진화의 숨은 지배자 '미토콘드리아' 닉 레인

[문형철]

beyond reason

성인 한사람이 가지고 있는 미토콘드리아 숫자는 1경개가 넘고 

우리 몸무게의 약 10%를 차지함. 

미토콘드리아 기능부전은 모든 난치병, 만성병의 원인, 과정, 결과임

그래서 미토콘드리아 기능회복을 위한 치료 및 보충제는 모든 난치병을 위한 필요조건임

미토콘드리아는 직경 1μm, 길이 2～3μm인 원통 모양의 구조

세포핵(細胞核, Cell nucleus)은 모든 진핵생물에서 발견할 수 있는 세포 내의 기관중 가장 핵심기관이다. 히스톤 단백질과 같이 염색체를 구성하는 다양한 단백질 복합체로 된 긴 선형의 DNA로 된 유전자중 대부분의 정보를 담고 있다. 핵은 유전자가 변형되지 않게 유지하고 유전자 발현을 조절함으로써 세포의 활성을 조절하는 역할을 하며 세포 분열과 유전에 관여한다. 공 모양이거나 타원 모양인 경우가 많다. 크기는 지름이 수μm(마이크로미터)에서 20~30μm 정도가 보통이다

모든 질병의 원인, 과정, 결과는 미토콘드리아에서 에너지 대사장애와 관련되어 있다. 

닉 레인의 미토콘드리아에 대한 통찰을 살펴보자.

박테리아에서 인간으로 

진화의 숨은 지배자 '미토콘드리아'

서론

'미토콘드리아는 우리가 쓰는 에너지의 거의 전부를 ATP형태로 생산하는 아주 작은 세포소기관. 미토콘드리아는 세포마다 평균 300-400개씩 들어있으며 몸전체로 보면 1경개에 이름. 미토콘드리아는 한때 독립생활을 하던 세균이었고 동식물 세포안에서 적응하게 된 것은 약 20억년 전. 과거에는 독립된 생명체였다는 것을 알리는 훈장처럼 미토콘드리아는 유전물질 조각을 가지고 있음. mtDNA, mtRNA. 미토콘드리아와 숙주세포 사이의 뒤틀린 관계는 에너지, 성, 번식력에서 세포자살, 노화, 죽음에 이르는 전체적인 생명의 구조를 이루어냄'

미토콘드리아는 깊은 비밀을 간직하고 있는 세포내 소기관. 한마디로 생명의 에너지 생산(발전소)임. 세포는 산소를 이용해 음식물을 연소하는 장소이며 세포 하나마다 보통 수백에서 수천개의 미토콘드리아가들어있음. 미토콘드리아 1억개를 모아야 모래알 한알정도임. 

미토콘드리아의 진화는 언제나 활용이 가능하고 활발하게 움직일 수 있는 터보엔진을 생명체에 달아준 것임. 

미토콘드리아 이브(mitochondrial Eve)

미토콘드리아 이브는 모든 인류의 가장 최근 공통조상으로 추정됨. 미토콘드리아 유전자는 정자가 아닌 난자를 통해 다음세대로 전달됨. 미토콘드리아 유전자가 모계의 성과 같은 구실을 하므로 모계를 따라 조상을 추적하는 일이 가능함. 예를들어 미토콘드리아 유전자분석에 의하면 네안데르탈인은 호모 사피엔스 혈통과 섞이지 않고 유럽의 가장자리에 내몰려 멸종함. 

미토콘드리아는 법의학에도 활용되어 오래된 용의자나 변사자의 신원을 확인할때도 이용됨. 보통세포의 숫자는 거의 사라져도 세포내에 있는 수백, 수천개의 미토콘드리아는 존재하는 경우가 많음. 

미토콘드리아 노화이론

정상적인 세포호흡과정에서 미토콘드리아로부터 유출되는 자유라디칼 분자가 노화와 수많은 질병의 원인이라는 주장임. 미토콘드리아는 완벽한 위험방지장치를 갖추지 못함. 산소를 이용해 영양분을 연소시키는 동안 자유라디칼이 불똥처럼 튀어 근처에 있는 미토콘드리아, 멀리 떨어져 있는 핵 유전자까지 손상시킴. 

미토콘드리아 질환은 근육, 뇌처럼 물질대사가 활발한 조직에 영향을 미쳐 운동장애, 치매, 실명, 청력소실, 근육퇴화 문제를 일으킴. 

미토콘드리아와 난세포질 이식(ooplasmic transfer)

난세포질 이식이라고 불리는 불임시술법은 건강한 여성에게서 공여받은 난자에 들어있던 미토콘드리아를 불임여성의 난자로 옮기는 것임. '한 아버지와 두 어머니 사이에서 태어난 아기'라는 제목의 신문기사로 대서특필됨. 

미토콘드리아와 apoptosis

1990년대 중반무렵 과학자들은 아포토시스를 결정하는 것은 핵이 아니라 미토콘드리아라는 사실을 발견함. 아포토시스는 의학에서 중요한 의미를 가짐. 아포토시스를 해야 할 상황에서 아포토시스가 일어나지 않는 것이 바로 악성종양(암)이기 때문임. 많은 과학자들이 핵 유전자에 초점을 맞추는 대신 미토콘드리아를 조작할 수 있는 다양한 방법을 찾고 있음. 

그러나 숨겨진 의미는 그리 간단하지 않음. 암에 걸린 세포는 한 생명체의 일부라는 의무에서 벗어나 자유로워지고 싶어함. 

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Abstract

Mitochondria play key roles in activating apoptosis in mammalian cells. Bcl-2 family members regulate the release of proteins from the space between the mitochondrial inner and outer membrane that, once in the cytosol, activate caspase proteases that dismantle cells and signal efficient phagocytosis of cell corpses. Here we review the extensive literature on proteins released from the intermembrane space and consider genetic evidence for and against their roles in apoptosis activation. We also compare and contrast apoptosis pathways in Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, and mammals that indicate major mysteries remaining to be solved.

Keywords: 

Bcl-2, bax, cytochrome c, apoptosome, Drosophila, 

Annu Rev Genet. Author manuscript; available in PMC 2016 Feb 22.

Published in final edited form as:

Annu Rev Genet. 2009; 43: 95–118.

doi: 10.1146/annurev-genet-102108-134850

PMCID: PMC4762029

NIHMSID: NIHMS757305

PMID: 

19659442

The Role of Mitochondria in Apoptosis^*

Chunxin Wang

 and 

Richard J. Youle

Author information Copyright and License information Disclaimer

The publisher's final edited version of this article is available at 

Annu Rev Genet

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 the published article.

Abstract

Mitochondria play key roles in activating apoptosis in mammalian cells. Bcl-2 family members regulate the release of proteins from the space between the mitochondrial inner and outer membrane that, once in the cytosol, activate caspase proteases that dismantle cells and signal efficient phagocytosis of cell corpses. Here we review the extensive literature on proteins released from the intermembrane space and consider genetic evidence for and against their roles in apoptosis activation. We also compare and contrast apoptosis pathways in Caenorhabditis elegans, Drosophila melanogaster, and mammals that indicate major mysteries remaining to be solved.

Keywords: 

Bcl-2, bax, cytochrome c, apoptosome, Drosophila, Caenorhabditis elegans

자유롭게 살 수 있는 세포가 죽음이라는 형벌을 감수하면서 더 커다란 세포집단의 일원으로 살고자 한 이유는 무엇이었을까? 왜 둘중 하나를 선택할 수 있을때 독립생활을 선택하지 않았을까?  아포토시스가 없었다면 세포들을 연결해 다세포 생물, 조직, 기관을 만들어주는 결속력은 생기지 못했을 것임. 그리고 아포토시스는 미토콘드리아에 의해 일어나기 때문에 다세포 생물은 미토콘드리아가 없으면 존재할 수 없음. 

미토콘드리아와 진핵세포의 기원

복잡한 진핵세포가 어떻게 만들어졌을까? 지금까지 통설은 조금씩 진화를 거듭하던 원시세포가 어느날 세균하나를 집어삼켰고 이 세균이 몇세대를 거치면서 세포에 종속되어가다가 마침내 세포의 일부가 되면서 미토콘드리아로 진화되었다는 것임. 

미토콘드리아와 성별

미토콘드리아가 없었다면 성의 구분은 없었을 것임. 우리에게 두가지 성이 필요한 이유는 여성은 난자를통해 자신의 미토콘드리아를 전달하도록 분화되었지만 남성은 정자를 통해 자신의 미토콘드리아를 전달하지 못하도록 분화되었음. 

미토콘드리아와 유전자

미토콘드리아에 유전자가 남아있다는 사실은 흥미로움. 미토콘드리아 유전자를 비교해 우리 조상을 추적하고 미토콘드리아 이브를 찾아내거나 서로 다른 종 사이의 유전관계를 밝히기도 함. 

종합해보면 생명의 기원자체에서 시작해 복잡한 세포와 다세포 생물의 탄생을 거쳐 몸집의 대형화, 성의분화, 항온동물의 출현, 노화와 죽음에 이르는 진화의 전체 궤적을 매끄럽게 이어주는 근거를 제공함. 

미토콘드리아는 복잡한 생물로 발전해가는 진화의 열쇠를 쥐고 있음. 이 책에서는 미토콘드리아가 생명의 다양성을 왜 만들어 내는지, 우리의 삶을 어떻게 변화시키는지 살펴볼 것임. 미토콘드리아가 세상의 숨은 지배자가 되어 에너지와 성, 죽음을 마음대로 조종하는 이유를 알게 될 것임. 

1. 희망적인 괴물 : 진핵세포의 기원

지구에 사는 다세포 생물은 모두 핵이 있는 세포인 진핵세포로 이루어짐. 이 복잡한 세포의 진화과정은 신비에 싸여 있으며 생명의 역사에서 가장 기적같은 현상임. 가장 결정적인 순간은 핵이 형성된 순간이 아니라 '두 세포가 하나가 된 순간'임. 한세포가 다른 세포를 집어삼키면서 미토콘드리아를 품은 전체불명의 세포가 나타난 것임. 

1970년대 후반 열수분출공에서 살아가는 세균이 발견됨. 이들은 태양에너지와 산소로 살아가는 것이 아니라 지하 고온 생물권에서 자급자족하며 살아감. 

..메탄생성고세균은 수소와 이산화탄소를 이용해 메탄기체를 만들며 살아감. 수소는 산소와 결합하여 물을 형성하므로 산소가 풍부한 환경에서는 수소기체가 존재하기 어려움. 메탄생성고세균은 산소가 없는 화산활동이 일어나는 곳처럼 수소가 계속 공급되는 곳에서만 살아갈 수 있음.

황산염환원세균은 황산염을 황화수소로 바꾸며(환원시키며) 살아감. 황화수소는 썩은 달걀냄새와 비슷한 냄새를 풍기는 기체임. 황산염환원세균도 수소기체를 이용하므로 메탄생성고세균과 경쟁을 했음. 

.. 진핵생물 진화의 주인공은 핵이며 미토콘드리아는 장식품으로 여겨졌었음. 하지만 미토콘드리아를 획득한 사건은 이미 유전자로 가득찬 핵을 갖고 있던 복잡한 진핵세포에 당순히 충분한 동력을 공급하는 일보다 더 중요성이 있음. 만약 미토콘드리아와의 연합이 일어나지 않았다면 어떠한 생명체도 현재와 같이 진화하지 못했을 것임. 

미토콘드리아는 어떻게 진화된 것일까? 

세균과 비교했을때 진핵세포는 매우 큰편임. 크기는 10-100배, 부피는 1-10만배. 유전자 규모도 세균보다 진핵세포의 DNA수가 훨씬 많음(수십만배). DNA를 유지하려면 많은 에너지가 필요하고 이 에너지는 세포분열 환경과 분열속도에 영향을 줌. 

짧은 여행 - 세균에서 진핵생물까지

진핵세포와 세균은 본래 같은 구성물질(핵산, 단백질, 지질, 탄수화물)로 이루어져 있음. 진핵세포와 세균의 유전암호는 완전히 일치하며 막을 구성하는 물질도 비슷함. 하지만 진핵세포는 세균보다  부피가 1-10만배크고, 핵과 많 막구조와 세포소기관을 가지고 있음. 

진핵생물은 먹이를 찾아다니다가 세균을 통째로 삼키는 일이 가능함. 

진핵세포의 기원 - Mainstream view와 수소가설(hydrogen hypothesis)가 있음. 

03. 수소가설

.. 미토콘드리아 없이는 진핵생물이 될 수 없음. 미토콘드리아가 없는 원생동물은 수천종임. 그러나 아주 예전에 한번이라도 미토콘드리아를 가진 적이 없는 진핵생물은 없는 것으로 보임. 만약  진핵세포가 되는 유일한 길이 미토콘드리를 품는 것밖에 없다면 진핵세포는 미토콘드리아의 세균조상과 숙주세포 사이의 공생으로부터 정교하게 만들어졌을 것임. 

1998년 빌 마틴의 수소가설

미토콘드리아와 비슷하게 생긴 하이드로게노솜( Hydrogenosome)이라는 세포소기관이 에너지 대사의 부산물로 수소를 만든다는 것임. 하이드로게노솜은 원시적인 단세포 진핵생물에서 주로 발견됨. 아케조아의 후보가운데 하나였던 트리코모나스 바지날리스도 하이드로게노솜을 갖고 있음. 미토콘드리아처럼 하이드로게노솜은 에너지 생산을 담당함. 그러나 이들의 에너지 생산방법은 조금 달라서 부산물로 수소기체를 내놓음. 

A hydrogenosome is a membrane-enclosed organelle of some anaerobic ciliates, trichomonads, fungi, and animals. The hydrogenosomes of trichomonads (the most studied of the hydrogenosome-containing microorganisms) produce molecular hydrogen, acetate, carbon dioxide and ATP by the combined actions of pyruvate:ferredoxin oxido-reductase, hydrogenase, acetate:succinate CoA transferase and succinate thiokinase. Superoxide dismutase, malate dehydrogenase (decarboxylating), ferredoxin, adenylate kinase and NADH:ferredoxin oxido-reductase are also localized in the hydrogenosome. It is nearly universally accepted that hydrogenosomes evolved from mitochondria.

In 2010, scientists reported their discovery of the first known anaerobic metazoans with hydrogenosome-like organelles.

.. 최초의 진핵세포를 만들어낸 공생관계를 시작한 세균이 무엇이 되었든 미토콘드리아와 하이드로게노솜이 모두 그 후손이라는 뜻임. .. 마틴은 때때로 하이드로게노솜을 갖고 있는 진핵생물이 작은 메탄생성고세균의 숙주구실을 한다는 사실에 매료됨. 메탄생성 고세균은 숙주세포안으로 들어가 그 안에서 잘 살고 있었음. 고세균은 하리드로게노솜을 돌보는 것처럼 함께 나란히 늘어서 있음. 이들은 일종의 물질대사 연합을 이루어 살고 있었음. 메탄생성고세균은 특이하게 이산화탄소와 수소만 있으면 에너지뿐아니라 살아가는데 필요한 모든 유기물질까지 스스로 만들어낼 수 있음. 

이들은 이산화탄소(Co2)에 수소원자(H)를 결합시켜 포도당(C6H12O6)같은 탄수화물을 만드는데 필요한 기본적인 구성단위를 생산하고 이것으로 핵산과 단백질, 지질을 모두 만들어낼 수 있음. 메탄생성고세균은 에너지를 만들어낼때도 수소와 이산화탄소를 이용하며 그 과정에서 메탄을 내놓음. .. 하이드로게노솜은 메탄생성고세균이 필요한 바로 그 수소기체와 이산화탄소 모두를 대사과정에서 내놓음. 게다가더 중요한 사실은 하이드로게노솜은 물질대사를 할때 산소를 필요로 하지 않음. . 당연히 메탄생성고세균은 하이드로게노솜을 잘 돌볼수 밖에 없음. 마틴과 뮐러는 이런 밀접한 물질대사의 결합이 원래 진핵생물 연합의 토대가 되었을 것이라고 가설을 세움.

.. 많은 단세포 진핵생물이 산소가 없는 곳에서 활동하는 미토콘드리아를 가지고 있음. 이 '혐기성 미토콘드리아'는 양분을 태울때 산소대신 질산염이나 아질산염같은 간단한 화합물을 이용함. 

.. 미토콘드리아와 하이드로게노솜에서 ATP수송을 담당하는 막펌프도 같은 조상에서 유래한 것으로 추측됨. 황-철 호흡단백질의 합성에 필요한 효소도 공통조상에서 유래한 것으로 여겨짐. 

... 산소량이 증가했을때 황산염환원세균도 따라서 증가했을 것임. 만약 오늘날처럼 메탄생성고세균이 이 대식가 황산염세균과 경쟁할 수 없었다면 메탄생성고세균은 수소결핍에 시달렸을 것임. 바로 이점때문에 메탄생성고세균이 로도박터같은 수소생성세균과 밀접한 관계를 맺었을 것임. 

..수면으로 올라오고 나서야 이들은 산소호흡 유전자가 아주 쓸모가 많다는 사실을 알게됨. 진핵생물은 사이가 좋지 않던 두 미생물 사이의 불공정한 경쟁을 통해 당당히 등장함. 

2. 생명의 힘 : 양성자 동력과 생명의 기원

미토콘드리아 내부에서 일어나는 에너지 생산과정은 생물학에서는 가장 기이한 메커니즘으로 그 발견은 다윈, 아인슈타인의 발견에 견줄만 함. 미토콘드리아는 몇 나노미터 두께의 생체막을 통해 양성자를 수송함으로써 전위차를 만들어 동력(ATP)를 생산함. 이 파격적인 메커니즘은 DNA처럼 생명의 근본이 되며 지구상에 있는 모든 생명의 기원을 꿰뚫어볼수 있게 해줌.

에너지와 생명은 떼려야 뗄 수 없는 관계임. 숨을 멈추면 생명을 유지하는데 필요한 에너지를 생산하지 못해 사망함. 호흡동안에 들어오는 산소는 우리몸 구석구석에 있는 60조개의 세포로 전달되며 세포에서는 세포호흡을 통해 포도당이 산화됨. 우리 몸은 에너지가 넘치는 기계장치의 사슬임. 단위질량을 비교했을때 태양이 생산하는 에너지보다 1만배가 넘는 에너지를 생산함. 

현미경으로 세포를 관찰하면 모두 생명력이 넘침. 세포는 기계처럼 혼자 윙윙 돌아가며 특별한 임무를 수행하기 위한 에너지를 전달함. 그 에너지는 운동이나 복제하는데 이용되기도 하고 세포내 물질을 만들거나 세포밖으로 분자를 내보내는 일을 맡기도 함. 이 과정에 에너지가 필요함. 

분자생물학자들의 표현에 의하면 생명은 곧 '정보전달 시스템'임. 정보는 단백질과 세포, 몸을 구성하기 위한 설계도인 유전자에 암호화되어 있음. 유전물질인 DNA 이중나선 구조는 정보시대를 상징하는 기호가 되었음. ... 세포에 필요한 에너지에 관한 이야기는 DNA에 완전히 밀려버림. .. 1978년 노벨화학상을 수상한 생체에너지론의 거장 '피터 미첼'의 이름은 왓슨만큼 유명해야 마땅한데도 우리에게는 친숙하지 않음. 

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수상 업적

The Nobel Prize in Chemistry 1978 was awarded to Peter Mitchell “for his contribution to the understanding of biological energy transfer through the formulation of the chemiosmotic theory”.

1978년 노벨 화학상은 “화학 삼투설의 공식화를 통한 생물학적 에너지 이동 과정 해명”으로 피터 D. 미첼에게 수여되었습니다.

수상 추천문

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분.
피터 미첼 교수가 올해 노벨 화학상을 받을 것은 최근 생체공학에서 자주 언급되는 생화학의 한 분야와 관련 있는데, 이 생체공학은 살아 있는 세포에 에너지를 공급하는 화학과정을 연구하는 것입니다.

모든 살아 있는 유기물은 생존하기 위해 에너지가 필요합니다. 근육운동, 사고과정, 성장, 그리고 재생은 모두 에너지를 요구하는 생물학적 활동의 예입니다. 오늘날 우리는 모든 살아 있는 세포가 적당한 촉매를 통해 환경으로부터 에너지를 만들어 내고, 이 에너지를 생물학적으로 유용한 화합물 형태로 바꾸어 에너지가 필요한 여러 과정에 사용한다는 것을 알고 있습니다.

녹색식물을 비롯한 광합성 유기체는 지구 위에 모든 생명을 위한 일차적인 에너지를 햇빛에서 직접 얻어내어 이산화탄소와 물을 유기화합물로 바꾸는 데 필요한 에너지로 사용합니다. 모든 동물과 많은 박테리아를 포함하는 그 밖의 유기체는 그들의 환경에서 영양분으로 먹는 유기화합물에 의존합니다. 이 화합물은 세포호흡이라 부르는 과정을 통해 대기에 있는 산소를 이용하여 에너지를 방출하면서 이산화탄소와 물로 산화됩니다. 호흡과 광합성은 모두 연속적인 산화―환원(혹은 전자이동) 반응을 포함하는데, 여기서 에너지가 방출되고, 이 에너지는 아데노신 다이포스페이트`ADP와 무기인산염으로부터 아데노신 트라이포스페이트`ATP를 합성하는 데 사용됩니다. 이 과정들을 보통 산화 및 광합성 인산화 반응이라고 부르는데, 두 과정 모두 전형적으로 세포막과 관련됩니다. 더 고등한 세포에서는 미토콘드리아와 엽록체라고 부르는 막으로 둘러싸인 특별한 세포기관에서 일어나는 반면, 박테리아에서는 두 과정 모두 세포막과 관련되어 있습니다.

ATP는 살아 있는 세포의 보편적인 에너지 화폐와 같습니다. 이 물질은 다양한 효소들에 의해 나누어지는데, 이때 방출된 에너지는 에너지가 필요한 여러 과정에 사용됩니다. 그래서 산화 및 광합성 인산화 반응을 통하여 생성되는 ATP가 살아 있는 세포의 에너지 공급원으로서 기본적인 역할을 하게 됩니다. 이 개념은 1950년대 중반쯤 널리 알려졌지만 전자이동이 산화 및 광합성 인산화 반응에서 ATP 합성과 연결되는 정확한 메커니즘은 알려지지 않았습니다. 이에 대한 많은 가설이 세워졌는데, 그중 대부분은 전자이동과 ATP `합성시스템 사이에 중간물질이 존재하며 이것은 잘 정의된 구조를 갖는 ‘에너지가 풍부한’ 화합물이라는 것이었습니다. 그러나 많은 실험을 통한 집중적인 노력에도 불구하고 이와 같은 가정에 대한 아무런 실험적 증거를 얻을 수 없었습니다. 더욱이 이 가설들은 산화 및 광합성 인산화 반응에 필요한 막에 대한 합리적인 설명을 하지 못했습니다.

이런 상황에서 피터 미첼 교수는 1961년 화학삼투 가설을 주장하였습니다. 이 가설의 기본적 생각은 전자이동과 ATP `합성 효소가 잘 배열된 막에 자리 잡고 있어서 막을 통과하는 양전하를 띤 수소이온, 즉 양성자의 방향적 이동과 기능적으로 연결되어 있다는 것입니다. 즉 전자이동이 막을 가로질러서 전기화학적인 양성자의 차이를 만들어 내는데 이것이 ATP 합성의 추진력으로 작용하는 것입니다. 이때 양성자 차이를 만들기 위해서는 막 자체가 양성자를 통과시키지 말아야 하며, 이것으로 산화 및 광합성 인산화 반응에서 막 구조가 필요하다는 가설을 설명할 수 있습니다.

화학삼투 가설은 이례적이고 상당한 물의를 일으켰으며 거의 실험적 증거에 기초하지 않아 그 분야의 많은 연구자들에게 조건부로 받아 들여졌습니다. 그러나 바로 이런 특징 때문에 가설은 수많은 연구 활동을 자극하였으며 지난 10년 동안 화학삼투는 문헌과 학회에서, 그리고 전 세계의 여러 실험실에서 생명공학 분야의 주요 문제가 되었다고 해도 과언이 아닙니다. 그 결과 제니퍼 모일 박사와 공동 연구를 진행하였으며 미첼 교수 자신의 실험실과 그의 가설을 강력하게 지지하는 다른 실험실로부터 수많은 실험 데이터가 모아졌습니다. 사실 화학삼투 가설의 기본적인 가정은 오늘날 실제적으로 증명되었다고 생각하며 이것이 세포생명공학의 기본적인 이론을 만들었습니다.

전자이동과 ATP 합성시스템에 의해 양성자가 반응하고 위치를 변경하는 자세한 메커니즘을 이해하는 데에는 더 많은 연구가 필요합니다. 그러나 양성자 운동력에 의한 전송, 혹은 최근 미첼이 ‘양성자흐름proticity’(전기electricity에서 유추한 말)이라고 부르는 것의 원리는 산화 및 광합성 인산화 반응에 포함된 것 이상의 넓은 생물학적 과정에 활용되는 것이 이미 확실해졌습니다. 박테리아 세포의 영양분 섭취, 이온과 대사산물의 세포 간 이동, 생합성을 위한 환원력의 생성, 생물학적 열 생산, 박테리아 운동, 그리고 주화성 등은 양성자흐름으로 일어난다고 알려진 것으로 에너지를 필요로 하는 생물학적 과정의 좋은 예입니다.

마지막으로 이 연구의 실용적인 측면을 언급하겠습니다. 막에 결합된 에너지 전달 효소는 아주 잘 구성되어 있어 전기화학적 퍼텐셜을 생성할 수 있다는 발견이 가장 실제적인 관심사입니다. 엽록체, 미토콘드리아, 그리고 박테리아는 자연발생적인 태양전지와 연료전지로 고려될 수 있는데, 현재 에너지 기술 분야의 좋은 모델로 그리고 미래에는 실용화된 도구로 사용될 수 있을 것입니다. 다시금 자연은 발명에서 인간을 앞서고 있으며, 자연은 수백만 년의 경험으로 삶을 위해 매일 사투하는 우리를 돕고 있음을 확인할 수 있습니다.

미첼 교수님.
교수님은 창의력과 용기 그리고 인내를 가지고 생화학의 고전적 분야중 하나에 혁신을 일으켰습니다. 교수님의 화학삼투이론은 생명공학의 근본적인 문제에 대하여 새로운 통찰력을 일깨워 준 획기적인 발견이었습니다. 앞으로 세부적인 사항들이 조정되고 완성되어야 하지만 교수님이 세운 구조물은 굳건할 것입니다. 교수님의 뛰어난 업적에 대하여 스웨덴 왕립과학원의 축하를 전하게 된 것은 저에게 큰 기쁨이며 영광입니다. 이제 전하로부터 1978년 노벨 화학상을 받으시기 바랍니다.

스웨덴 왕립과학원 라르스 에른스테르

세포호흡의 의미

라부아지에의 글

'호흡은 탄소와 수소가 천천히 연소되는 현상으로 등불이나 촛불이 타는 것과 모든 면에서 흡사하다. 이와 같은 관점에서 숨을 쉬고 있는 동물은 살아있는 연소체다. .. 동물의 몸을 이루는 주성분인 혈액은 이 연료를 운반한다. 만약 어떤 동물이 호흡으로 쓰여 없어지는 것만큼 음식물을 섭취해 연료를 계속 새로 보충해주지 않는다면 연료가 다 닳아 등불이 꺼져버리듯 동물도 죽고 말 것이다'

호흡을 할때 일어나는 포도당의 연소는 일종의 전기화학적인 반응으로 정확히 말하면 산화(oxidation)반응임. 물질이 산화된다는 것은 전자를 잃는다는 뜻이고 산소는 강력한 산화제임. 전자를 끌어당기려고 하는 화학적인 욕구가 강해 포도당이나 철같은 물질로부터 전자를 끌어냄. 

반대로 물질이 전자를 얻는 것은 환원된다고 함. 산소는 포도당이나 철로부터 나온 전자를 얻었기 때문에 물로 환원된 것임. 

포도당의 산화란 '전자 두개와 양성자 두개가 포도당에서 산소로 이동하는 과정'임. 산화와 환원은 동시에 일어남. 전자는 따로 떨어져 안정된 상태로 있을 수 없기 때문에 다른 화합물로부터 얻을 수 밖에 없음. 한쪽이 산화되는 사이 다른쪽에서는 동시에 환원이 일어나기 때문에 한분자로부터 다른 분자로 전자가 이동하는 반응은 모두 '산화-환원반응'임. 

본질적으로 생물체가 에너지를 생산하는 과정에서 일어나는 반응은 모두 산화환원반응임. 이때 꼭 산소가 필요한 것은 아님. 화학반응 중에는 전자는 이동하지만 산소와는 연관이 없는 산화환원반응이 많음. 

우리는 연료를 태워 단순히 열로만 에너지를 방출하는 것이 아니라 뛰고 생각하고 근육을 만드는 등의 에너지로 사용함. 이 모든 작업은 저절로 일어나는게 아니라 에너지가 필요하기 때문에 일(work)로 정의할 수 있음. 

포도당은 산소가 있어도 저절로 연소되지 않음. 촉매가 있어야 함. .. 철을 포함하면서 산소와 가역적으로 결합할 수 있는 복합체 가운데 하나는 바로 헤모글로빈임. 헤모글로빈같은 혈색소가 색이 있는 까닭은 특정한 색을 띠는 빛은 흡수하고 나머지 빛은 다시 반사하기 때문임. 

1920년대가 끝날 무렵 세포에서 일어나는 발효가 에너지를 만들어내기 위한 과정이라는 것이 확실해짐.발효는 세포의 예비에너지 공급원으로 대게 주에너지 공급원인 산소호흡이 잘 일어나지 않을때 일어남. 따라서 발효와 호흡은 둘다 세포에 에너지를 공급하는 같은 목적을 수행하는 것으로 확인됨. 차이가 있다면 발효는 산소가 없을때 일어나고 호흡은 산소가 있을때 일어난다는 것임. 

1929년 카를 로만 'ATP'발견

로만은 발효가 ATP(아데노신삼인산) 합성과 연관이 있음을 밝혀냄. ATP는 이용되기 전까지 세포에 몇시간 동안 저장될 수 있음. ATP는 아데노신에 인산기 세개가 잇달아 연결된 약간 불안정한 구조를 하고 있음. ATP로부터 맨끝에 있는 인산기가 떨어져 나올때 많은 양의 에너지가 방출되며 이 에너지가 수많은 생물학적인 일을 하는데 필요한 동력으로 쓰임. 

아데노신 삼인산(영어: adenosine triphosphate, ATP)은 근육 수축, 신경세포에서 흥분의 전도, 물질 합성 등 살아있는 세포에서 다양한 생명 활동을 수행하기 위해 에너지를 공급하는 유기 화합물이다. 모든 생명체에서 발견되는 ATP는 종종 세포 내 에너지 전달의 "분자 단위의 에너지 화폐"라고 불린다.

 대사 과정에서 ATP가 소비되면 아데노신 이인산(ADP) 또는 아데노신 일인산(AMP)으로 전환된다. 다른 대사 과정들은 인체가 매일 생명활동에 쓰이는 ATP를 충당할 수 있도록 ATP를 재생한다.

 또한, ATP는 DNA와 RNA의 전구물질이며, 조효소로도 사용된다

ATP hydrolysis is the catabolic reaction process by which chemical energy that has been stored in the high-energy phosphoanhydride bonds in adenosine triphosphate (ATP) is released by splitting these bonds, for example in muscles, by producing work in the form of mechanical energy. The product is adenosine diphosphate (ADP) and an inorganic phosphate, orthophosphate (P

). ADP can be further hydrolyzed to give energy, adenosine monophosphate (AMP), and another orthophosphate (P

).

 ATP hydrolysis is the final link between the energy derived from food or sunlight and useful work such as muscle contraction, the establishment of electrochemical gradients across membranes, and biosynthetic processes necessary to maintain life.

1930년 플라디미르 엥겔하르트 '근육수축시 ATP 필요함을 밝혀냄'

ATP를 공급받지 못하면 근육은 사후강직이 일어날때처럼 팽팽한 긴장상태에 놓임. 근섬유가 ATP를 분해하면 근육이 다시 이완과 수축을 하는데 필요한 에너지가 방출되고 아데노신이인산(ADP)과 인산이 됨. 

ATP ---> ADP +P + 에너지

세포에 공급되는 ATP는 한정되어 있기 때문에 새로운 ATP를 공급하려면 ADP와 인산으로부터 끊임없이 ATP를 재생산해야만 하며 그러기 위해서는 에너지가 필요함. 이반응은 앞에 나온 반응식에서 화학표방향을 거꾸로 한것과 같음. 발효기능은 바로 ATP를 재생산하는데 필요한 에너지를 공급하는 것이며 포도당 한분자를 젖산 발표시키면 2개의 ATP가 만들어짐. 

1940년대에는 ATP가 발효와 호흡을 통해서만 만들어지는 것으로 알려졌지만 1950년대에 광합성이 보태짐. 그래서 생명의 3대 에너지 경로인 '호흡, 발효, 광합성'에서 모두 ATP가 생성된다는 사실은 생명의 기본 통일 성을 보여주는 또 다른 뜻깊은 본보기임. 

세포속에는 ATP가 ADP보다 압도적으로 많음. 만약 ATP와 ADP를 시험관에 넣고 며칠동안 두면 이 혼합물은 ADP와 인산으로 분해될 것임. 그러나 세포속에서는 완전히 정반대 현상이 일어나서 ADP와 인산이 거의 모두 ATP로 전환됨. 이는 오르막으로 물을 끌어 올리는 일과 비슷함. 산꼭대기로 물을 끌어 올리려면 많은 에너지가 듬. 그러나 산 정상에 물을 채워두기만 하면 엄청난 위치에너지를 얻게 됨. 세포에서 ADP는 ATP형태로 위치에너지를 저장하기 위해 끊임없이 높은 곳으로 끌어 올려짐. 이 에너지를 공급하는 것이 호흡과 발효의 일임. 호흡과 발효로 발생하는 에너지는 세포안의 ATP를 고농도로 유지하는데 쓰임. 이는 정상적인 화학평형을 거스르는 현상임. 

미토콘드리아 내막을 전자현미경으로 관찰하면 3만개나 되는 ATP효소가 마치 버섯이 돋아난 것처럼 막안에 박혀 있음. 

호흡에서 알려진 유일한 반응은 전자가 호흡연쇄를 따라 전달될때 일어나는 산화-환원반응임. 

한분자의 포도당에서 만들어지는 ATP 갯수는 28~38개. 일정하지 않음. 전자가 호흡연쇄를 통과하면 2~3개의 ATP가 만들어짐. 

양성자 동력(Proton Motif Force)

전자전달계(電子傳達系, electron transport chain,ETC)란 생명체의 광합성과 호흡과정 중 고에너지 전자가 연쇄적인 산화-환원을 거치며 이동하는 반응계를 뜻한다. 고에너지 전자는 전자전달계를 타고 이동하면서 미토콘드리아의 막간 강이나 엽록체의 틸라코이드 루멘으로 양성자를 펌핑함으로써 농도 기울기를 형성한다. 이로 인해 발생하는 양성자 구동력(Proton Motif Force, PMF)은 생화학적인 삼투압 방법으로 ATP를 생성하는데 이용된다. 이것을 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)라고 부르고, 해당과정 등은 기질수준 인산화(substrate-level phosphorylation)라고 부른다. 이러한 ETC는 일반적인 해당과정 및 시트르산 회로의 포도당 산화 전과정을 전제하고 있다.

세균은 기본적으로 양성자 동력을 이용함. ATP를 보편적인 에너지 통화라고 하지만 세포의 모든 곳에서쓰이지 않음. 세균의 항상성 유지와 운동에는 ATP보다는 주로 양성자 동력이 쓰임. 이처럼 생명유지를 위해 꼭 필요한 곳에 양성자 동력이 쓰인다는 사실에서 호흡연쇄가 ATP합성에 필요한 것보다 더 많은 양성자를 내보내는 이유가 설명되며 이와함께 전자 한개가 호흡연쇄를 통과할때 만들어지는 ATP분자가 몇개인지 결정할 수 없는 이유도 설명함. 

미첼에 따르면 호흡연쇄가 하는 일은 바로 막너머 양성자를 수송해 건너편에 양성자 저장소를 만드는 것임. 여기서 막은 댐과 같음. 이 댐에 갇혀 양성자의 압력이 높아지면 양성자가 조금씩 방출되고 이때 ATP를 형성한다는 것임. 

막은 양성자를 통과시키지 못하므로 역류는 거의 없으며 막 바깥쪽에는 양성자가 저장됨. 양성자는 양전하를 띠기 때문에 양성자 기울기에는 전기적인 성질과 농도적인 성질이 모두 존재함. 전기적인 성질은 막을 사이에 두고 전위차를 만드는 반면 농도적인 성질은 양성자 농도차이 곧 산성도의 차이와 전위차가결합된 이 힘을 '양성자 동력'이라고 함. 이 힘이 바로 ATP 합성을 일으키는 원동력임. 

세포호흡의 깊은 의미

호흡은 양성자 펌프를 이용해 에너지를 생산함. 산화환원반응에 의해 만들어지는 에너지는 막을 통해 양성자를 수송하는데 쓰임. 막을 사이에 두고 양성자는 약 150밀리볼트의 전압을 만들어냄. 이 양성자 동력은 ATP효소라는 전동기를 돌려 모든 생명체가 공통으로 쓰고 있는 에너지 통화인 ATP를 생산함.

양성자 동력의 중요성은 ATP를 쓰면서까지 양성자를 내보내기 위해 거꾸로 돌아가는 ATP효소의 기이한 특성도 설명함. ATP 효소가 거꾸로 돌아가면 세포에 저장된 ATP가 빠르게 빠져나가기 때문에 얼핏 생각하면 손해처럼 보임. 그러나 양성자 동력이 ATP보다 더 중요하다는 사실을 깨닫고 나면 이 현상이 이해되기 시작함. 

양성자 동력은 보통 호흡을 통해 충전됨. 그러나 만약 호흡을 하지 못하게 되면 세균은 발효를 통해 ATP를 생산함. 이제 모든 것은 거꾸로 돌아감. 즉각 ATP효소는 방금 만든 ATP를 분해해 이때 나온 에너지를 막 건너편으로 양성자를 보내는데 이용함. 양성자를 충전시켜 역장을 일정수준까지 긴급 복구하는 것임. DNA복제같은 중요한 일을 포함해 ATP에 의존하는 모든 작용은 양성자 기울기가 복구될때까지 기다려야만 함. 이 상황으로 볼때 발효의 주 목적은 양성자 동력을 유지하는 것이라고 말할 수 있음. 양성자 동력을 유지하는 일이 세포에서 일어나는 다른 중요한 작용 즉 DNA복제같은 것보다 훨씬 중요하다는 것임. 

양성자 펌프는 세균이 생명을 유지하는데 무엇보다 중요한 기본 장치임. 이는 생명의 세 영역에서 모두다 일어나며 모든 형태의 호흡과 광합성뿐만 아니라 항상성과 운동같은 세균의 다른 특징에서도 중요하게 작용하는 완전히 통일된 메커니즘임. 간단히 말해서 생명의 기본적인 특성인 것임. 같은 맥락에서 생명의 기원이 양성자 동력이라는 자연적인 에너지와 얽혀 있다는 추측은 과학적 근거가 있음. 

06. 생명의 기원

이 철-황세포는 계속 에너지를 공급받을 뿐 아니라 기본적인 생화학반응의 촉매작용을 하고 그 반응에서나온 산물을 농축시키는 초소형 전기화학 반응장치 구실까지 함. 생명체를 이루는 기본 구성단위에 속하는 RNA와 ADP와 단순한 아미노산과 작은 펩티드 따위는 모두 철-황 화합물의 촉매작용으로 이어질 수 있음. 

단백질은 생명체의 존재를 가능하게 만드는 중요한 성분임. DNA복제, 복제된 DNA주형으로 RNA를 만드는 과정. 이 모든 것은 어떻게 시작되었을까? 

RNA는 시험관에서도 합성할 수 있음. 그러므로 RNA가 초기 지구나 우주 어딘가에서 우연히 만들어졌을 것이라는 추측도 해봄직함. 혜성의 표면에서 RNA구성성분 일부를 포함하는 풍부한 유기물이 관측됨.RNA는 DNA와 비슷한 방법으로 자가복제할 수 있으므로 자연선택의 영향이 미칠 수 있는 복제단위를 형성할 수 있음. 

그런데 RNA복제는 생물학적인 일에 해당하므로 에너지가 공급되어야 일어남. RNA는 매우 불안정하고 쉽게 분해되기 때문에 에너지가  꾸준히 공급되어야만 함. 

이 에너지는 어디서 왔을까? 

우주생물학자들의 말에 의하면 초기지구에는 에너지원이 풍부했음. 운석충돌, 번개, 화산분출, 열수분출공에서 나오는 열이 있음. 

1950년 원시수프 실험. 스탠리 밀러와 해럴드 유리

지구에서 최초의 생명이 나타난 시기는 적어도 38억 5천만년전으로 추정

광합성이 시작된 시기는 약 35억년에서 27억년 사이.

.. 다른 에너지 공급원이 전혀 없는 RNA세계에서 발효를 일으키는데 필요한 모든 효소들이 어덯게 하나의 기능단위로 진화되었는가는 정말 의문임. .. 광합성은 나주에 진화되었고 발효는 에너지 공급없이 진화했다고 보기에는 너무 복잡하다면 우리에게는 아직 호흡이 남아있음. 

호흡이 초기지구에서 진화가능성이 있었을까? 

1931년 오토바르부르크는 호흡이 광합성보다 먼저 진화되었을 것이라고 주장함. 

최초의 세포

막을 통해 양성자를 수송하는 현상이 생명의 기본이라고 가정해보자. 그렇다면 같은 근거에 따라 세균과고세균에게서 동시에 볼 수 있어야만 함. 둘다 비슷한 성분으로 이루어진 호흡연쇄를 갖고 있으며 둘다 이 호흡연쇄를 이용해 막 너머로 양성자를 수송함으로써 양성자 동력을 만들며 둘다 구조와 기능이 기본적으로 같은 ATP효소를 지니고 있음. 

호흡에는 전자전달계, 막, 양성자 펌프, ATP 효소가 필요함. 반면 발효를 하려면 적어도 12개의 효소가순서대로 작용해야 함. 호흡이 생명역사의 초창기부터 진화되었다는 가설에서 가장 큰 문제는 막이 필요하다는 것임. .. 마틴과 러셀의 파격적인 대답. 이들은 LUCA의 막이 무기염류인 철-황 화합물로 이루어진 얇은 거품상태의 막이며 유기물이 가득들어 있는 아주 미세한 공간을 감싸고 있을 것이라고 추측함. 

..철과 황화수소를 포함한 무기염류와 화산기체 성분으로 이루어진 이 연기는 주위 바닷물에 철-황 화합물을 침전시킴. 가장 놀라운 사실은 고온고압상태이면서 완전히 어둠속에 있는 이 열수분출공에 생명이 넘친다는 것임. ...

왜 세균을 넘어서 진화하지 못했을까? 

왜 세균은 40억년 동안 진화하면서 진정한 다세포 생물을 만들어내지 못했을까? 

그냥 세균이나 고세균의 복잡성이 점점 증가하면서 진핵생물이 되었을수도 있지 않았을까? 

3. 내부자 거래 : 복잡성의 기초

세균은 20억년동안 지구를 지배했음. 세균은 생화학적 능력에서는 거의 한계가 없을 정도로 진화했지만 몸집을 불리거나 형태를 복잡하게 만드는 법을 알지 못함. 지구에서 생명체의 몸집이 커지고 복잡해진 것은 미토콘드리아가 에너지 생산을 담당하면서부터 였음. 

그러면 왜 세균은 자신만의 에너지 생산수단을 몸속에 들이지 않았을까? 그 해답은 오랜세월 동안 끈질기게 남아있는 미토콘드리아 DNA라는 20억년된 역설속에 있음. 

.. 다음세대로 전해지는 것은 유전자밖에 없기 때문에 생물학적인 적응의 결과는 유전자 서열에 기록됨. .. 세균은 다양하고 생화학적인 면에서 고도로 복잡하지만 40억년이라는 시간동안 형태적으로 복잡한 생명체로는 진화하지 못함. 반면에 진핵생물은 정교한 내막체계를 발달시켰으며 세포소기관을 분화시켰고 단순한 세포분열 대신 복잡한 세포주기를 만들어냄. 그리고 성의 분화, 엄청난 크기의 유전체, 식세포작용, 포식성, 다세포분화, 대형화를 이루어 냈으며 마침내는 비행, 시각, 청각, 음파탐지, 두뇌, 지각과 같은 역학적인 설계에서도 화려한 위업을 달성함. 

..미토콘드리아를 불러들일 수 있는 것은 세포내 공생뿐임. 세포내공생은 한 세포안에서 두 유전체가 연합하는 것으로 유전적인 간격을 크게 뛰어넘는 도약임. 미토콘드리아가 없었으면 복잡한 진핵생물은 아예 나타나지도 못했을 것임. 

'진핵세포 자체도 미토콘드리아를 길러낸 연합에서 유래했고 미토콘드리아를 가지고 있거나 과거에 가진적이 있어야만 진핵생물이 될 수 있는 필요조건을 만족함'

.. 세균은 자연선택만으로 진핵생물로 진화될 수 없음. 세균과 진핵생물 사이의 건널 수 없는 틈을 이어주는 다리로 공생이 꼭 필요했으며 복잡성의 씨를 뿌리는데 미토콘드리아 연합이 꼭 필요했음. 미토콘드리아가 없었다면 복잡한 생명체는 나타나지 못했으며 공생이 없었다면 미토콘드리아도 없었고 미토콘드리아와 연합이 없었다면 우리는 세균을 벗어나지 못했을 것임. 

07. 세균은 왜 단순한가? 

항생물질에 저항력을 가진 유전자를 버리듯이 세균은 다른 유전자도 그 순간 필요없으면 가차없이 버림. 항상 이용되는 유전자가 아니라면 세균에서는 어떤 유전자라도 무작위로 일어나는 돌연변이와 복제속도를 빠르게 하기 위한 선택을 통해 사라질 수 있음. 진핵생물에 비해 유전자수가 적은데도 세균에는 쓰레기 DNA가 얼마 없는 것을 보면 이런 과정이 세균의 주염색체에 미치는 효과를 짐작할 수 있음. 세균이 작고 군더더기 없는 이유는 당장 필요없는 짐꾸러미를 바로 버리기 때문임.

환경이 좋으면 세균은 20분에 한번 꼴로 분열함. 대장균 한마리는 하루 72번 분열하고 그 수는 2에 72승개. 무게는 4천톤으로 불어남. 이론적으로 이틀이면 지구의 질량을 능가함. 하지만 세균은 양분이 없으면 분열을 멈춤. 대장균이 분열하는데 걸리는 시간은 DNA를 복제하는데 걸리는 시간보다 짦음. 

DNA복제속도가 세포분열이 일어나는 속도보다 느리기 때문에 세균의 분열속도는 DNA복제속도로 결정됨. 한번 세포분열을 할때마다 한개 이상의 DNA를 복제할 수 있을 정도로 열심히 복제를 해도 한번에 복제할 수 있는 복사본의 수에는 한계가 있음. 원칙적으로 DNA복제속도는 유전체의 크기와 복제에 이용할 수 있는 자원에 의해 결정됨. 

미시간 주립대 '제임스 티제'의 연구

유전체 서열이 완전히 밝혀진 115종의 세균을 조사. 자원의 영향을 받지 않는 환경에서는 유전체의 크기가 큰 세균이 우위를 차지함. 대표적인 사례는 토양임. 토양에 사는 많은 세균은 1년에 겨우 세번정도만 번식함. .. 그러나 아무리 다양한 물질대사를 할 수 있는 세균이라도 같은 환경에 사는 진핵생물과 비교하면 유전체의 크기가 작음. 

유전자 소실

세균은 유전자를 얻는 것만큼이나 자주 잃는다. 유전자 소실은 세균에게 흔히 일어나는 현상. 예를들어 발진티푸스 원인균 '리케차 프로와제키이(Rickettsia prowazekii)' 나폴레옹 군대가 1812년 러시아에서 퇴각한 이유. 

바이러스와 크기가 비슷할 정도로 작은 세균인 리케차는 다른 세포의 몸속에서 기생생활을 함. 리케차는개생생활에 아주 잘 적응했기 때문에 숙주세포를 떠나서는 살지 못함. 1998년 스웨덴 읍살라 대학의 시브 안데르손은 리케차 유전체를 처음 분석해서 네이처에 발표. 세포내에서 기생생활을 하면서 리케차의 유전체가 단출하게 변한 방식은 우리 몸속에서 미토콘드리아가 변해온 방식과 유사함. 

우리가 눈여겨볼 것은 유전자를 버리는 리케차의 습성임. 리케차는 진화과정에서 대부분의 유전자를 잃고 이제 겨우 834개의 단백질 합성유전자만 남아있음. 이는 미토콘드리아 유전자와 비교하면 많은 양이지만 자연상태에서 가장 가까운 종과 비교하면 거의 1/4밖에 되지 않는 양임. 이렇게 유전자를 버리는 이유는 먹을 것이 많은 세포내에서 쓸모가 없기 때문임. 신기하게도 이렇게 편하게 먹고사는 기생생물은 덩치가 커지는 것이 아니라 몸집이 작아짐. 불필요한 유전자를 버리기 때문임. 

꼭 필요한 유전자가 소실되면 절멸함. 하지만 필수유전자가 아니라면 오히려 유익함. 인간의 경우 수백만년 전에 비타민 C를 생성하는 유전자를 잃었지만 비타민 C가 풍부한 과일을 많이 먹는 식습관때문에 멸종을 면하고 살아남음. 이러한 사실을 알 수 있는 이유는 대부분의 유전자가 구멍이 뚤린 채 깊은 바다밑바닥에 가라앉아 있는 난파선처럼 황폐한 모습으로 우리 몸속의 쓰레기 DNA(junk DNA, Ncoding DNA)속에 여전히 자리잡고 있기 때문임. 

생화학적 수준에서 리케차는 우리의 원시적인 조상과 비슷함. 리케차에게 아미노산과 뉴클레오티드같은 필수적인 세포구성 성분을 만드는 유전자가 필요없는 것은 인간에게 비타민C를 만드는 유전자가 필요없는 것과 같음. 모두 숙주에게서 얻으면 그만임. 리케차 입장에서 이런 물질을 만드는 유전자가 손상된다고 해서 뭐가 대수겠는가? 

리케차는 다른 세균과 달리 전체 유전체의 1/4이 '쓰레기 DNA'로 구성되어 있음. 쓰레기 DNA는 최근에 사라진 유전자를 확인할 수 있는 잔재임. 이렇게 유전자는 유전체속에서 여전히 서서히 붕괴되고 있음. 이 쓰레기 DNA는 리케차의 복제속도를 느려지게 하므로 모두 사라지는 것은 아님. 이 파괴된 유전자는 유전체속에서 여전히 서서히 붕괴되고 있음. 이  쓰레기 DNA는 리케차의 복제속도를 느려지게 하므로 언젠가는 모두 사라지게 될 것임. 

Junk DNA(Noncoding DNA)

유전체학에서 비암호화 DNA(Noncoding DNA)는 코돈 단백질이 일정한 순서 없이 무작위로 구성되어 있는 상태의 DNA를 일컫는 용어이며, 주로 비암호화 RNA에 유전정보를 전사하거나 조절염기순서에 따라 단백질의 부호 순서 및 스캐폴드부착부위, 동원체, 말단소체를 번역하는 역할을 담당한다.

1960년대의 조사 결과로 인해 상당수의 비암호화 DNA가 단백질을 합성하는 데에 관여하지 않거나 유기체에서 생물학적인 기능을 하지 못하는 등 유전자로 작용하지 않는 것으로 밝혀졌으며, 이러한 비암호화 DNA는 쓰레기 DNA(Junk DNA)라는 용어로 지칭되기도 한다.

인간의 경우 전체 DNA 중에서 쓰레기 DNA가 차지하는 부분은 80 ~ 90% 정도라고 알려져 있으며, 왜 쓰레기 DNA가 존재하는지, 쓰레기 DNA의 역할이 무엇인지는 아직 밝혀지지 않았다.

2016년 Park, "Junk DNA-Not So Useless After All."에 따르면 과거 과학자들은 이 98%의 DNA를 대체로 쓸모없다고 여겨 'Junk DNA'라 불렀지만 최근에는 그 중요성을 인지하고 있으며, 흥미롭게도 '비암호화DNA'의 비율은 복잡한 유기체일수록 높아지며 인간이 가장 큰 비중을 차지하고 있다고 설명했다

. 또한 Danny Vendramini (2005) 연구에서는 비암호화 DNA는 다양한 감정, 행동, 성격 특성을 유전하는 역할을 한다고 설명했다

세균에서 유전자 득실의 균형

대부분의 세균은 기생생활이 아닌 독립생활을 함. 당연히 리케차보다 훨씬 더 많은 유전자가 필요하지만 독립생활을 하는 세균도 불필요한 유전자를 버리는 것에 대해서만큼은 리케차와 비슷한 압력을 받음. .. 세균이 쓸모없는 유전자를 버리는데 걸리는 시간은 몇시간에서 며칠에 불과함. 이렇게 유전자 소실이 빠른 속도로 일어나는 것은 어떤 순간이라도 생존에 필요한 최소한의 유전자만 보유하려는 세균의 습성을 보여줌. .. 

세균은 유전자를 버리듯 손쉽게 유전자를 다시 얻을 수 있음. 세균이 새로운 유전자를 받아들이는 방법을 유전자 수평이동'lateral gene transfer'라고 함. 유전자 수평이동은 세균접합이라는 일종의 교배방법을 통해 주위로부터 DNA를 받아들이는 것임. 

수평적 유전자 이동(水平的 遺傳子 移動, Lateral gene transfer (LGT) / Horizontal gene transfer (HGT))은 생식에 의하지 않고 개체에서 개체로 유전형질이 이동되는 현상을 가리키는 유전학 개념이다. 주로 단세포 생물에서 관찰된다. 같은 종간에 이루어지는 박테리아 이동과는 달리 수평적 유전자 이동은 종간의 차이를 뛰어넘어 이동할 수 있다. 유전공학은 실험을 통해 인위적인 수평적 유전자 이동을 일으키기도 한다.

.. 어떤 세균종에서는 변이의 90%이상이 유전자 수평이동에서 유래된 것으로 확인됨. 세균은 수직유전을 통해 전달되는 일관된 핵심 유전자는 없는 것으로 보임. .. 유전자가 짧은 시간내에 광범위하게 바뀔 수 있기 때문에 조상의 흔적은 지워짐. 시간이 흐를수록 유전자 수평이동은 큰 차이를 만들어냄. .. 세포벽이 없으면 양성자 기울기는 줄어들 수밖에 없음. 그러면 에너지 생산은 중단되고 세포는 살아가기 힘듬.

세포벽없이 살아가는 세균

여러 형태의 세균이 살아가면서 부분적으로 세포벽을 잃기도 하지만 영구적으로 세포벽을 없애는데 성공한 원핵생물은 단 두종류.

먼저 '마이코플라즈마'가 있음. 다른 세포속에서 기생생활을 하는 마이코플라즈마는 유전체의 크기가 매우 작음. 리케차처럼 마이코플라즈마도 아미노산따위를 만드는데 필요한 유전자 모두를 사실상 잃었음. 

둘째 고세균인 '테르모플라즈마'가 있음. 테르모플라즈마는 섭씨 60도의 온천수에 살며 최적 산도가 pH2인 극한 미생물임. 

이들 세균은 어떻게 세포벽없이 살아갈 수 있을까? 방법은 '산성환경이 주변세포질 기능을 하기 때문에' 이들은 자신만의 주변세포질이 필요없음. 

보통세균은 외막너머에 세포벽으로 둘러싸여 있는 공간인 주변세포질로 양성자를 수송함. 그 결과 주변세포질이라는 작은 공간은 산성을 띠며 이는 화학삼투가 일어나는데 꼭 필요한 조건이 됨. 다시 말해서 일반적인 세균은 평소에 산성용액이 담긴 욕조를 가지고 다니는 것임. 테르모플라즈마가 세포내부를 중성으로 유지하기만 한다면 세포막을 사이에 두고 자연스럽게 화학삼투차를 얻을 수 있음. 그렇다면 이들세포내부를 중성으로 유지하는 방법은 무엇일까? 이것도 간단함. 이들도 여느 세균과 같이 세포호흡을 통해 막바깥쪽으로 열심히 양성자를 내보내는 것임. 즉 테르모플라즈마도 대부분의 원핵생물과 마찬가지로 양분을 섭취하고 얻은 에너지를 써서 세포밖으로 양성자를 수송해 농도차를 만듬. 그 결과 세포속으로 역류하는 양성자가 ATP를 합성하는 ATP효소의 동력으로 쓰임.

내부자 거래가 수지맞는 이유

미토콘드리아는 숙주세포의 몸속에 산다는 이점이 있음. 미토콘드리아가 내막과 외막이라는 두개의 막으로 둘러싸여 있다는 것을 떠올려보자. 이 막은 완전히 분리된 두 공간인 기질과 막간공간을 에워싸고 있음. 호흡연쇄와 ATP 효소복합체는 모두 미토콘드리아 내막에 박혀있으며 그곳에서 기질로부터 막간 공간으로 양성자를 수송함. 그러므로 화학삼투를 일으키는데 필요한 산성환경은 미토콘드리아안에 들어 있기 때문에 세포기능의 다른 면에는 영향을 미치지 않음. 

에너지 생산이 세포안에서 이루어진다는 것은 더이상 세포벽이 필요없다는 뜻임. 세포벽이 사라지면 세포의 외막은 에너지 생산에서 해방되어 신호전달, 운동, 식세포작용같은 다른 일을 할 수 있게 분화됨. 무엇보다도 에너지 생산이 세포안으로 들어오면 세균을 짓누르던 기하학의 구속에서 벗어날 수 있음. 

진핵세포는 에너지 효율을 높이고 싶으면 미토콘드리아를 몇개 더 늘리면 간단히 해결됨. 따라서 에너지생산의 내면화는 세포벽 소실과 함께 세포의 대형화를 가능하게 함. 거대한 진핵세포가 화석기록에 갑자기 나타난 것은 20억년 전임. 이 시기를 미토콘드리아의 기원으로 추정하는 게 어느정도 타당하지만 화석으로는 미토콘드리아의 존재가 판별되지 않음.

근육검사 ; 미토콘드리아는 20억년 전에 진핵세포내로 들어갔다. YES

세균은 크기가 작아지는 쪽으로 강한 선택압을 받았지만 진핵생물은 그렇지 않음. 진핵세포는 크기가 커지면 미토콘드리아를 늘려 간단히 에너지 균형을 유지할 수있음. .. 세포가 크고 활발하면 DNA복제에 시간을 모두 쏟아부을 필요가 없음. 대신 그 에너지와 시간을 단백질을 개발하는데 들일 수 있음. 곰팡이세포처럼 이웃한 세포에 치명적인 효소를 뿜어 그 세포를 소화시킨 다음 즙액을 빨아들인다거나 포식자로 변해 작은 세포를 통째로 삼킨다음 자신의 몸속에서 소화시킬 수 있게 된 것임. 

포식습성은 진핵생물의 전형적인 생활방식으로 진핵세포의 크기증가와 함께 시작되었으며 몸집이 커지기 위한 에너지 장벽을 넘어야만 얻을 수 있는 특성임. .. 식세포 작용이 일어나는데는 세가지가 필요함.형태를 자유롭게 바꿀 수 있어야 하고 먹이를 통째로 삼킬 수 있을 정도로 커야하고 풍부한 에너지를 얻을 수 있어야 함. 

08. 미토콘드리아와 복잡성

호흡은 미토콘드리아에게 존재의 의미라고 할 수 있음. 호흡속도는 상황에 따라 아주 민감하게 변함. 이런 갑작스러운 상황변화가 일어나면 미토콘드리아는 분자수준에서 그 변화에 적응해야 함. 

모든 미토콘드리아는 유전자를 가지고 있음. 미토콘드리아의 유전자는 아주 특별하며 미토콘드리아가 이렇게 특별한 유전자를 보유할 수 있는 이유는 숙주세포와 맺고 있는 공생관계의 특성때문임. .. 유전자 연구를 통해 인간의 몸속에서 미토콘드리아 DNA로부터 핵으로 적어도 354회의 독립적인 유전자전이가있었다는 사실이 밝혀짐. 

유전자 전이는 두드러지게 한방향으로만 일어남. .. 유전자 전이는 한방향으로만 돌아가는 톱니바퀴와 비슷함. 이 톱니바퀴는 미토콘드리아에서 숙주세포 쪽으로 유전자가 전이되는 방향으로만 돌아가며 반대방향으로는 돌아가지 않음. 

핵의 기원

전이된 유전자는 어떻게 될까? .. 미토콘드리아는 세균이었으니까 세균의 막을 가지고 있어야만 함. 그렇다면 오늘날 실제 볼 수 있는 막은 무엇일까? 진핵생물의 막은 지질구조 뿐 아니라 막속에 파묻힌 단백질의 세밀한 구조까지도 세균의 막과 사실상 모두 똑같음. 진핵생물에서 볼 수 있는 세균의 막은 '세포막, 미토콘드리아 이중막, 핵막(이중막) 등이 있음. 

미토콘드리아가 유전자를 모두 전이시키지 않은 이유

미토콘드리아로부터 숙주세포로 유전자가 전이되었다는 가설은 특별한 기능을 갖춘 새로운 유전자같은 진화적 신기성을 도입할 필요없이 진핵세포의 기원을 적절하게 설명함. 

그렇다면 왜 미토콘드리아에는 유전자가 남아있는 것일까? 

왜 모든 유전자가 핵으로 전이되지 않은 것일까? 

미토콘드리아에 유전자를 남겨두는 것의 불이익

첫째, 세포마다 복제된 미토콘드리아 유전체가 수백 또는 수천개까지 있음(보통 미토콘드리아 하나마다 5~10개의 복제된 유전체가 있음). 이 엄청난 유전자 덕분에 미토콘드리아 DNA는 변사체 신원확인에 유용함. 미토콘드리아 유전자는 넘칠정도로 풍부하기 때문에 유전자 몇개를 분리하는 것은 쉬운일임. 이렇게 풍부하다는 것은 세포분열을 할때마다 크게 쓸모도 없는 유전자를 엄청나게 많이 복제해야 한다는 의미이기도 함. 

둘째, 같은 세포내에서 서로다른 두 유전체가 경쟁을 하면 파멸을 초래할 가능성이 있음. 자연선택은 미토콘드리아 사이 또는 미토콘드리아와 숙주사이의 경쟁을 불러일으킴. 

셋째, 미토콘드리아에 저장된 유전자는 공격을 받기 쉬움. 파괴적인 자유라디칼이 새어나오는 호흡연쇄 근처에 유전자를 두는 것은 귀중한 장서를 유명한 방화광의 오두막에 두는 것과 같음. 

따라서 미토콘드리아 유전자를 보유한다는 것은 막대한 비용이 드는 일임. 정말 이상한 일임. 유전자 전이가 그렇게 간단히 일어난다면 미토콘드리아 유전자가 일부 남아있는 이유는 무엇일까? 첫째, 가장 확실한 이유는 그 유전자가 문제가 되지 않기 때문임. 미토콘드리아 유전자의 산물은 미토콘드리아가 작용하는데 필요한 단백질임. 이 단백질은 대부분 세포호흡을 하는데 필요할 것으로 세포의 생명과 직결된 중요한 물질임. 만약 이 유전자까지 핵으로 전이되면 이 단백질 산물은 어떤 경로를 거쳐 다시 미토콘드리아로 되돌아 와야 함. 만약 이과정에 실패하면 세포는 죽게 될 것임. 

... 미토콘드리아에 남아있는 소량의 유전자는 단지 찌꺼기에 불과하다고 말하는 학자도 있음. 어쩌면 수백만년이 흐른 뒤에는 미토콘드리아 유전자가 하나도 남지 않게 될날이 올지도 모름. 

핵으로는 부족하다

모든 종에서 미토콘드리아 유전체가 거의 사라지기는 했지만 완전히 사라진 종은 없음. 100개 이상의 유전자가 남아있는 종도 없음. 약 20억년 전 미토콘드리아가 수천개의 유전자에서 시작되었다는 것을 감안하면 이제 이 과정은 모든 종에서 거의 완료시점에 근접하고 있음. 현재 모든 종의 미토콘드리아 유전자는 95%~99.9% 소실된 상태임. 하지만 현재까지 알려진 모든 미토콘드리아는 아주 소량이라도 유전자를 가지고 있음. 

더 나아가 종에 관계없이 미토콘드리아에서 추출한 유전자는 하나같이 똑같은 핵심 유전자였음. 모든 종에서 독립적으로 유전자 대부분이 사라졌지만 본질적으로 똑같은 소량의 유전자는 지키고 있음. 

스웨덴 룬드 대학의 존 앨런의 가설

앨런의 주장에 따르면 미토콘드리아 유전자가 핵으로 옮겨져야 할 마땅한 이유는 많지만 어떤 유전자도 미토콘드리아에 남아있어서는 안될 '불가피한' 이유는 딱히 없으므로 미토콘드리아가 유전자를 보유해야할 만한 아주 강력하고 확실한 장점이 분명히 있음. 이 유전자들은 우연히 남은 것이 아니라 수많은 불이익을 무릅쓰고 자연선택에 의해 남은 것임. 

Comp Funct Genomics. 2003 Feb; 4(1): 31–36.

doi: 10.1002/cfg.245

PMCID: PMC2447392PMID: 

18629105

Why Chloroplasts and Mitochondria Contain Genomes

John F. Allen

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Abstract

Chloroplasts and mitochondria originated as bacterial symbionts. The larger, host cells acquired genetic information from their prokaryotic guests by lateral gene transfer. The prokaryotically-derived genes of the eukaryotic cell nucleus now function to encode the great majority of chloroplast and mitochondrial proteins, as well as many proteins of the nucleus and cytosol. Genes are copied and moved between cellular compartments with relative ease, and there is no established obstacle to successful import of any protein precursor from the cytosol. Yet chloroplasts and mitochondria have not abdicated all genes and gene expression‎ to the nucleus and to cytosolic translation. What, then, do chloroplast- and mitochondrially-encoded proteins have in common that confers a selective advantage on the cytoplasmic location of their genes? The proposal advanced here is that co-location of chloroplast and mitochondrial genes with their gene products is required for rapid and direct regulatory coupling. Redox control of gene expression‎ is suggested as the common feature of those chloroplast and mitochondrial proteins that are encoded in situ. Recent evidence is consistent with this hypothesis, and its underlying assumptions and predictions are described.

앨런이 말하는 가장 확실한 장점은 '호흡'과 연관이 있음. 호흡은 미토콘드리아에게 존재의 의미임. 호흡속도는 상황에 따라 아주 민감하게 변함. 우리가 깨어있느냐, 잠을 자느냐, 유산소 운동을 하느냐, 글을 쓰느냐, 생각을 하느냐에 따라 다 다름. 이런 갑작스러운 상황변화가 일어나면 미토콘드리아는 분자수준에서 그 변화에 적응해야 함. 

상황변화에 따른 요구는 아주 중요하며 변동이 매우 심하기 때문에 멀리 떨어진 곳에서 관료주의적인 핵유전자에 의해 조절되기는 어려움. . 앨런의 주장은 이런 변화에 효과적으로 대처하려면 미토콘드리아가유전자 전초기지를 유지할 필요가 있다는 것임. 그래야만 미토콘드리아 막에서 일어나는 산화-환원반응이 그곳을 기반으로 한 유전자에 의해 엄격히 통제죌 수 있기 때문임. 여기서 중요한 것은 유전자에 의해 암호화되는 단백질이 아니라 유전자 자체임. 

'나는 이 유전단위는 미토콘드리아가 자기 몫의 유전자를 가져야하는 이유를 설명할 뿐 아니라 세균이 자연선택을 거쳐 더 복잡한 진핵세포로 발전할 수 없는 이유까지도 설명한다고 믿음'

균형의 문제

영양분에서 떨어져 나온 전자와 양성자는 산소와 반응해 에너지를 공급함이 에너지는 단계적인 작은 반응을 연달아 거치면서 조금씩 만들어짐. 이 단계적인 반응은 전자의 흐름이 아주 가느다란 전선을 지나듯 호흡연쇄를 따라 내려가면서 일어남. 에너지가 만들어지는 지점에서는 막 너머로 양성자를 수송하고 저장함. 댐에서 저수지에 물을 가둬두는 것과 같은 이치임. 

호흡속도는 에너지 수요에 따라 결정됨. 수요가 없으면 ATP는 세포에서 쓰이지 않음. 호흡을 통해 ADP와 인산이 모두 ATP로 전환되면 그게 끝임. .. 다시말해 수요가 적으면 모든 것이 멈추고 새로운 수요가 생겨 장치를 다시 돌릴때까지 호흡이 느려지게 됨. 그러므로 호흡속도를 결정하는 것은 결국 수요임.

질병에 의해 호흡에 문제가 발생했을때

보통 ADP와 인산의 농도는 ATP 소비를 반영하지만 ADP와 인산이 그냥 부족할 가능성도 언제나 존재함. 다음으로 산소나 포도당의 공급이 부족할 가능성도 있음. 만약 주위에 산소가 풍부하지 않다면 마지막에 전자를 받을 수 있는 물질이 없기 때문에 호흡연쇄를 따라 이동하는 전자의 흐름이 느려질 것임. 전자는 호흡연쇄를 따라 역류되고 ADP가 부족할때와 마찬가지로 모든 것이 느려짐. 

포도당은 어떨까? 이번에는 호흡연쇄로 들어가는 전자와 양성자수가 줄어들어 전자의 흐름이 느려지게 됨. 말하자면 1초당 호흡연쇄를 따라 흐르는 전자의 양이 줄어듬. 그러므로 전반적인 호흡속도는 수요 다시말해서 ATP의 소비를 반영하는 것이 이상적임. 그러나 상황이 나쁠때 즉 굶주리거나 산호가 부족할대 호흡속도는 수요보다는 공급에 의해 결정됨. 

그러나 두 경우 모두 전체적인 호흡속도는 호흡연쇄를 따라 흐르는 전자의 속도로 결정됨. 만약 전자의 흐름이 빨라지면 포도당과 산소의 소비가 빨라지고 결국 호흡이 빨라짐. 

전자전달계의 구성성분은 두가지 상태중 하나를 선택할 수 있음. 

산화 아니면 환원

동시에 두상태로 존재할 수없으므로 전자전달자는 산화되거나 환원된 상태 중 하나로 존재함. 만약 한 전자전달자가 이미 전자를 갖고 있다면 호흡연쇄를 따라 그 전자를 전달하기 전까지는 새로운 전자를 받을 수 없음. 그러면 이 전자가 전달될때까지 호흡은 멈출 것임. 반대로 전자를 갖고 있지 않다면 전자를 건네받기 전에는 전달한 전자가 없음. 이번에도 호흡은 전자가 전달될때까지 멈출 것임. 그러므로 전체적인 호흡속도는 산화와 환원 사이의 동적 평형상태에 달렸음. 미토콘드리아 하나에는 수천개의 호흡연쇄가 있음. 

호흡은 호흡연쇄 안의 전자전달자가 50%는 산화되고 50%는 환원되어 있을때 가장 원활하게 진행됨. 만약 호흡속도를 그래프로 나타내면 정상분포에 들어맞는 반듯한 종 모양의 곡선이 그려질 것임. .. 호흡속도가 가장 빠른 모양의 꼭대기를 최적의 균형상태를 이룬 '산화환원 균형점'이라고 함. 산화환원 균형점을 벗어나면 에너지 생산이 느려지는데 이렇게 호흡속도가 느려지면 세균의 경우에는 자연선택에서 아주 불리해짐. 

MLK3 Is Part of a Feedback Mechanism That Regulates Different Cellular Responses to Reactive Oxygen Species

Ho-Sung Lee 1, Chae Young Hwang 2, Sung-Young Shin 3, Ki-Sun Kwon 4, Kwang-Hyun Cho 5

Affiliations expand

• PMID: 24894995
 
• DOI: 10.1126/scisignal.2005260

Abstract

Reactive oxygen species (ROS) influence diverse cellular processes, including proliferation and apoptosis. Both endogenous and exogenous ROS activate signaling through mitogen-activated proteins kinase (MAPK) pathways, including those involving extracellular signal-regulated kinases (ERKs) or c-Jun N-terminal kinases (JNKs). Whereas low concentrations of ROS generally stimulate proliferation, high concentrations result in cell death. We found that low concentrations of ROS induced activating phosphorylation of ERKs, whereas high concentrations of ROS induced activating phosphorylation of JNKs. Mixed lineage kinase 3 (MLK3, also known as MAP3K11) directly phosphorylates JNKs and may control activation of ERKs. Mathematical modeling of MAPK networks revealed a positive feedback loop involving MLK3 that determined the relative phosphorylation of ERKs and JNKs by ROS. Cells exposed to an MLK3 inhibitor or cells in which MLK3 was knocked down showed increased activation of ERKs and decreased activation of JNKs and were resistant to cell death when exposed to high concentrations of ROS. Thus, the data indicated that MLK3 is a critical factor controlling the activity of kinase networks that control the cellular responses to different concentrations of ROS.

그러나 산화환원 균형점에서 벗어나면 효율이 떨어지는 것보다 더 나쁜 아주 가혹한 대가를 치르게 됨. 호흡연쇄를 구성하는 전자전달자는 모두 잠재적인 반응성을 띠고 있음. 전자전달자는 전자를 전해주고 싶어하는 화학적 성질을 타고났음. 호흡이 정상적으로 진행되는 경우, 전자전달자는 보통 자신보다 전자를 더 받고 싶어하는 호흡연쇄의 다음 전달자에게 전자를 전달함. 그러나 다음 전자전달자에 이미 전자가 가득차 있으면 호흡연쇄는 막혀버림. 이제 반응성이 강한 전자전달자가 자신의 전자를 다른 곳에 전달하면서 큰 위험이 발생함. 

전자를 이어받을 가능성이 높은 후보는 산소임. 산소는 초과산화물(superoxide radical)같은 독성이 강한 자유라디칼을 형성함. 자유라디칼 때문에 생기는 손상에 대해서는 '산소'에서 다룸. 자유라디칼은 닥치는대로 반응하여 모든 생체분자를 손상시킴. 호흡연쇄를 통해 형성된 자유라디칼은 전혀 예기치 못한 방향으로 생명에 깊은 영향을 미침. 

그러므로 두가지 중요한 이유 때문에 균형을 유지해야함. 호흡을 가능한 빠르게 유지하기 위해서와 반응성이 강한 자유라디칼이 새는 것을 막기 위해서임. 그러나 호흡의 균형을 유지하는 일은 호흡연쇄로 들어가는 전자와 나오는 전자의 갯수만 맞추면 되는 것이 아님. 균형은 호흡연쇄를 구성하는 전자전달자의개수와도 연관이 되어 있음. 전자전달자도 우리 몸 여느 곳과 마찬가지로 끊임없이 바뀌어야 하기 때문에 계속 그 숫자가 달라짐. 

만약 호흡연쇄에 전자전달자가 충분하지 않다면 무슨 일이 일어날까? 

전자전달자가 부족하다는 것은 호흡연쇄에서 전자의 전달이 느려진다는 뜻임. 이는 불이 났을때 끄려고 양동이를 들고 늘어선 사람의 숫자가 적으면 물 공급이 느려지는 것과 같음. .. 반대로 호흡연쇄 중간에 전자전달자가 너무 많으면 호흡연쇄를 따라 전달되는 전자보다 쌓여있는 전자가 많아질 것임. .. 두 경우모두 원료와 관계없이 호흡연쇄의 전자전달자 개수가 불균형을 이루었기 때문에 호흡이 느려지는 결과를초래함. 호흡을 해야 하는 상황에서 전자전달자의 농도문제가 생기면 호흡이 느려지고 손상의 원인이 되는 자유라디칼이 많아짐. 

미토콘드리아에 유전자가 필요한 이유

.. 어떤 세포가 있는데 그중 한 미토콘드리아에서 시토크롬 산화효소가 부족하다고 해보자. 이 미토콘드리아는 호흡이 느려지고 전자가 호흡연쇄에서 빠져나가지 못하자 자유라디칼이 형성되어 손상될 위험에 놓이게 됨. . 미토콘드리아는 유전자에게 '시토크롬 산화효소를 더 만들어'라고 신호를 보냄. 이 신호는 자유라디칼에서 나올 가능성이 큼. 자유라디칼이 갑자기 많아지면 자유라디칼에 의해 산화될때만 활성화되는 전사인자를 통해 활성이 바뀜. 

The enzyme cytochrome c oxidase or Complex IV, EC 1.9.3.1 is a large transmembrane protein complex found in bacteria, archaea, and in eukaryotes in their mitochondria. It is the last enzyme in the respiratory electron transport chain of cells located in the membrane. It receives an electron from each of four cytochrome c molecules, and transfers them to one dioxygen molecule, converting the molecular oxygen to two molecules of water. In this process it binds four protons from the inner aqueous phase to make two water molecules, and translocates another four protons across the membrane, increasing the transmembrane difference of proton electrochemical potential which the ATP synthase then uses to synthesize ATP.

다시말해 시토크롬 산화효소가 충분하지 않으면 호흡연쇄는 전자의 흐름이 원활하지 못해 자유라디칼을 형성함. 자유라디칼이 갑자기 증가하면 세포는 시토크롬 산화효소가 충분하지 않다는 신호로 해석하고 시토크롬 산화효소를 좀더 만들게 됨. 

시토크롬 산화효소를 만드는 유전자가 핵에 있다고 생각해보자. 신호가 도착하면 핵은 시토크롬산화효소를 더 만들라는 명령을 내림. 그리고 새로 합성된 단백질에 주소 꼬리표를 달아 미토콘드리아로 보냄...복잡한 과정을 거치다가 자유라디칼을 너무 많이 만들어내고 .... 시토크롬 산화효소가 미토콘드리아에 있으면 그 신호는 바로 전달되고 시토크롬 산화효소는 곧바로 호흡연쇄로 들어가 전자흐름의 불균형을 잡고 산화-환원반응의 평형을 회복함. 

.. 진핵세포가 탄생하기까지의 과정은 미토콘드리아에 의존하는 길이라고 할 수 있음. 미토콘드리아의 존재는 몸집의 대형화와 복잡성 증가를 위한 가능성을 마련한게 아니라 필연성을 제공했음. 

4. 거듭제곱 법칙 : 크기와 복잡성

생명은 본래부터 복잡해지고자 하는 성질을 타고났을까? 복잡성이 증가하는 비탈을 오르도록 생명체를 떠미는 힘은 유전자가 아닌 다른 곳에 있음. 크기와 복잡성은 대체로 연관성이 있음. 크기가 커지면 유전적으로나 생태학적으로 복잡성이 요구되기 때문임. 그러나 크기가 커지는 것은 생명체에게 즉각적인 이득이 되지 않음. 크기가 커지면 미토콘드리아가 많아지고 힘이 헤지고 대사효율이 증가해야 된다는 의미임. 

미토콘드리아는 두가지의 대변혁에서 원동력으로 작용함. 하나는 복잡성이 나아가는데 없어서는 안될 DNA와 유전자의 축적이며 다른 하나는 지구에 널리 퍼진 항온동물의 진화임.

다다익선 - 미토콘드리아의 수가 개체의 크기와 복잡성의 진화를 결정함. 

생물학에는 크기에 대한 편견이 있음. 우리는 주로 식물과 동물, 균류처럼 눈에 보이는 커다란 생명체에 흥미를 가짐. 그리고 지구의 대기와 기후, 생명체의 먹이가 되는 플랑크톤에 비해 질병을 일으키는 세균에 더 많은 관심을 가짐. 

.. 미토콘드리아를 이용한 세포내 에너지 생산이 진핵세포의 진화라는 도약이 가능하게 함. 진핵세포 사이에서는 공생이 흔한 일인데 비해 세균사이에서는 세포내 공생이 일어나기 어려움. 

진핵생물의 크기와 복잡성을 증가하게 만든 것은 무엇이었을까? 

예정된 것이 아니라면 복잡성의 진화는 단순한 우연의 소산일까? 

.. 진핵생물이  몸집이 커지고 복잡해진데는 어떤 내재적인 성향이 작용했지만 나는 그 이유가 성보다는 에너지와 연관성이 있다고 본다. 에너지 대사효율이 다양성과 복잡성을 향해 돌진하는 진핵생물 뒤에서 추진력으로 작용했을지도 모름. 같은 원리가 모든 진핵세포의 에너지 효율을 높이는 쪽으로 작용해 식물, 동물, 균류할 것없이 단세포 생물과 다세포 생물 모두 크기가 커지는 방향으로 진화함. 

코프의 법칙 : 시간이 흐를수록 종은 몸집이 커지는 쪽으로 진화한다

1990년대 체계적인 연구를 통해 이 법칙은 허구라는 결론이 남. 그렇다면 크기와 복잡성을 하나로 합쳐크기가 큰 생명체가 일반적으로 더 복잡하다고 할 수 있을까? 몸집이 커지는 것 하나만으로도 새로운 문제가 한 무더기 생김. 

.. 우리가 알고 싶은 것은 어떻게 작은 세포가 큰세포로 자라고 다세포 생물이 되고 마침내 인간처럼 역동적이고 활력이 넘치는 생명체가 되었는가 하는 문제임. 

09. 생물학의 거듭체곱의 법칙

뼈가 무게에 비례해 같은 강도를 유지하려면 뼈의 단면적은 몸무게와 같은 비율로 증가해야 함. 거인의 몸이 두배 커진다고 생각해보자. 거인의 부피와 몸무게는 여덟배 늘어남. 뼈의 단면적도 여덟배 증가해야 함. 

.. 쥐는 인간과 여러모로 비슷하기 때문에 실험실에서 아주 유용함. 쥐는 우리와 같이 포유류이고 장기의구조와 기능도 비슷하며 같은 감각기관을 가진데다 심지어 감정, 질병도 비슷함. 쥐도 우리처럼 주위 환경에 호기심이 많고 암, 동맥경화, 당뇨병, 백내장과 같은 노화로 인한 질병을 앓음. 쥐의 수명은 3년이고 각종 퇴행성 질환은 2년안에 나타남. 

대사율의 차이가 극심한 이유는 불분명하지만 그 결과는 매우 중요함. 세포의 크기는 쥐나 인간이나 비슷하기 때문에 쥐의 세포는 인간의 세포보다 일곱배나 분주하게 움직여야 함. .. 질량에 따른 산소 소비량의 증가는 생각처럼 크지 않음. 질량이 두배로 증가하면 세포수도 두배로 증가함. .. 몸집이 커질때마다 세포가 생명을 유지하는데 필요한 양분의 양은 적어짐. 

하지만 몸집이 커지면 양분과 산소의 소비가 감소한다는 것만으로 생명체의 크기가 커지고 더 복잡해지는 진화의 경향을 설명할 수 있을까?

대사율은 산소와 양분의 소비로 결정됨. 대사율이 낮아진다는 것은 세포에서 산소와 양분의 소비가 적어진다는 뜻임. 몸을 구성하는 모든 세포에서 산소 소비량이 줄어들면 호흡률과 심장박동같은 것이 모두 느려질 수 있음. 그래서 코끼리의 심장박동은 생쥐의 심장박동에 비해 느림. 코끼리는 세포 하나당 필요한 산소와 영양분의 양이 적기 때문에 심장이 빨리 뛸 필요가 없음. 이런 결과는 노화속도를 느리게 함. 생쥐는 2-3년을 살고 코끼리는 60년을 삼. 

생명체 안의 프랙탈

'부서진'이라는 뜻의 라틴어에서 유래한 프랙탈은 어떤 배율로 보나 비슷하게 보이는 기학학적 형태를 뜻함. 프랙탈은 작게 쪼개도 계속 같은 형태를 유지함. 바람, 비, 얼음, 침식, 중력같은 자연의 힘은 산, 구름, 강, 해안선같은 자연적인 프랙탈을 무작위로 만들어낼 수 있음. 프랙털을 자연의 기학학이라고 묘사한 멘델브로는 자신의 접근법을 논문 '영국의 해안선은 얼마나 갈까?'를 1967년 사이언스지에 발표. 

일정한 기하학 규칙을 반복해 비슷한 형태를 끝없이 생성하면 수학적 '반복 프랙털'이 만들어짐. 프랙털은 수학의 깊은 아름다움을 느끼게 해줌. 자연상태에 존재하는 대부분의 프랙털은 규모 불변성이 무한히계속되지 않기 때문에 진정한 형태의 프랙털은 아님. .. 코끼리의 심혈관계는 생쥐의 심혈관계와 닮았지만 그 크기는 100만배 차이가 남. 

웨스트와 브라운, 엔퀴스트는 자연의 공급망이 가지는 프랙털 기하학이 몸집과 대사율의 비례를 설명할 수 있을지 자문함. 대사율은 산소와 양분에 의해 비례하는데 산소와 양분은 체표를 통해 확산되는게 아니라 동물의 몸속에서 여러갈래로 갈라진 혈관같은 공급망을 통해 세포로 전달될 수 있기 때문임. 산소와 양분전달에 의해 대사율이 결정된다면 결국 공급망의 특성에 의해 결정되는 것이라는 추측은 일리가 있음. 

세가지 전제조건

첫째, 이 공급망은 모든 세포에 양분과 산소를 공급하기 위해 유기체 전체에 퍼져있음

둘째, 가장 작은 가지인 모세관은 공급망의 단위로 그 크기가 일정함. 모든 동물의 모세관은 크기가 같음

셋째, 공급망을 통해 양분을 전달할때는 최소한의 에너지만 쓰임.

예를들어 고래는 쥐보다 몸무게는 1천만배 더 나가지만 대동맥부터 모세혈관까지의 가지수는 고작 70% 많을 뿐임. 

.. 프랙털 모양을 미토콘드리아까지 확대함. 이들은 미토콘드리아 뿐만 아니라 미토콘드리아마다 수천개씩 들어있는 호흡복합체까지 똑같이 1/4지수 비례가 적용된다고 밝혀냄. 

.. 몸집이 커질수록 힘이 세지기를 바랄 것임. 실제로는 어떤 일이 벌어질까? 근력의 세기는 '근섬유의 수'로 결정됨. 밧줄의 세기가 밧줄을 이루는 섬유의 수로 결정되는 것과 같은 이치임. 두 경우 모두 힘의세기는 단면적에 비례함. 밧줄의 무게는 지름도 중요하지만 길이도 중요함. 지름 1cm의에 길이 20cm와 지름 1cm에 길이 40cm는 강도는 같지만 무게는 두배차이가 남. 

참고) 근력과 근지구력의 결정

변수 1) type 1 fiber 와 type 2 fiber

      2) muscle fiber 숫자

      3) muscle의 단면적

      4) neuromuscular junction - motor unit의 동원

      5) neural firing

      6) calcium and ATP 생성 - 대사율(영양분과 산소의 사용능력)

      6)-1. blood vessel - artery and vein

.. 모세혈관의 밀도는 공급망의 프랙탈적인 성격이 아니라 조직의 수요에따라 결정됨. 산소가 더 필요하면 세포는 그저 요청만 하면 됨. 그러면 모세혈관망은 새로운 혈관을 공급하는 은혜를 베품.

모세혈관의 밀도가 조직의 요구로 결정되는 이유중 하나는 산소의 독성과 연관이 있을 수 있음. 산소가 너무 많으면 자유라디칼때문에 오히려 해로움. 이런 자유라디칼 형성을 막는 좋은 방법은 조직내 산소량을 가능한 낮추는 것임. .. 체력이 뛰어난 동물은 적혈구와 헤모글로빈 개수가 많음. 산소농도는 낮은 상태를 유지하면서 충분히 산소를 공급하기 위해 

이제 문제의 핵심에 다다름.

산소의  독성때문에 조직에서는 산소농도를 가능한 낮게 유지하기 위해서 산소전달을 제한함. 이는 모든동물에서 비슷하며 산소요규량이 증가하면 혈액의 흐름을 빨라지게 함으로써 요구에 맞춤. 조직에 흐르는 혈류는 최대산소 요구량을 맞춰야 하므로 이에 따라 종마다 적혈구 개수와 헤모글로빈 수치가 정해짐. 그러나 조직마다 산소요구량은 다름. 혈액속의 헤모글리빈 함량은 고정되어 있기 때문에 어떤 조직에서 산소가 더 필요하다고 해서 바뀔수는 없음. 그러나 모세혈관의 밀도는 바뀔 수 있음. 

산소요구량이 적은 조직은 모세혈관의 밀도를 낮게 유지하고 산소 요구량이 많은 조직은 모세혈관이 더 많이 필요함. 만약 골격근처럼 산소요구량이 들쭉날쭉한 조직이라면 일정하게 낮은 산소농도를 유지할 수있는 유일한 방법은 휴식을 취할때 근육모세혈관에서 다른 곳으로 혈류를 돌리는 것임. 따라서 골격근의 안정시 대사율이 아주 낮게 나오는 것은 당연한 결과임. 간같은 다른 기관으로 혈액이 흘러가기 때문임. 반대로 격렬한 운동을 할때는 골격근이 많은 양의 산소를 소비하기 때문에 일부 기관으로 가는 혈류가 부분적으로 줄어듬. 

물질대사의 본질

세균의 대사능력은 표면적 대 부피의 비율 곧 질량에 비례함. 이는 구속이라고 볼 수 있으며 세균이 눈에보이지 않을 정도로 작아야만하는 이유를 설명함. 진핵세포는 세포안에 있는 미토콘드리아가 에너지를 생산하므로 이런 구속을 받지 않음. 진핵세포가 세균보다 훨씬 크다는 사실에서 세균과 같은 방식으로 크기에 대한 구속을 받지 않는다는 것을 확인할 수 있음. 큰 동물의 경우에는 크기가 커질수록 에너지 요구량이 감소하는 이유를 밝히지 못하면 이 비례가 기회라기보다 구속을 반영할 가능성을 배제할 수 없음. 

동물은 크기가 커질수록 심장박동이 느려짐. 이런 여유가 생긴 까닭은 분명 조직의 산소 수요가 감소했기 때문일 것임. 

뼈의 강도는 단면적에 의해 결정되므로 거인의 뼈는 일반임보다 100배 더 단단함. 뼈가 지탱해야 하는 무게는 1천배로 늘어남. .. 몸의 크기가 증가함에 따라 뼈가 체질량에서 차지하는 비율이 증가하여 뼈에서는 물질대사가 활발하게 일어나지 않는다는 사실은 거인의 몸에서 물질대사가 활발하지 않은 부분의 비율이 높다는 것을 의미함. 

.. 몸이 커지면 기관의 크기는 상대적으로 작아짐. 예를들어 몸무에게서 간이 차지하는 비율이 조랑말에서는 0.5%이지만 쥐에서는 5.5%임. 크기가 커지면 기관의 대사율이 차지하는 비중은 현저히 떨어짐. 

..정온동물의 진화는 그저 추울때 몸을 따뜻하게 유지하는 것 이상의 의미가 있음. 생명체에게 완전히 새로운 에너지의 전환점을 마련했음. 

10. 정온동물의 대변혁

'내온성은 열생산과 열손실의 균형을 이룰 수 있을 만큼 충분히 큰 동물에서 진화되기 쉬움. 반면 최초의내온성 포유류의 후손 중 크기가 작은 동물들은 열 보존문제를 해결하기 위해 더 적응을 해야만 했음. 집쥐같은 작은 포유류는 정상적인 열을 생산하기 위해서는 미토콘드리아가 풍부하게 함유된 갈색지방을 보충해야만 함. 이 갈색지방에서는 미토콘드리아 막을 거쳐 양성자가 다시 스며들어와 열을 방출함. 따라서 작은 포유류의 안정시 대사활동은 격한 운동을 할 수 있는 근육능력이 이나리 열손실 비율과 연관이 있음'

정온동물의 다른 이름인 온혈동물은 오해를 불러일으키기 쉬운 용어임. 많은 파충류가 포유류와 비슷한 온도인 섭씨 35-37도정도로 일정한 체온을 유지함. 다만 체온을 조절하는 능력이 체내에서 열을 생산하는 방법이냐 외부에서 열을 받아들이느냐에 따라 결정됨. 외온동물인 파충류는 필요한 열을 주위에서 얻는 반면 내온동물(endotherm)인 조류와 포유류는 체내에서 열을 생산함. 

포유류와 조류는 일정하고 높은 체온을 항상 유지함. 크기가 같은 포유류와 파충류가 같은 체온을 유지한다면 포유류는 파충류에 비해 6-10배 더 많은 열량이 필요함. 야생에서 포유류가 살아가기 위해 쓰는 에너지는 비슷한 크기의 파충류에 비해 30배가량 많음. 쉽게 말해 파충류가 한달동안 먹어야 하는 음식을 포유류는 하루에 먹어야 한다는 의미임. 

이렇게 낭비가 심한 생활방식을 유지하면 엄청난 진화비용이 듬. 포유류는 단순이 온기를 유지하는데 그치지 않고 30배많은 에너지를 생장, 생식에 전환시킬 수 있었음. .. 내온성의 장점으로는 밤에도 활동할 수 있는 능력이나 생태영역을 극지방까지 확대한 것을 들 수 있음. 

도마뱀은 혐기성 호흡으로 에너지를 생산함. 30초정도 폭발적인 속도를 유지할 수 있으며 그러고 나서는체력을 회복하는데 몇시간이 걸리기도 함. 

.. 체력과 속도를 높이기 위해 동물이 할 수 있는 것은 무엇일까? 무엇보다 먼저 골격근의 호기성 용량을증가시켜야 함. 그러려면 미토콘드리아와 모세혈관, 근섬유가 더 많이 필요하며 이는 바로 공간배정이라는 문제와 맞딱드리게 됨. 조직 전체가 근섬유로 뒤덮이면 근육이 수축할 수 있는 공간과 모세혈관이 산소를 전달한 공간이 줄어들게 되므로 조직의 분포를 최적으로 맞춰야 함. 

.. 기관이 노폐물을 처리하는 속도는 기관 고유의 대사능력으로 결정됨. 다시 말해서 미토콘드리아가 더 많으면 회복도 더 빠름. 아마 지구력의 이점은 회복하는데 걸리는 시간에도 적용될 것임. .. 근육이 어렵사리 힘을 배가시킬때마다 새로운 힘의 균형을 맞추는 방법은 간단함. 반쯤비어있는 기관에 미토콘드리아만 좀더 채워넣으면 됨. 그러면 호기성 활동때문에 소모한 체력을 빨리 회복할 수 있음. 

Exercise is mitochondrial medicine for muscle

Author links open overlay panelAshley N.OliveiraDavid A.Hood

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Abstract

Mitochondria are vital organelles that provide energy for muscle function. When these organelles become dysfunctional, they produce less energy as well as excessive levels of reactive oxygen species which can trigger muscle atrophy, weakness and loss of endurance. In this review, molecular evidence is provided to show that exercise serves as a useful therapeutic countermeasure to overcome mitochondrial dysfunction, even when key regulators of organelle biogenesis are absent. These findings illustrate the complexity and compensatory nature of exercise-induced molecular signaling to transcription, as well as to post-transcriptional events within the mitochondrial synthesis and degradation (i.e. turnover) pathways. Beginning with the first bout of contractile activity, exercise exerts a medicinal effect to improve mitochondrial health and whole muscle function.

양성자 누출

.. 어느날 최초의 포유류 한마리가 새로 얻은 호기성 능력을 발휘해 잡은 먹이를 소화하려다 잠이 듬. ...이 포유류의 미토콘드리아에는 영양분에서 뽑아낸 전자가 가득참. 전자는 호흡연쇄에서 빠져나와 반응성이 큰 자유라디칼을 형성해 세포를 손상시킬 수 있음. 

캠브리짓 대학의 마텐 프랜드의 해결책

전자전달계 전체를 계속 가동시켜 에너지를 낭비하는 것임. 수력발전용 댐에서 수요가 적을때 배수로를 통해 물을 내보냄으로써 범람을 막듯이 호흡연쇄의 경우 ATP를  생산하는 ATP효소를 통과하는 대신 일부 양성자가 막에 있는 다른 구멍(배수로)를 통과하고 그 결과 양성자 기울기에 저장된 에너지 일부가 열로 분산됨. 

논문제목은 '짝풀림과 생존 : 대사작용이 활발한 쥐는 미토콘드리아에서 짝풀림이 더 많이 일어나며 더 오래산다'

오르막을 향한 첫걸음

미토콘드리아를 이용한 에너지 생산으로 진핵세포는 세균보다 평균 1만배에서 10만배 정도 더 커짐. 크기가 커지면서 에너지 효율이 선물로 따라옴. 

.. 진핵세포가 미토콘드리아를 얻은 일은 생명이 이룰 수 있는 가능성의 한계를 정복한 것임. 미토콘드리아에는 세균의 세계에서는 상상할 수 없을 정도로 몸집이 커지는 현상을 가능하게 함. 몸집이 커지면서 복잡성도 증가함. 그러나 당연히 미토콘드리아와 숙주세포사이의 충돌이 가져온 불이익도 있음. 이 오랜싸움의 결과 생명에는 영원히 깊은 상처의 흔적이 남았음. 지금까지도 이 상처의 흔적은 창조와 파괴의 힘을 간직하고 있음. 미토콘드리아가 없었다면 세포자살도 없었겠지만 다세포 개체도 존재할 수 없음. 노화도 없고 성도 없음. 미토콘드리아의 어두운 일면에는 생명의 역사를 다시 쓸 수있는 능력이 도사리고 있음.