미토콘드리아

모든 진핵세포에 존재하는 세포소기관으로 세포 내 에너지를 ATP 형태로 공급하는 기능을 한다. 이중막을 가지며, 자체 DNA를 가지고 있다. 자체 DNA는 한 종류의 게놈이 원형으로 여러 개 존재한다. 미토콘드리아 DNA에는 미토콘드리아의 기능을 위한 유전자가 존재하나, 이것 만으로 미토콘드리아의 활성을 유지할 수는 없고, 핵안에 존재하는 DNA의 유전정보를 필요로 한다.

미토콘드리아는 원핵세포의 특징을 가지고 있는데, 이것은 미토콘드리아가 본래 원핵세포로 존재하다가 원시진핵세포 안에 들어와 공생하게 되었다는 내부공생설(endosymbiosis)의 증거로 사용된다. 공생의 결과 미토콘드리아 자체 DNA의 일부가 핵 DNA로 전이되면서 미토콘드리아는 진핵세포 소기관의 일부로 독립적으로 존재할 수 없게 되었다.

목차

미토콘드리아는 외막과 내막 이중막을 가지고 있다. 외막과 내막 사이는 막간공간(intermembrane space)라고 하고, 내막 안쪽은 기질(matrix)라고 한다. 내막은 주름이 많은 형태를 하고 있다.

외막에는 포린(porin)이라는 막단백질이 존재하여 약 5 kDa보다 작은 분자량은 자유롭게 통과시킨다.¹⁾ 따라서, 막간공간은 미토콘드리아로 표적된 단백질을 제외하곤 세포질과 유사한 이온 및 소분자 구성을 가지고 있다.

내막에는 외막과 달리 포린 단백질이 존재하지 않아, 작은 분자들이 내막의 수송단백질을 이용하지 않고 내막 사이를  드나들 수 없다. 내막에는 또한 ATP 합성 효소와 전자전달에 관여하는 막단백질이 존재한다. 이 전자전달을 통해서 내막 내외에 수소이온(또는 양성자)농도 차이가 발생한다. 즉, 막간공간 쪽의 수소이온 농도가 기질 쪽의 수소이온 농도보다 높다. 이 농도차이를 에너지로 사용하여 내막에 존재하는 ATP 합성 효소는 ATP를 기질쪽에서 합성한다.

기질에는 미토코드리아 DNA, 리보솜, 피루브산 및 지방산 산화효소, 구연산회로(citric acid cycle, TCA cycle, Krebs cycle) 효소가 존재하여 관련 반응이 기질에서 일어나게 한다.

미토콘드리아 구조. (출처:한국식물학회)

미토콘드리아는 세포 내 에너지 생성 반응인 세포 호흡의 중추적 역할을 한다.¹⁾ 포도당을 분해하여 에너지를 만들어 내는 세포 호흡은 먼저 세포질에서 일어나는 해당과정(glycolysis)에서부터 시작한다. 이후, 해당과정을 통한 포도당의 분해산물인 피루브산이 미토콘드리아의 기질로 들어와 산화된다. 그 결과물 아세틸조효소(CoA)가 미토콘드리아의 기질에서 일어나는 구연산회로(citric acid cycle; TCA cycle; Krebs cycle)에 들어간다. 이후, 구연산회로를 통해서 아세틸조효소의 탄소결합이 분해되면서 얻어지는 NADH와 FADH₂가 미토콘드리아 내막에 존재하는 전자전달계에서 전자를 넘겨준다. 이 전자들은 전자전달계를 지나서 최종적으로 산소에 전달되어 물을 생성한다. 이때, 내막 내외에 수소이온 농도차이가 발생하고 이 농도차이를 이용하여 내막에 존재하는 ATP 합성효소가 ATP를 기질 쪽으로 만들어낸다.

미토콘드리아의 기능: 세포호흡.(출처: 한국식물학회)

1. Bruce Alberts, Alexander D. Johnson, Julian Lewis 등 (2014) Molecular Biology of the Cell. W. W. Norton&Company, New York, USA,