] 흰색의 좌변기같은 생긴 것.
  • [2] 엄밀히는 에너지 자체가 아니라 에너지를 쉽게 사용할 수 있는, 말하자면 에너지의 화폐라고 할 수 있다. 이 문서에서는 설명의 편의를 위해 ATP를 에너지 자체인 것처럼 취급하였다.
  • [3] 세균의 세포막구조와 유사하다.
  • [4] 수정과정에서 미토콘드리아가 있는 정자의 꼬리 부분은 떨어져 나가고, DNA만 있는 머리 부분만 난자 안으로 들어가기 때문이다. 극소수의 미토콘드리아를 제외하면 대부분의 미토콘드리아는 난자가 갖고 있다.
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