[운동 안내서] 세상의 숨은 지배자! 미토콘드리아
우리 몸의 지배자 미토콘드리아와 함께 하길!
이제 ‘무엇이 우리 몸을 지배하는가?’에 대해 이야기해보자. 앞서 <[운동 안내서] 몸의 지배자 | 무엇이 우리 몸을 지배하는가?>에서 얘기한 몸속 미생물을 '몸속 세입자', 혹은 ‘보이지 않는 권력자’라고 했다. 권력자도 서열이 있고 최종 보스는 베일에 싸여 있을 수 있다. 비록 영화 속 이야기지만, 우주 생명의 절반을 날려버린 타노스도 5개의 인피니티 스톤이 없으면 그런 능력을 발휘할 수 없다. 결국 그도 최종 보스는 아니란 얘기다.
코로나바이러스가 창궐해 지금까지 6억 명의 확진자와 649만을 사망에 이르게 했더라도, 인류 전체를 소멸시킬 수는 없다. 심지어 바이러스도 이 지배자의 영향 아래에 놓여 있다고 해도 과언이 아니다. 지구 상에 생명이 출현하고 기나긴 진화의 과정에서 이것이 없었다면 우리는 존재할 수조차 없었을 것이다. 인류에게 '푸른 행성에서의 경이로운 여행'이라는 패키지를 선물해준 세상의 진정한 지배자는 과연 무엇일까? 진화생화학자인 닉 레인Nick Lane은 이 지배자에 대해 “세상의 숨은 지배자”, “진화의 숨은 지배자”로 표현하기도 했다.
미생물 생태계에서 시선을 돌려 몸속 세포를 전자현미경으로 들여다보자. 우선 세포핵이 눈에 들어온다. 그다음 눈에 띄는 것은 다수의 타원형 입자다. 이 입자를 최초로 발견한 19세기 과학자 리차드 알트만(Richard Altmann, 1852-1900)은
생명의 본체는 이 입자에 있으며
세포는 그들이 자신을 지키기 위해 만들어낸 요새
라고 생각했다. 알트만은 이 타원형의 입자에다 그리스어로 ‘내부에 끈을 말아 넣은 것 같은 미립자’라는 이름을 붙여주었다.
생명체는 번식도 중요하지만, 생명의 본질은 ‘살아 있음’과 '움직임' 그 자체다. 이것이 가능하려면 에너지를 생산하는 무언가가 있어야 한다. 그것이 바로 알트만이 발견한 몸의 지배자인 ‘미토콘드리아(Mitochondria)’다. 모든 동물세포에는 반드시 미토콘드리아가 있고, 해조류조차도 광합성을 통해 태양에너지를 증폭시키는 데 미토콘드리아를 이용한다. 인간의 건강과 장수를 결정할 만큼 중요한 미토콘드리아를 이해하고, 다스릴 줄 아는 자가 바로 자기 몸의 진정한 주인이라고 할 수 있다.
독립생활을 하던 진짜 세균
미토콘드리아는 그리스어로 실을 뜻하는 ‘미토(Mito)’와 입자를 뜻하는 ‘콘드리아(Chondria)’에서 유래했다. 실제로 미토콘드리아는 지름 1µm(마이크로미터: 0.001mm)이하의 실 혹은 입자 모양으로 아주 작다. 미토콘드리아 1억 개를 모아야 모래알 하나 정도밖에 되지 않는다. 겉모습은 세균과 닮았는데 겉만 그런 것이 아니다. 미토콘드리아는 한때 ‘독립생활을 하던 진짜 세균’이었으며 더 큰 세포 안에서 적응하게 된 것은 약 20억 년 전의 일이다.
몸속 37조 개에 이르는 거의 모든 세포마다 존재하는 미토콘드리아는 세포 1개당 100개에서 3,000개나 된다(참고: <당신 몸속 작은 우주 이야기: 37조 개 움직임과의 만남>). 에너지를 많이 필요로 하는 세포일수록 미토콘드리아 수가 많은데 심장 근육 세포나 다리 등의 골격근 세포, 신경 세포 등에 특히 많다. 미토콘드리아의 총량은 몸무게의 10%로, 몸무게 60kg인 사람은 무려 6kg의 미토콘드리아를 가지고 있는 셈이다.[1] 무게가 1.4kg~1.6kg 정도인 뇌의 5배나 된다. 가히 몸의 지배자라 불릴 만하다.
미토콘드리아는 다른 세포와 달리 이중막을 가진 타원형의 세포소기관으로 외막으로 형태가 유지되고 내막은 크리스테Cristae로 불리는 소엽Lobule 또는 관 모양으로 접혀 있다. 내막의 안쪽에는 ‘미토콘드리아 기질Mitochondrial Matrix’이라 불리는 구획이 있어서 효소ㆍ리보솜ㆍ과립ㆍDNA를 가지고 있다. 기질, 즉 Matrix는 ‘번식 가능한 암컷 동물’이라는 뜻이 있다. 그래서 발전소 대신 ‘미토콘드리아 이브(Mitochondrial Eve)’로 불리기도 한다.
우리는 모계로부터 계승되어 온 미토콘드리아를 몸에 지니고 있다. [이미지 출처: 구글]미토콘드리아 이브는 모든 인류의 가장 최근 공통조상으로 추정되기도 한다. 다시 말해 우리는 모두 모계로부터 계승되어 온 미토콘드리아를 몸에 지니고 있다. 부계로부터 세포핵 DNA의 절반을 물려받지만 이는 미토콘드리아의 계승에는 아무런 역할을 하지 못한다. 외막과 내막 사이에는 막사이 공간(Intermembrane Space)이 있는데 이곳에서 ATP 합성을 위한 주요 기능을 수행한다.[2]
모계를 따라 올라가면서 유전물질을 추적하면, 다시 말해 어머니의 어머니, 또 그 어머니의 어머니 이런 식으로 계속 아득히 먼 옛날로 거슬러 올라가면 미토콘드리아 이브가 있다. 모든 어머니들의 어머니인 미토콘드리아 이브는 약 17만 년 전 아프리카 대륙에 살았던 것으로 추정되어 ‘아프리카 이브African Eve’라는 이름으로 불린다. 유전학적인 조상도 같은 방법으로 추적할 수 있는데, 그 이유는 모든 미토콘드리아에 들어 있는 미량의 유전자 때문이다.
– 닉 레인의 《미토콘드리아: 박테리아에서 인간으로, 진화의 숨은 지배자》중에서[3]
미토콘드리아는 생명 발전소
닉 레인은
세포 속에 들어 있는 작은 발전소,
이 작은 발전소가 우리 삶을 조절하는 방식은 놀랍기만 하다.
고 했다. 미토콘드리아가 ‘생명 발전소Powerhouse’ 혹은 '세포 발전소'로 불리는 이유는 우리가 온종일 쓰는 에너지 거의 전부를 아데노신3인산, 즉 ATP(Adenosine Triphosphate) 형태로 생산하기 때문이다.
<[운동 안내서] 무한한 춤을 추는 세포>에서 이야기했듯이 "생명의 보편적인 에너지 통화"인 ATP는 모든 생물의 세포 내에 존재하며 에너지 대사의 기본 단위로 매우 중요한 역할을 한다. 우리가 섭취한 음식물은 영양소로 분해되고 다시 에너지로 전환된다. 몸이 최종적으로 사용하는 에너지가 바로 ATP다. ATP 한 분자가 가수분해를 통해 다량의 에너지를 방출해야 우리가 존재할 수 있다.
닉 레인은 저서에서 "미토콘드리아 내부에서 일어나는 에너지 생산과정은 생물학에서 가장 기이한 메커니즘으로, 그 발견은 다윈과 아인슈타인의 발견에 견줄 만하다."고 이야기한다. 미토콘드리아는 몇 나노미터 두께의 생체막을 통해 양성자를 수송함으로써 전위차를 만들어 동력을 생산한다. 이 양성자의 동력은 생명의 기본입자라고 일컬어지는 막에 있는 버섯 모양의 단백질을 지나면서 ATP 형태의 에너지를 생산한다. 이 파격적인 메커니즘은 DNA처럼 생명의 근원이 되며 지구상에 있는 모든 생명의 기원을 꿰뚫어 볼 수 있게 해준다.
미토콘드리아는 우리 몸 신진대사의 주요 동력원으로, 활력을 유지하고 정신을 집중하며 행복감을 느끼려면 연료가 잘 채워진 미토콘드리아가 충분히 존재해야 한다. 하지만 안타깝게도 미토콘드리아는 발전소이기 때문에 '활성 산소(Oxygen Free Radical)'에 노출된다. 완벽한 위험방지 장치를 갖추지 못한 것이다. 산소를 이용해 영양분을 연소시키는 동안, 활성 산소가 불똥처럼 튀어 근처에 있는 미토콘드리아 유전자뿐 아니라 핵 유전자까지 손상시킨다.
산소를 이용해 영양분을 연소시키는 동안 활성 산소가 불똥처럼 튀어 근처에 있는 미토콘드리아 유전자뿐 아니라 핵 유전자까지 손상시킨다. [이미지 출처: 구글]우리 세포 속 유전자들은 하루에 1만 번에서 10만 번 정도 활성 산소의 공격을 받는데, 이런 공격은 평생 계속된다. 더 심각한 손상을 입은 세포는 죽게 되며 지속적인 손상이 계속되면 노화와 퇴행성 질환을 일으킨다. 대부분의 끔찍한 유전질환도 활성 산소의 미토콘드리아 유전자 공격과 연관이 있으며, 나이가 들수록 증세가 점점 심각해진다. 한마디로 활성산소는 양날의 칼인 셈이다.
미토콘드리아 질환은 근육이나 뇌처럼 물질대사가 활발한 조직에 영향을 미쳐 운동장애ㆍ실명ㆍ청력소실ㆍ 근육퇴화 등을 일으킨다. 미토콘드리아 덕분에 생명이 진화할 수 있었으나 그 대가로 노화와 죽음도 함께 맞이하게 된 것이다. 그럼에도 미토콘드리아가 몸속에 없다면 어떻게 될까? 우리는 죽는다! 애초에 존재할 수조차 없는 것이다.
▶ 산소 이야기[4]
산소의 큰 이점은 먹이 대사 과정에서 세포가 훨씬 더 많은 에너지를 얻도록 해준다는 점이다. 이 과정을 보통 '호흡'이라고 부른다. 소수의 세균들은 산소 대신 탄산염, 질산염, 황산염 같은 무기화합물을 쓰지만, 이런 화합물이 원시 지구에 풍부하게 존재하기는 어려웠을 것이다. 그 이유는 간단하게도 원시 지구의 대기에 산소가 없었기 때문이다. 무기물 전자수용체Electron Acceptor라는 화합물이 없다면, 세포는 효율이 훨씬 떨어지는 발효 과정을 쓸 수밖에 없다. 발효는 산소가 없어도 진행된다는 점에서 중요하지만, 호흡에 비해 세포의 에너지 통화인 ATP분자를 훨씬 적게 생산한다.
산소 분자는 강력하지만, 위험한 화합물이다. 세포에 유독하게 작용할 위험이 있다. 세포 내 과정들이 산소로부터 여러 치명적인 유도 물질들을 생성할 수 있기 때문인데, 과산화수소나 그보다 더 위험한 자유라디칼, 과산화이온 등이 그렇다. 많은 세포가 이런 치명적인 물질을 제거하기 위해 특수한 효소를 갖고 있는데, 이런 효소가 없는 일부 세균들에게는 산소가 독이라서 그들은 진흙 속처럼 산소가 없는 곳에서만 살 수 있다. 하지만 원시 지구에서라면 그들이 특별히 더 불리하지는 않았을 것이다.
▶활성산소(Oxygen Free Radical 또는 Reactive Oxygen Species)
활성산소 세포에 손상을 입히는 모든 종류의 변형된 산소를 말한다. 운동의 관점에서 보면 많은 양의 활성산소는 근육에 해로우며 근육피로의 원인이 되기도 한다.[5] 활성산소는 세포 내 미토콘드리아 내막에 위치하는 ‘호흡연쇄(Respiratory Chain, 또는 전자전달계)’의 ‘복합체 1과3(Complex I, III)’에서 누설로 인한 전자(Electron)가 산소분자와 반응하여 생성된다.
미토콘드리아에서 생성된 활성산소는 크게 '초과산화물(Superoxide)', '중성라디칼(hydroxyl radical)' 그리고 '과산화수소(Hydrogen Peroxide)' 세 종류가 있다. 이 중 초과산화물과 중성라디칼은 미토콘드리아 막을 통과하지 못하지만 과산화수소는 단순한 확산에 의하여 막을 통과한다.
지나친 활성산소는 세포 내에서 DNA, RNA, 단백질, 세포 내 소기관 등에 손상을 주며 지속적일 때 여러 질병을 일으킨다. 활성산소는 내부 또는 외부 신호에 의해 생성되는 데 세포 내에서 생성된 활성산소는 대부분 제거되지만, 지속적인 활성산소가 발생하여 만성적인 상태가 유지되면 인체에 각종 염증과 질병을 일으키게 된다. 염증으로 인하여 직접적으로 발병하는 질병은 암ㆍ간섬유증ㆍ염증성 통증ㆍ글루탐산염유도 통증과민증ㆍ신경병성통증ㆍ근섬유통ㆍ만성췌장염 등으로 매우 다양하다.[6]
지배자의 미스터리
미토콘드리아를 자세히 보고 있노라면 생명의 미스터리가 풀린다. 진화, 성sex의 발생, 인류사 그리고 노화까지. 하지만 처음부터 세포 안에 존재했던 것도 세포가 만들어낸 것도 아니다. 여기에는 미토콘드리아만의 두 가지 독특한 특징이 있기 때문이다.
첫 번째 특징으로, 과거에는 독립된 생명체였다는 것을 알리는 표식처럼 미토콘드리아 고유의 DNA를 가지고 있다. 미토콘드리아가 기질에 리보솜과 함께 미토콘드리아 DNA를 가지고 있다는 것은 자신이 필요한 고유의 단백질을 일부 만들 수 있다는 것을 의미한다. 이 때문 미토콘드리아의 유전자는 법의학에도 활용된다. 대표적인 사례가 세계무역센터 참사현장에서 육안으로는 확인할 수 없었던 수많은 희생자 유해의 신원이 미토콘드리아 유전자를 활용해 밝혀졌다.
왜 다른 세포기관이 아닌 미토콘드리아에서만 이런 일이 일어날까?
진화는 경쟁이 아니라 공생에 따라 진행된다는 미국의 생물학 린 마굴리스(Lynn Margulis, 1938-2011)의 '세포공생설(Endosymbiosis, 공생진화론)'[7]에 따르면 미토콘드리아는 수백만 년 전에 세포로 침입한 세균의 후손이다. 세균은 곧 숙주와 서로 이로운 관계로 발전시켰고 이어 숙주세포에 필수적인 구성요소가 되었다.[8] 다시 말해 모든 고등동물의 세포에 깃든 미토콘드리아는 동물의 조상에서 유래한 것이 아니라, 수억 년 전 독자 생존을 포기하고 고등동물에게 종속되는 삶을 선택하여 이동한 세균인 것이다.
1960년대 미국의 생물학자 린 마굴리스는 당시로서는 상상도 할 수 없는 '세포공생설'이라는 대담한 주장을 했다. [이미지 출처: 구글]마굴리스의 이론을 뒷받침하는 증거는 미토콘드리아가 세포핵에서 발견되는 것과는 다르게 주로 세균에서 발견되는 유형과 유사한 DNA, RNA와 이에 관련된 효소들을 가지고 있다는 사실이다. 이렇듯 미토콘드리아와 숙주세포 사이의 오랜 관계가 에너지ㆍ성Sexㆍ번식과 세포자살ㆍ노화와 죽음에 이르는 생명 구조를 이뤄냈다. 이는 미토콘드리아가 없었다면 불가능한 일이다[생물학자 린 마굴리스에 대해 더 알고 싶다면 클릭: 과학과 사람들, 미토콘드리아의 여왕 마굴리스 ].
미토콘드리아는 원시 진핵세포 속에 공생하던 산소원핵생물Aerobic prokaryote, 세균Bacteria이 진화한 것으로 믿어지고 있다. 이 가설은 사립체가 자신만의 독자적인 유전체Genome를 가지고 있다는 사실, 분열에 의해 수가 늘어난다는 사실, 구조단백질의 일부를 직접 생산한다는 사실 등으로 뒷받침된다.
– 마이클 H. 로스(Michael H. Ross)의《조직학, 5판》중에서[9]
잠시 생명 유지를 위한 '세포자살(Apotosis)'에 관해 이야기해보자. 세포는 자살할 수 있다. 자신에게 치명적인 결함이 있거나 심각한 감염이 일어나면 스스로 없어지는 것이 전체를 위해 좋기 때문이다. 이때 미토콘드리아를 붕괴시키는 방법이 이용된다. 화상이나 심한 충격, 또는 독극물 등으로 인해 크게 손상당하면 세포는 어쩔 수 없이 죽음을 선택하게 된다. 이런 타의적인 세포의 죽음을 ‘괴사(Necrosis)’라고 한다.
또한 자살 명령을 받기도 하는데 세포자살 명령을 내리는 것, 즉 세포의 생사 결정은 핵이 아니라 미토콘드리아의 유전자가 한ㄷ다. 세상의 숨은 지배자가 자신의 권력을 이용하는 순간인 것이다. 세포자살은 다세포생물이라는 사회조직을 유지하는 공권력과 같다. 쓸모없는 세포가 제때 죽지 않으면 생명은 유지되기 힘들다. 다시 말해 우리는 매일 끊임없이 죽고 다시 만들어지는 것이다. 역설적이지만 생명체는 그것이 살아남는 유일한 방법이기 때문에 자신을 튼튼하고 견고하게 만드는 이 움직임을 멈출 수는 없다.
두 번째 독특한 특징으로 미토콘드리아가 속해 있는 세포가 세포분열을 하지 않을 때도 미토콘드리아가 자신을 복제할 수 있는 능력을 갖추고 있다는 것이다. 미토콘드리아 복제는 커진 부모 미토콘드리아가 작은 딸 미토콘드리아를 분열시키는 출아(Budding) 방법에 의해 일어난다. 미토콘드리아의 자가복제능력으로 인해 우리가 왜 운동을 해야 하는지 알 수 있다.
규칙적인 운동은 에너지를 필요로 한다. 다시 말해 세포에서 ATP 요구량이 늘어나는 것이다. 이때 근육 세포는 미토콘드리아의 수를 증가시켜 늘어난 ATP에 대한 수요를 충당한다. 결국 운동으로 근육이 강화되면 미토콘드리아의 크기와 수가 늘어나 혈액 속의 더 많은 지방을 연소하면서 에너지 소비가 늘어나 몸이 건강해지는 것이다.
이처럼 미토콘드리아는 우리가 상상하지 못했을 정도로 중요하다. 만약 미토콘드리아의 복제능력이 없었다면, 우리는 단세포 생물인 세균을 벗어나지 못했을 거라고 과학자들은 이야기한다. 오늘날 선사인류학ㆍ유전질환ㆍ세포자살ㆍ불임ㆍ노화ㆍ생체에너지학ㆍ성ㆍ진핵세포를 다루는 다양한 연구 분야의 중심에는 미토콘드리아가 있다.
그리고 영화에도 등장한다.《스타워즈》에서 언급된 '미디클로리언(Midi-Chlorians)'은 은하계 평화를 수호하는 제다이의 가공할 잠재력을 발휘하도록 하는 요소이다. 모든 생명체의 세포 내부에 존재하는 미생물로 양에 따라 그 생물의 포스(Force, 힘)능력이 결정된다고 하는 미디클로리언은 사실 미토콘드리아를 빗댄 것이다. 분명한 건 미토콘드리아의 크기가 크고, 그 수가 많으면 그만큼 몸에 활기가 넘친다는 뜻이다.
원문: [운동 안내서] 세상의 숨은 지배자! 미토콘드리아
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참고 문헌
[1] p70, 전자책, 아이뉴턴 편집부의《근육과 운동의 과학》
[2] p65, 디 언그로브 실버톤의《인체생리학, 5판》
[3] p15, 닉 레인의《미토콘드리아》
[4] p84~85, 전자책, 프랜시스 크릭의《생명 그 자체 - 40억년 전 어느 날의 우연》
[5] p56, 스캇 파워 & 에드워드 홀리의《파워 운동생리학, 8판》
[6]《미토콘드리아 활성산소 촉진 단백질 로모1》 유영도 지음 | 고려대학교 의과대학 대학원 의학과 분자세포생물학실험실 | Hanyang Med Rev 2013;33:90-96
[7] 저자 주: ‘원생생물 내공생설(Prokaryotic endosymbiont theory)’이라고도 하며 1967년 ‘유사분열 하는 진핵세포의 기원’이라는 논문을 통해 미토콘드리아의 세포공생설을 최초로 주장한 인물은 보스턴대학의 과학자인 린 마굴리스였다. 천문학자 칼 세이건의 아내이기도 했. 이 논문이 15번 퇴짜를 맞은 이유는 당시 생물학자들 사이의 상식을 크게 뛰어넘었기 때문이었다. 지금은 정설로 받아들여지고 있다.
[8] p66, 디 언그로브 실버톤의《인체생리학, 5판》
[9] p61, 마이클 H. 로스 《조직학, 5판》
By 푸샵 이종구: <남자들의 몸 만들기, 2004> 저자
·자격사항: 개인/임상/재활 운동사, 미국체력관리학회 공인 퍼스널 트레이너(NSCA-CPT), NSCA-스포츠영양코치, 국가공인 생활스포츠지도사2급, 퍼스널 트레이너2급, 웃음치료사2급, 바디테크닉 수료
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