미토콘드리아

미토콘드리아는 우리 세포의 에너지 공급장소로 power plant라고 할 수 있으며, 진핵세포 생물체의 세포질에 있고 원핵세포에는 없다. 미토콘드리아는 수정과정에서 오직 난자로부터 자손으로 전달된다. 미토콘드리아가 에너지 공급만 하는 것은 아니고 매우 다양한 생리×생화학 대사가 진행되는 장소이며 예정된 세포사멸 (programmed cell death, apoptosis)이라는 중요한 사건과도 밀접한 관계가 있다. 이처럼 진핵세포의 세포질에 존재하면서 독립적인 생화학 대사를 수행하는 것을 "세포 소기관 (organelle)"이라고 부른다. 미토콘드리아의 구조와 유래, 그리고 에너지 공급 및 기타 대사 반응을 설명하고 최종적으로 세포사멸과의 연관성을 소개하겠다.

목차

미토콘드리아는 마주보는 한 쌍의 인지질로 구성된 단위막이 두 층으로 둘러싸여 경계를 이룬다. 이는 세포의 경계선인 세포막은 한 층의 단위막으로 된 것과 다르다. 따라서 미토콘드리아는 외막, 내막, 그리고 기질의 세 부분으로 구성되었고 내막이 구불구불하게 기질 내부로 발달되어 협곡 (crista)처럼 존재한다 (그림 1).

그림 1. 개구리 심장근육의 미토콘드리아 (왼쪽)과 이를 그린 그림 (오른쪽) (출처: 강원대 최형태 교수님 제공)

기질에는 핵의 염색체와 별도로 이중 나선의 DNA가 존재하는데 원핵세포의 염색체와 같이 원형으로 구성된 짧은 염색체 (16,569 염기쌍)를 가지고 있고, 여기에 있는 37개의 유전자로부터 단백질 합성까지 모두 기질에서 진행된다. 이때 합성된 단백질들은 내막에 존재하는 전자전달계를 구성하는 단백질의 일부가 포함된다. 이 기질에 있는 리보좀 (단백질 합성 장소, ribosome)의 크기는 세포질에 있는 리보좀의 크기인 80S보다 작을 뿐만 나이라 원핵세포의 리보좀 70S 보다 작은 55S 크기이다 (S는 초고속원심분리에서 침강속도를 나타내는 단위인 Svedberg unit을 가리키는데 물체의 크기와 밀도와 비례함). 미토콘드리아의 리보좀 역시 큰 소단위체 (large subunit, LSU)와 작은 소단위체 (small subunt, SSU)로 구성되었는데 미토콘드리아의 리보좀이라는 표시를 위하여 mtLSU와 mtSSU로 표기한다. mtLSU는 39S의 크기를 가졌고 mtSSU는 28S의 크기를 가졌다. 생물의 진화과정에서 미토콘드리아는 에너지 대사가 활발한 작은 크기의 원핵세포가 다른 원핵세포 내부로 들어가 공생하면서 자신은 미토콘드리아로 전환되고 세포 전체는 진핵세포가 되었다는 내부공생설 (endosymbiosis)로 미토콘드리아의 기원을 설명한다 (그림 2).

그림 2. 진핵세포의 기원에 대한 내부공생설(endosymbiosis theory). 미토콘드리아가 세포 안에 내부공생하면서 진핵세포가 생기고, 식물/조류는 여기에 더해 남세균(cyanobacteria)이 진핵세포 안에 내부공생하여 엽록체가 생겼다는 설로 Lynn Margulis가 제안함 (출처: 한국미생물학회)

미토콘드라아가 담당하는 에너지 공급은 내막에 존재하는 전자전달계가 핵심이다. 전자전달계는 수소를 운반하는 수소운반자 (hydrogen carrier)와 전자만을 운반하는 전자운반자 (electron carrier)가 대체로 번갈아 배열되었고 대사의 중간물질로부터 수소를 빼앗은 (물질은 산화되고 자신은 환원된) NADH₂가 수소를 전자전달계에 전달하면서 시작된다. 수소를 받은 수소운반자가 다음의 전자운반자에게 수소를 줄 때 전자운반자는 수소를 원자핵 (수소이온, 즉 양성자)과 전자로 분해하여 양성자는 막공간으로 버리고 전자만 받는다. 다시 전자를 그 다음의 수소운반자에게 전달할 때 기질로부터 양성자를 얻어와 수소로 만들어서 전달한다. 이러한 반응이 몇 차례 계속되어 최종적으로 산소에게 전자와 함께 기질로부터 얻은 양성자를 합하여 전달하면 산소는 물로 전환되고 전자전달계는 종료된다. 이 과정에서 막공간에는 양성자의 농도가 증가하여 (기질의 양성자 농도는 감소됨) 내막을 경계로 기질과 막공간의 양성자 (수소이온) 농도가 차이를 보임에 따라 pH도 동시에 차이를 보이기 때문에 내막을 경계로 화학적 삼투압이 발생된다. 내막에 거대한 ATP 합성효소가 박혀있는데 막공간 쪽에 양성자가 들어가는 통로가 있어 그 통로로 양성자가 빠르게 이동하면 기질로 돌출된 ATP를 합성하는 부분에서 ATP를 합성한다. 포도당 한 분자로부터 세포질에서 2개의 ATP를 합성하는데 전자전달계에서 34개를 합성하므로 에너지 공장이라고 할 수 있다.

미토콘드리아의 기질에서는 구연산회로 (Krebs cycle 또는 citric acid cycle), 지방산의 베타산화 (beta-oxidation) 및 요소회로의 일부가 진행된다. 구연산회로는 세포질에서 포도당이 산화~분해되어 2개의 피루브산 (pyruvate)이 생성되고 이 산은 미토콘드리아의 기질로 이동된 후에 긴 반응을 거쳐 이산화탄소로 분해되고 NAD와 FAD에 의한 산화가 여러 차례 일어난다. 또 한 차례 ATP를 만드는 반응도 진행된다. 구연산회로의 중간물질로부터 수소를 빼앗은 NAD와 FAD는 환원되어 NADH₂와 FADH₂가 되며, 이들은 앞에 설명한 전자전달계로 자신들의 수소를 전달하여 ATP를 합성하도록 한다. 지방산의 베타산화는 중성지질이 1차로 가수분해되어 생성된 지방산이 미토콘드리아의 기질로 이동되고 이곳에서 NAD와 FAD에 의하여 산화되면서 구연산회로의 시작물질인 acetyl~CoA를 만들고 동시에 NADH₂와 FADH₂가 여러 개 생성된다. Acetyl~CoA는 구연산회로로 투입되어 에너지를 공급하고 NADH₂와 FADH₂는 전자전달계로 투입되어 또 ATP를 만든다. 우리 몸에 과량의 질소, 즉 단백질이 존재하면 단백질의 아미노기를 간 세포에서 요소로 만들고 이를 소변으로 방출하기 위하여 요소회로가 작동되는데 미토콘드리아의 기질에서 요소회로의 일부가 진행된다.

예정된 세포사멸은 올챙이의 꼬리가 없어지는 것과 태아시절에 사람의 손가락 사이에 있던 물갈퀴가 없어지는 것이 대표적이다. 그런데 어느 특정 세포가 피해를 입어 정상적인 세포활동을 할 수 없다면 그 세포가 사멸되는 과정에서 주변의 세포에게 피해를 주는 것을 예방하는 차원으로 세포가 자살하도록 유도하는 것이 밝혀졌다. 가장 대표적인 경우가 활성산소에 심하게 노출되면 세포의 유전자에 변이가 일어나거나 세포가 사멸된다. 변이가 발생되는 수준이라면 오히려 그 세포가 미리 제거되는 방향으로 세포대사가 진행되는데 활성산소가 미토콘드리아의 막에 피해를 주고, 특히 내막에 존재하는 전자전달계의 한 구성성분인 시토크롬 c (cytochrome c)가 세포질로 유출되면 이것을 신호로 세포질에 있는 강력한 단백질 분해효소의 하나인 caspase 계열이 활성화된다. 활성화된 caspase는 각종 효소를 분해함은 물론 막에 존재하는 단백질들을 포함하여 대부분의 단백질을 분해함으로써 세포가 자살하도록 유도한다. 이 세포자살은 병원균에 의하여 감염된 세포가 죽는 것 (괴사라고 부르며 necrosis라고 함)과는 변하는 미세구조에 차이를 보인다.

최형태/강원대학교

이정신/강원대학교