Mitochondria

그럼 제가 제일 좋아하는 세포소기관인

미토콘드리아의 세계로 들어가 봅시다

우선 미토콘드리아가 뭔지 간단히 복습하고

그 후 미토콘드리아의 구조에 대해

좀 더 깊이 알아보겠습니다

세포에 대해 생각해봅시다

그냥 아무 세포가 아니라 진핵세포 말이죠

그럼 이게 세포막이 될 것이고

보통 진핵세포라고 하면
일반적으로

핵 DNA가 핵막에 둘러싸인
핵 안에 있다고 말하죠

실제로 사실이기도 하고요

그러니 막에 싸인 핵을 그려봅시다

이게 핵막이고요

여기 안에 DNA가 있고요

DNA도 그려보겠습니다

그런데 진핵세포 이야기를 할 때는

그저 핵막에 싸인 핵에 대해서만
말하는 게 아니죠

다른 막성 세포소기관에 대해서도
이야기를 하는 겁니다

그래서 핵 다음으로 세포에 중요한

막성 세포소기관을 골라본다면

아마 미토콘드리아일 겁니다

그러니 여기에 미토콘드리아도
몇 개 그려보죠

미토콘드리아 안에 그리는

꾸불꾸불한 선들이 뭔지는

조금 이따가 설명하겠습니다

그리고 사실 이건 교과서적인

이미지에 가까운데요
몇 초 혹은 몇 분 있으면

실제로 미토콘드리아에서
무슨 일이 일어나는지

더 정교하게 형상화하는
것들이 있다는 것을

배우게 될 겁니다

사실 우린 아직 우리의 질문을
모두 답하지는 않았죠

다시 한번 명확히 하자면
이것들은 미토콘드리아입니다

다시 한번 명확히 하자면
이것들은 미토콘드리아입니다

그리고 그건 복수형이지요

한 개에 대해서만 말할 때는

미토콘드리온이라고 하는데

이는 미토콘드리아의 단수형이죠

어쩌면 여러분은 이미 과거에

혹은 다른 칸 아카데미 영상에서

미토콘드리아가 세포의 ATP 생산
공장이라고 배웠을 수도 있습니다

그러니 이렇게 써보겠습니다

ATP 공장들이죠

ATP 공장들이고 만약 ATP나
세포 호흡을 다루는

다른 영상들을 보셨다면

ATP가 세포의 에너지의 화폐라고
여러 번 들으셨을 겁니다

ATP가 ATP 형태일 때에는

아데노신 삼인산이라고 하는데

여기서 인산기 한 개를 떼어내면

즉 여기서 P 하나를 떼면
에너지가 방출됩니다

그리고 그 에너지가 바로
여러분의 몸이

운동이나 사고 등
온갖 일을 하는 데에

실제로 사용하는 에너지입니다

그러니 에너지 생산에 미토콘드리아가
얼마나 중요한지 상상할 수 있겠죠

세포가 뭔가를 할 때
얼마나 중요한지요

그게 바로 근육 세포처럼 에너지를

많이 사용하는 세포에

미토콘드리아가 더 많은 이유입니다

그럼 미토콘드리아의 구조를
다루기 전에

잠시 미토콘드리아의 흥미로운
과거에 대하여 이야기하겠습니다

세포는 생명의 기본 단위로 여겨집니다

실제로 맞는 말이죠
세포설에서 그대로 갖고 온 내용이죠

그런데 사실 미토콘드리아가
세포 안으로 들어오게 된

과정에 대하여 가장 일반적으로
받아들여지는 이론에 따르면

사실 미토콘드리아의 선조들

즉 미토콘드리아의 조상들이

한때는 독립적인 개체
독립적인 미생물이었다고 합니다

즉 미토콘드리아는 박테리아와 비슷한
미생물의 후손이라는 거죠

그 미생물은 독립적으로 살면서

아마 에너지 대사를 매우 잘했을 겁니다

어쩌면 다른 것들도 잘했을 수도 있죠

그런데 진화의 과거의 어느 시점에서

이 미생물들은 현재 우리 몸을 이루는
세포의 조상들에게 흡수되었죠

미토콘드리아의 선조를 삼킨 후
진핵세포의 조상들은

삼킨 미생물을 쪼개고
소화해버리는 대신

만약 이 작은 세포들이 계속 있으면

생존에 도움이 되지 않겠냐고 한 거죠

포도당 대사에 도움이 되거나
다른 물질에서도

더 많은 에너지를 만들어내는 데에
도움이 될 것 같다고 말이죠

그래서 미토콘드리아 혹은
미토콘드리아의 조상 미생물에게

살 곳을 제공하면서 공생 관계를

맺을 수 있었던 세포들은

자연선택 등의 과정을 거치며 살아남아

오늘날 진핵세포라고 불리는

세포들이 되었죠

그리고 이제 진핵세포라 하면

미토콘드리아를 가진 것과
연관 관계가 생긴 것이죠

한 개체가 세포 단계에서도

다른 개체 안에 살면서
공생관계를 맺는다는 것이

정말 놀랍죠

그러나 이제 과거 얘기는 마무리하고
이제부터는 현재 이야기를 합시다

즉 미토콘드리아의 실제 구조가

어떤지 한 번 살펴봅시다

우선 미토콘드리아를 단순화하여

그림을 그리고 단면을 그리겠습니다

이렇게 단면을 그려 보겠습니다

만약 미토콘드리아를 반으로 자르면

이렇게 될 텐데 여기에 그린 것이

미토콘드리아의 외막이 되겠죠

즉 여기 있는 것이 바로 외막인 거죠

표기를 하도록 하겠습니다

미토콘드리아 외막

그리고 앞으로 그릴 모든 막이

전부 인지질 이중층 막입니다

그래서 만약 여기를 확대한다면

이렇게 확대를 한다면 말이죠

인지질이 두 층으로 배열된 것을
볼 수 있겠죠

즉 친수성 머리가 바깥쪽으로

즉 친수성 머리가 바깥쪽으로

향하게 될 것이고

소수성 꼬리가 안쪽으로

향할 겁니다

즉 보시다시피

이 막들이 전부 인지질 이중층인 겁니다

하지만 이 막들은 단순히
인지질로만 이뤄진 게 아닙니다

모든 막들은 온갖 단백질들이
박혀 있습니다

세포는 엄청나게 복잡한 구조인데

심지어는 미토콘드리아와 같은
소기관마저도 말하자면

흥미로운 세부구조가 있는 거죠

미토콘드리아 자체에도 온갖
신기한 단백질들이 있고

막에 박혀있는 효소들도 있어서

내부와 외부에서 일어나는 일들을

조절할 수 있는 겁니다

그 중 미토콘드리아 외막에 있는

단백질 중 포린이라는
것이 있는데

포린은 꼭 미토콘드리아에만 있는
단백질은 아닙니다

일종의 터널 역할을 하는 단백질로

구조상 외막에 구멍을

만들어주는 역할을 합니다

최대한 잘 그리려고 하고 있습니다

여기 이것들이 포린 단백질인데

흥미롭게도 포린은 큰 분자들은

수동적으로 통과시킬 수 없지만

당이나 이온과 같이 작은 분자들은

수동 수송으로 통과시킬 수 있습니다

그렇기 때문에 막 외부와 내부의

이온 농도
사실 정확히 말하자면

막 안과 밖의
작은 분자들의 농도가

비슷하게 될 것입니다

즉 외막 양쪽의 농도가 비슷해지는 거죠

그러나 미토콘드리아에서 막은

외막만 있는 것이 아닙니다

내막 또한 있지요

내막은 노란색으로 그리겠습니다

미토콘드리아는 내막도 있으며

우선 교과서적인 모델로 그려본 후

이 모델은 정확하지 않은 것으로
여겨지므로

내막 구조에 대해 추가적으로
이야기하겠습니다

어쨌든 미토콘드리아에는

내막이 있고

내막에는 접힌 구조가 있어서

표면적을 넓혀줍니다

내막에서 표면적은 정말 중요한데

이는 전자전달계의 과정이

결국 내막에서 일어나기 때문이죠

결국 내막에서 일어나기 때문이죠

그래서 표면적을 넓힘으로써

전자전달계 과정이 더 많이
일어나도록 하는 것이죠

그리고 이 접힌 구조들은 이름이 있습니다

만약 하나의 구조를 일컫는다면

이 접힘 구조 중 한 부분만 말한다면

크리스타라고 할 것입니다

그러나 만약 두 개 이상을 논한다면

크리스티라고 부를 것입니다

어떨 때는 발음을
크리스타이라고도 하는데

크리스타이든 크리스티든
크리스타의 복수형입니다

크리스타는 결국 내막의 접힘 구조이고

다시 말하지만 내막 또한

인지질 이중층입니다

내막 안쪽

정확히는 내막과 외막 사이 공간은

어떻게 부를지 감이 오지 않나요?

그 공간은 막 사이 공간이라고 합니다

아주 창의적인 이름은 아니죠

그리고 포린 덕분에

작은 분자들의 농도는

막사이공간과 미토콘드리아 밖

즉 다시 말해 세포질에서

비슷하게 나타날 것입니다

비슷하게 나타날 것입니다

그런데 내막은 포린이 없으므로

내막은 내부와 외부의 분자 농도가
다르게 됩니다

이는 전자전달계의 작동에

매우 중요합니다

전자전달계는 궁극적으로 수소에

정확히는 수소 이온의 농도 경사가

내막 외부와 내부에 생기는 것에
의존합니다

수소 이온들은 농도 경사를 따라

ATP합성효소라는 단백질 사이로
흐르는데

이 단백질은 ATP를 만들 수 있도록
도와줍니다

그러나 그 이야기는 조금 후에
혹은 다른 영상에서 더 하도록 하고

우선 미토콘드리아의 각 구조에 대해

이야기를 마무리해봅시다

내막 안쪽의 여기 있는 공간은

미토콘드리아의 기질이라고 합니다

다른 색으로 쓰도록 하죠

여기가 바로

미토콘드리아의 기질입니다

기질이라 하는 이유는 세포질보다

단백질 농도가 훨씬 높기 때문입니다

실제로 세포질보다

즉 미토콘드리아 밖보다 기질이

점성이 높습니다

즉 여기가 바로 기질인 겁니다

우리가 세포 호흡에 대하여 말할 때

세포 호흡에는 여러 단계가 있는 겁니다

우선 해당과정에 대해 알아봅시다

해당과정은 사실 세포질에서 일어납니다

즉 세포질에서 일어나는
세포호흡의 과정은

해당과정입니다

그러나 세포호흡에는 다른
중요한 과정들도 있습니다

기질에서 일어나는 과정 중

시트르산 회로
혹은 크렙스 회로가 있다는 것을

꼭 기억하세요

크렙스 회로는

미토콘드리아 내부
기질에서 일어납니다

그리고 아까 전자전달계를 언급했는데

전자전달계가 실질적으로
ATP 생산의 대부분을 맡고 있죠

전자전달계의 과정은 내막에

걸쳐져 있는 단백질들

혹은 여기 있는 크리스타에 걸친
단백질들을 통해 일어납니다

이제 됐습니다

미토콘드리아에 대하여
가장 흥미로운 점 중 하나가

아까 미토콘드리아가

고대의 독립적인 생명체에서
진화했을 것이라고 했으니

고대의 독립적인 생명체였다면

후세에 전달이 가능한 정보

즉 자신만의 유전정보가 있어야 할 겁니다

실제로 미토콘드리아는 자신만의

독립적인 유전정보를 갖고 있습니다

미토콘드리아는 DNA를 갖고 있으며

심지어는 DNA도 한 부만
있는 것이 아니라

여러 부가 있는 경우도
종종 있습니다

DNA 구조도 박테리아 DNA와
매우 유사한 고리 구조입니다

실제로 이 외에도 박테리아 DNA와

미토콘드리아 DNA의 공통점은 많고
바로 이 때문에

독립적으로 살던 미토콘드리아의 조상은

박테리아의 일종

또는 박테리아와 관련된
생명체였을 것으로 여겨집니다

그래서 여기 있는 것이 바로

미토콘드리아 DNA 고리입니다

즉 여러분 안의 DNA의 대부분은

핵의 DNA이지만 일부는

미토콘드리아 안의 DNA입니다

흥미로운 것은 미토콘드리아 DNA는

결론적으로 말하자면
어머니 쪽에서 물려받는 것입니다

난자가 수정될 때

사람의 난자에는 엄청나게 많은
미토콘드리아가 있고

여기서 당연히 난자 안에 있는

모든 것을 그리는 것은 아닙니다

당연히 난자는 핵을 비롯한
구조들이 다 있지요

정자도 미토콘드리아가 어느 정도 있는데

난자를 수정하기 위한

매우 높은 경쟁에서 이기려면

그럴 수 밖에 없겠죠

그러나 현대 이론에 따르면

정자의 미토콘드리아는 대부분

정자가 난자에 도달하면
소화되거나 녹는다고 합니다

그리고 어찌됐든 난자 자체에
미토콘드리아가 훨씬 많습니다

그래서 여러분의 미토콘드리아의 DNA는

어머니 쪽에서 결국 온 것이고

실제로 미토콘드리아 DNA는

고대의 이브를 논할 때

즉 고대의 인류 공동의 어머니를

찾을 때 이용합니다

즉 인류의 조상을 찾을 때
미토콘드리아 DNA를 쓴다는 겁니다

정말 매우 흥미로운 사실이지요

아까 말했듯이
그리고 여러분이 이제 알듯이

미토콘드리아는 자신의 DNA가 있고

자신의 DNA가 있으므로

자신의 RNA와 리보솜을 일부

합성할 수 있습니다
그래서 여기에 리보솜도 있겠죠

그러나 미토콘드리아는 자신이 가진

모든 단백질을 합성하진 않습니다

많은 단백질은 여전히

핵 DNA에 의해 암호화되고
핵 DNA를 바탕으로 생성됩니다

이러한 단백질들은 미토콘드리아 밖에서

합성된 후 안으로 이동됩니다

이렇게 미토콘드리아는 신비롭고
흥미로운 것들입니다

미토콘드리아는 세포 내에서
공생 관계를 맺으며 사는

작은 생명체이며 세포 안에서
증식할 수도 있습니다

여러분은 어떻게 느끼실지 모르겠지만
이는 정말 놀라운 사실입니다

그러나 다시 본론으로 돌아오죠

방금 소개한 모델은
아까 교과서적인 모델이라 했는데

실제로 현미경 사진으로

미토콘드리아를 관찰하면

크리스타가 그냥 접힌 구조라는

교과서적인 모델을 지지하는 것처럼
보입니다

그러나 더 높은 수준의

형상화가 가능해지자

크리스타는 단순히 내막이

기질 안으로 접혀서 고정된 구조가

아니라는 것이 밝혀졌습니다

실제로 크리스타에는
크리스타 내부와 막 사이 공간을

이어주는 작은 통로들이 있습니다

저는 이런 생각을 좋아합니다

보통 교과서를 보면
미토콘드리아를 보더라도

대수롭지 않게 여기면서
당연히 이것들이

세포의 ATP 공장이라고 말하게 되죠

하지만 미토콘드리아는 아직도
정확한 이해를 하기 위해

시각화 연구가 진행 중인 분야이고

심지어는 구조를 알기 위해
연구가 진행 중입니다

크리스타가 단순히 서로 다른 쪽에서

들어갔다 나왔다 하는 이 모델을
배플 모델이라고 합니다

배플 모델은 더 이상
실제 시각화에서

미토콘드리아의 구조로
받아들여지지 않습니다

그보다는 크리스타 교차 모델이
받아들여지고 있습니다

만약 여기서 단면을 그린다면

여기 외막과 내막을 그렸는데

여기에 크리스타 내부로

이어지는 통로들도 그리겠습니다

이처럼 크리스타 안의

실질적인 공간에 통하는

통로가 있는 모델이 더 정확하다고
여겨지고 있습니다

여러분이 생물 공부를 하면서

교과서에서 무언가를 읽을 때

사람들이 이런 것들을 알아냈구나

하는 생각을 하면서도

이 구조는 어떤 원리가 작동하는지

실제 구조가 뭘지 생각한다고
생각을 하면서

이 구조가 어떻게 이 신비롭고

흥미로운 세포소기관이
해야 하는 일을 다 하게 할까 하는

질문을 스스로 해보셨으면
좋겠습니다