미토콘드리아

 

생물은 크게는 원핵생물과 진핵생물로 나뉜다. 그 둘의 차이는 핵막의 존재유무이다. 원핵 생물은 대부분 단세포이고 세균(박테리아) 혹은 조류들이 그들이다. 원핵세포에는 핵을 구분하는 핵막이 존재하지 않는다는 점이 진핵생물과의 차이점이다. 또한 세포소기관인 미토콘드리아도 가지지 않는다.

 

혹은 고세균(Archaea), 진정세균(Eubacteria), 진핵생물(Eukaryota)로 분류하기도 한다. 고세균은 소기관들이 없고 핵막이 없으며 주로 심해열수구/염전/염호/화산온천 같은 극한 환경에서 서식한다. 고세균은 크게 호염성세균(Halophiles), 메탄생성균(Methanogens), 호열성세균(Thermophiles), 호냉성세균(Psychrophiles) 로 분류된다. 진정세균도 핵막이 없고 우리가 흔히 박테리아라고 부르는 대부분의 세균들(대장균,포도상구균)이 이에 해당한다 진핵생물은 인간의 세포와 비슷하게 DNA를 핵속에 분리해서 보호하는 대부분의 동식물을 포함한다. 

 

 

 

대장균(Escherichia coli)은 대장에 살고 있는 150~400여종의 세균을 말한다. 이름만으로는 대장에 거주하는 전체 세균을 말할 듯 하지만, 실제로는 대장 전체 거주 세균들(전체 약 4000종)의 0.1%만을 차지할 뿐이다. 그 수는 인간의 총 세포수(50조 안팎으로 추정)에 필적하는 50~100조개에 이르고, 산소가 희박한 대장에 거주하면서 음식찌꺼기를 분해하여 에너지를 섭취하고 이과정에서 생성되는 비타민 K,B5,B7을 인간들이 다시 흡수한다. 1885년 독일 의사 Theodor Escherich에 의해 발견되었으며 길이 2~4um, 지름 0.25~1um 정도의 미세하고 편모운동으로 이동하는 세균이다. 인간 세포의 크기가 100~200um 정도이다.  

 

35억년전 생명체의 공통 조상(LUCA, last universal common ancestor)이 등장하고, 고세균, 세균, 진핵생물의 세 갈래로 분기된다. 이 중 진핵생물만이 다세포 생물로 진화한다. 그 이유는 에너지의 효율이 다른 두 종에 비해서 월등하다는 것이며 그 중심에는 미토콘드리아가 있다. 보통의 세균, 대장균 같은 세균이 4000개 정도의 유전자를 가지고, 진핵 생물들이 보통최소 2만개의 유전자를 가진다. 세균은 보통 유전자 복제(전사)에 전체 ATP의 2%, 단백질을 합성하는데(번역)에 75%를 사용한다. 만약 대장균이 진핵 세포가 되려면 부피가 10만~100만배 증가하므로 엄청난 에너지가 요구되지만, 보통의 원핵 세포는 자신의 세포막을 이용하여 ATP를 합성하기에 그 에너지를 감당할 수가 없다.

 

20억년전 어느날, 진핵생물의 공동 조상인 LECA(Last Eukaryotic Common Ancestor, 고세균중 로키아르카이오타로 추정)이 미토콘드리아의 직계조상인 리케차 박테리아를 흡수한다. 그러나 미토콘드리아는 해체되지 않고 그 둘은 공생의 관계를 유지한다. 미토콘드리아 노예의 헌신적인 노력(에너지를 생산하느라 내부 온도가 50도라는 고온에 달한다)으로 에너지 생산성이 비약적으로 발달하자, 세포내에 다양한 소기관들이 발생하게 되었고 결국 다세포 생물을 탄생시킨다 (15억년전). 린 마굴리스(Lynn Margulis)의 세포내 공생설에서 주장하는 내용이다.

 

 

 미토콘드리아는 자신의 유전자의 95%이상을 숙주에게 양보하고, 자신은 단지 37개의 유전자와 16,600개의 염기만을 보유하고 있다. 미토콘드리아는 내막 내외의 양성자 농도차를 이용하여 끊임없이 ATP를 생성하고 있으며, 내부 온도가 50도에 이를 정도로 고열이 발생한다. 미토콘드리아가 스트레스를 받으면 내벽에 붙은 여러가지 단백질중 Cyt C가 세포질로 방출되고 그 결과 모세포의 DNA가 심하게 손상되어 죽음에 이른다. 이를 노화와 사망의 원인으로 지적하기도 하며, 닉레인(Nick Lane)의 "미토콘드리아"라는 책에서는 죽음과 섹스가 미토콘드리아의 발명품이라고 주장한다. 즉, 젊고 건강한 육체에게 자신의 DNA를 전달하여 유전자 전쟁에서 이기기 위하여 숙주에게 섹스 욕구를 발생시키고, 노화에 따른 미토콘드리아의 부작용이 결국 짧고 화려한 숙주 생물의 죽음을 초래한다는 것이다.

 

 

TCA 회로 혹은 전자 전달계 (electron transport chain) 를 통해서 미토콘드리아는 30~36ATP를 생성한다. 에너지 효율은 40%로 인간이 만든 어떤 발전소보다 효율적이다. 쓰고 남은 열은 체온유지에 사용되므로 최고 가성비의 엔진이다.  보통 세포 1개당 평균 100개의 미토콘드리아를 보유하고 있으며, 실제로는 에너지 소모가 많은 곳일 수록 그 수가 많다.  

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성인이 하루에 60kg(2.5kg/hr,  417ml/10min)의 ATP를 충전시키고 있으며, 생성된 ATP의 보관량은 1분 사용량에 불과할 정도로, 하루 종일 미토콘드리아는 격무에 시달린다. ATP 1몰당 7.3kcal, 성인 체중 1kg당  시간당 1kcal가 필요하니, 하루 1440 kcal의 기초대사량이 필요하고 그만큼의 ATP를 생성해야 한다. 산소가 없으면, 2분 정도만 숨을 참으면 ATP 비축량이 바닥나므로, 인간은 생존할 수가 없다. 발전이 멈추는 순간, 생명은 사라진다.