제목부터가 독자들을 어리둥절케 하고 있는지 모르겠다. ‘미토콘드리아(mitochondria)’는 무엇이며 또 ‘모계성유전(母系性遺傳)’이 뭐란 말인가.
세포(細胞,cell)가 여러 개 모여서 이뤄진 세포덩어리가 생물체다. 그러면 과연 사람은 몇 개의 세포가 뭉쳐진 생물일까. 헤아릴 수 없을 정도로 많다!? 평균하여 100조개나 된다!
그런데 그 숫자는 서양 생물교과서에서 쓰인 숫자니 아마도 우리 나라 사람들의 평균 세포 수는 그것보다 조금 적은 70조개 정도로 봐야 옳지 않을까 싶다. 사람의 등치가 크다는 것은 세포 수가 많고 또 세포 하나하나의 크기가 크다는 것을 의미한다.(해서, “너 요새 살 많이 쪘구나!”보다는 “너 세포 많이 늘었구나!”라고 말하는 게 사실은 맞는 것이다)
한편 모든 세포 속에는 미토콘드리아라는 것이 들어있다. 미토콘드리아는 세포의 핵보다 훨씬 작은 알갱이 모양을 하고(확대하여 보면 소시지 꼴임) 세포 하나에 여러 개가 있다. 생리기능이 아주 활발한 간(肝)세포 하나에 미토콘드리아가 무려 2000∼3000개나 들어있고, 운동(일)을 열심히 하면 그것의 수가 증가한다. 운동이 심폐기능, 근육의 탄력성뿐만 아니라 세포의 미토콘드리아 수에까지 영향을 미친다고 하니, 늙어서도 부지런히 몸을 놀리는 것이 옳다는 이유가 거기에도 있다.(필자는 1940년 생임)
우리 몸에서 나오는 힘(에너지)과 체온을 유지하는 열은 모두 이 미토콘드리아에서 나온다. 우리가 먹은 음식물이 창자에서 소화되어 모든 세포에 들어가 그 안의 미토콘드리아에 도달하고, 양분은 거기에서 숨쉬어 온 산소와 결합(산화라 함)하여 에너지와 열을 낸다. 그래서 미토콘드리아를 ‘세포의 발전소’라거나 ‘세포의 난로’라 부른다.
다음은 ‘모계성유전’ 설명으로 들어가자. 쉽게 말해서 어머니를 닮는 내림이 모계성유전이다. 아버지와는 전혀 관련없는 유전이라는 말이다. 어찌 그런 유전이 다 있단 말인가. 미리 말하지만 미토콘드리아의 모계성유전은 사람만이 아니고 모든 동식물(생물)에 똑같이 해당한다.
그런데 흔히 말하는 유전이란 난자(난핵) 속의 23개의 염색체와 정자(정핵)의 23개의 염색체가 각각 만나서 46개의 염색체를 갖는 수정란이 되고, 그것이 분열하여 모든 자식의 체세포에 46개의 염색체가 전해지는 것을 말한다. 그래서 어느 자식이나 어머니와 아버지를 반반씩 닮는다. 염색체에 유전자(DNA)라는 유전물질이 들어있어서 그렇다.
한데 미토콘드리아는 그게 아니다. 난자는 30만개의 미토콘드리아를(물론 핵이 아닌 세포질 속에), 정자는 겨우 150개를 가지고 있고, 수정을 하면 정자가 가지고 들어온 미토콘드리아를 난자가 모두 부숴버린다고 한다. 일종의 거부반응인 것이다. 이렇게 수정이 일어난 난자를 수정란이라 하는데, 결국 수정란 속에는 아버지의 미토콘드리아는 없고 오직 어머니의 것만 들어있다. 그래서 생겨난 자식의 체세포 속에는 어머니의 미토콘드리아만이 있게 된다! 이것이 바로 미토콘드리아의 모계성유전이다.
다시 말하지만 어머니와 아버지에게서 핵 안의 염색체(유전인자)는 똑같이 반반씩 받으나(핵유전이라 함) 세포질에 있는 미토콘드리아는 오직 어머니에게서만 받는다는 것이다. 이런 일은 사람이 아닌 모든 생물에서 똑같다.
이제 모든 세포에 들어있는 그 많은 미토콘드리아는 모두 어머니에게서 물려받았다는 것을 알았다. 그렇다면 어머니는 누구에게서 그것을 대물림하였을까. 맞다! 외할머니의 것을 받았다. 결국 우리가 가지고 있는 미토콘드리아는 죄다 외조모의 것이 어머니에게로, 어머니의 것이 내게로 내려온 것이다! 모든 유전물질은 부모에게서 다 같이 받지만 미토콘드리아는 오직 어머니 쪽에서만 받는다는 것을 알았다. 지고지순한 그 모정(母情)은 아마도, 아니 틀림없이 미토콘드리아에 있나보다. | 강원대학교 생명과학부 교수 권오길
不知道從題目開始就讓讀者摸不着頭腦。 "線粒體(mitochondria)"是什麼，"母系性遺傳"又是什麼？
由多個細胞組成的細胞團就是生物體。 那麼，人類究竟是幾個細胞凝聚在一起的生物呢？ 數不勝數！？ 平均有100萬億!
但是這個數字是西方生物教科書上寫的數字，因此，我國人的平均細胞數應該比這個少一點，只有70萬億個左右。 人的等值大意味着細胞數量多，而且每個細胞的大小都很大。（所以，比起"你最近胖了很多啊！"來說"你的細胞進步了很多啊！"
另外，所有細胞中都含有線粒體。 線粒體呈比細胞核小的顆粒狀(擴大來看相當於香腸),一個細胞有多個。 一個生理機能非常活躍的肝細胞中含有2000~3000個線粒體,如果努力運動(工作),其數量就會增加。 據說運動不僅影響心肺功能、肌肉的彈性,還會影響細胞的線粒體數量,因此,即使老了,也應該勤奮地活動身體。（筆者生於1940年）
我們體內的力量（能量）和維持體溫的熱量都來自線粒體。 我們吃的食物從腸子消化後進入所有細胞,到達其中的線粒體,養分與從那裏呼吸過來的氧氣結合(稱爲氧化),產生能量和熱量。 因此，線粒體被稱爲"細胞的發電站"或"細胞的暖爐"。
下面是"母系性遺傳"的說明。 簡單地說，母系遺傳就是像母親一樣的下降。 也就是說，這是與父親毫無關聯的遺傳。 豈有那樣的遺傳。 提前說來，線粒體母系遺傳不僅適用於人類，而且適用於所有動植物（生物）。
但通常所說的遺傳是指卵子(卵核)中的23個染色體和精子(精核)的23個染色體分別相遇,成爲擁有46個染色體的受精卵,並分裂後所有子女的體細胞中都有46個染色體。 因此，無論是哪個孩子，都長得像母親和父親。 這是因爲染色體中含有叫做DNA的遺傳物質。
但是線粒體並不是這樣。 據悉，卵子只有30萬個線粒體（當然不是核而是細胞質中），精子只有150個，如果受精，卵子就會把精子帶來的線粒體全部摧毀。 這是一種排斥反應。 像這樣發生受精的卵子叫做受精卵,結果受精卵中沒有父親的線粒體,只有母親的。 因此產生的孩子的體細胞中只有母親的線粒體！ 這就是線粒體地母系遺傳。
換句話說，從母親和父親那裏得到一半核內的染色體（遺傳因子），但細胞質中的線粒體只有從母親那裏得到。 這種事在所有的生物上都是一樣的。
現在我知道所有細胞中的那麼多線粒體都是從母親那裏繼承下來的。 那麼，母親是從誰那裏繼承下來的呢？ 對了！收到了姥姥的。 歸根結底，我們手中的線粒都是外祖母的傳給母親，母親的傳給我的！ 我知道所有的遺傳物質都是從父母那裏得到的，但線粒體只從母親那裏得到。 至高至純的母情，也許不是，肯定在線粒體中。 | 江原大學生命科學系教授權五吉
당신 몸속 미토콘드리아를 젊어지게 할 방법은?
생명은 세포 탄생으로 시작됐고, 당신 몸엔 약 37조 개 세포가 있다. 세포는 조직을 이뤄 계통을 만들고 몸을 이룬다. 몸은 곧 당신이다. 당신은 뇌와 신경계에 의해 조절되지만 제 아무리 중추신경계가 몸을 지배한다 하더라도, 이것이 없으면 몸의 모든 기능은 상실되고 말 것이며 생명은 다할 것이다. 그래서 닉 레인은 이것을 "세상의 숨은 지배자", "진화의 숨은 지배자"로 표현하기도 했다.
미토콘드리아 - 세포 속에 들어 있는 작은 발전소, 이 작은 발전소가 우리 삶을 조절하는 방식은 놀랍기만 하다. - 닉 레인의 <미토콘드리아> 중에서
미토콘드리아는 '생명 발전소(Powerhouse)' 혹은 세포 발전소로 불린다. 당신이 하루 종일 쓰는 에너지의 거의 전부를 ATP 형태로 생산하기 때문이다. ATP(Adenosine Triphosphate)는 아데노신에 인산기가 3개 달린 유기화합물로 아데노신3인산이라고도 한다. 이는 모든 생물의 세포 내에 존재하며 에너지 대사에 매우 중요한 역할을 한다.
당신이 섭취한 음식물은 영양소로 분해되고 다시 에너지로 전환된다. 몸이 최종적으로 사용하는 에너지가 바로 ATP인 것이다. ATP 한 분자가 가수분해를 통해 다량의 에너지를 방출해야 당신이 존재할 수 있다. 만약 미토콘드리아가 없거나 ATP가 체내에 없다면 어떻게 될까? 당신은 죽는다.
미토콘드리아(Mitochondria)는 사립체라 불리며 단수는 'Mitochondrion'로 '실'을 뜻하는 'mitos'와 '과립'을 뜻하는 'chondros'의 합성어다. 미토콘드리아 겉모습은 세균과 닮았는데, 겉만 그런 것이 아니다. 미토콘드리아는 한때 독립생활을 하던 진짜 세균이었으며 더 큰 세포 안에서 적응하게 된 것은 약 20억 년 전의 일이다.
미토콘드리아는 다른 세포와 달리 이중막을 가진 타원형의 세포 소기관으로 외막으로 형태가 유지되고 내막은 크리스테(Cristae)로 불리는 소엽 또는 관 모양으로 접혀 있다. 내막의 안쪽에는 미토콘드리아 기질(Mitochondrial Matrix)이라 불리는 구획이 있어서 효소, 리보솜, 과립, DNA를 가지고 있다.
Matrix는 '번식 가능한 암컷 동물'이라는 뜻이 있다. 그래서 발전소 대신 '미토콘드리아 이브(Mitochondrial Eve)'로 불리기도 한다. 미토콘드리아 이브는 모든 인류의 가장 최근 공통조상으로 추정되기도 한다. 외막과 내막 사이에는 막사이 공간(Intermembrane Space)이 있는데 이곳에서 ATP 합성을 위한 주요 기능을 수행한다.
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 이브(African Eve)'라는 이름으로 불린다. 유전학적인 조상도 같은 방법으로 추적할 수 있는데, 그 이유는 모든 미토콘드리아에 들어 있는 미량의 유전자 때문이다. - 닉 레인의 <미토콘드리아> 중에서
미토콘드리아에는 2가지 독특한 특징이 있다. 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.
왜 다른 세포기관이 아닌 미토콘드리아에서만 이런 일이 일어날까? 이름만으로도 딱딱함이 묻어나는 원생생물 내공생설(Prokaryotic endosymbiont theory)에 따르면 미토콘드리아는 수백만 년 전에 세포로 침입한 세균의 후손이다. 세균은 곧 숙주와 서로 이로운 관계로 발전시켰고 이어 숙주세포에게 필수적인 구성요소가 되었다.
이러한 이론을 뒷받침하는 증거는 미토콘드리아가 핵에서 발견되는 것과는 다르게 주로 세균에서 발견되는 유형과 유사한 DNA, RNA와 이에 관련된 효소들을 가지고 있다는 사실이다. 이렇듯 미토콘드리아와 숙주세포 사이의 오랜 관계가 에너지, 성, 번식력에서 세포자살, 노화, 죽음에 이르는 생명 구조를 이뤄냈다. 한마디로 세상의 숨은 지배자이자 당신의 몸을 지배하고 있는 것이다.
미토콘드리아는 원시 진핵세포 속에 공생하던 산소원핵생물(Aerobic prokaryote, 세균 Bacteria)이 진화한 것으로 믿어지고 있다. 이 가설은 사립체가 자신만의 독자적인 유전체(Genome)를 가지고 있다는 사실, 분열에 의해 수가 늘어난다는 사실, 구조단백질의 일부를 직접 생산한다는 사실 등으로 뒷받침된다. - <조직학 5판> 중에서
두 번째 독특한 특징으로 미토콘드리아가 속해 있는 세포가 세포분열을 하지 않을 때에도 미토콘드리아가 자신을 복제할 수 있는 능력을 가지고 있다는 것이다. 미토콘드리아 복제는 커진 부모 미토콘드리아가 작은 딸 미토콘드리아를 분열시키는 출아(Budding) 방법에 의해 일어난다.
미토콘드리아의 자가 복제 능력으로 인해 당신이 왜 근육 운동을 해야 하는지, 그리고 이를 통해 왜 100년 쓸 건강한 몸을 만들 수 있는지 알 수 있다. 규칙적인 근육 운동은 에너지를 필요로 한다. 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 미토콘드리아의 중요성은 당신이 상상하지 못했을 정도로 중요하다. 만약 미토콘드리아의 노예화가 없었다면 우리 모두는 지금 단세포 생물인 세균을 벗어나지 못했을 거라고 과학자들은 이야기한다. 오늘날 선사인류학, 유전질환, 세포자살, 불임, 노화, 생체에너지학, 성, 진핵세포를 다루는 다양한 연구 분야의 중심에는 미토콘드리아가 있다.
그리고 영화 <스타워즈>에서 언급된 미디클로리언(Midi-Chlorians)은 스타워즈 세계에서 제다이의 잠재력을 발휘하도록 하는 요소이다. 모든 생명체의 세포 내부에 존재하는 미생물로 양에 따라 그 생물의 포스(Force) 능력이 결정된다고 하는 미디클로리언은 사실 미토콘드리아를 빗댄 미생물이다. 분명한 것은 미토콘드리아의 크기가 크고, 그 수가 많다는 것은 그만큼 몸에 활기가 넘친다는 것이다.
특정 세포에서 미토콘드리아 수는 세포의 에너지 필요량에 따라 달라진다. 많은 에너지를 사용하는 근육 세포는 지방 세포에 비해 더 많은 수의 미토콘드리아를 가지고 있다. 세포마다 평균 300~400개씩 들어 있으며 몸 전체로 따지면 그 수가 모두 1경 개에 이른다. 복잡한 세포에는 반드시 미토콘드리아가 들어 있다.
지방은 색깔로 구분하면 백색, 베이지색, 갈색 지방 있다. 그리고 지방에 따라 미토콘드리아 숫자가 다르다. 흔히 우리가 알고 있는 지방은 백색 지방으로 섭취한 음식이 몸속에서 에너지원으로 쓰이고 남아 저장된 것이다. 비상 상황에서 에너지원이 되고 물리적 충격을 흡수하는 역할을 하지만 지나치게 많으면 비만과 각종 성인병 등을 유발한다. 그래서 지방은 나쁜 것으로 오해받기도 한다.
반면 갈색 지방은 과도하게 섭취한 칼로리를 열로 분해하는 역할을 해 '지방을 태우는 지방'으로 불린다. 근육 세포와 같은 줄기세포에서 유도된 것으로 알려져 있다. 갈색 지방 세포는 갈색을 띠는데 이는 철을 함유한 미토콘드리아가 백색 지방 세포에 비해 많기 때문이다. 갈색 지방은 태생기에 주로 존재하며 출생 후 10년 내에 소실되며 성인의 8%에서만 발견된다. 그렇다고 실망할 필요는 없다. 베이지색 지방이 갈색 지방 역할을 하게 만들면 된다. 어떻게 활성화시킬 수 있을까?
이미지: 백색 지방에 비해 갈색 지방에 미토콘드리아가 많다. 지방 방울 역시 백색이 하나(홑칸, Unilocular), 갈색 지방은 여러 개(믓칸, Multilocular)로 이루어져 있다.
베이지색 지방은 성인 대부분이 가지고 있는 지방으로 캡사이신(Capsaicin) 성분이 풍부한 고추를 규칙적으로 먹으면 활성화시킬 수 있다. 매운 음식을 먹었을 때 땀이 나는 이유도 베이지색 지방이 에너지를 연소하면서 열을 내기 때문이다. 이 외에도 캡사이신은 혈관을 확장시켜 혈행을 원활하게 하고 위를 자극하여 소화액 분비를 촉진하는 작용을 한다.
그리고 운동을 하면 베이지색 지방을 활성화시키는 호르몬인 아이리신(irisin)이 근육에서 나온다. 운동 호르몬이라고 불리는 아이리신은 짧은 시간에 고강도로 운동을 하기보다는 장시간 낮은 강도로 운동할 때 많이 분비된다. 그리고 냉수로 샤워를 하거나 서늘한 환경을 유지하는 것도 갈색 지방과 베이지색 지방을 활성시켜 에너지를 소모한다.
만약 미토콘드리아 기능이 떨어지면 우리 몸은 영양분을 제대로 활용하지도 못하고 에너지 생산도 저하될 수밖에 없어 비만과 심혈관계 질환, 당뇨병 같은 노화 관련 질환 발병률이 높아진다. 반대로 미토콘드리아 기능이 좋아지면 노화를 늦추고 질병을 억제한다는 것은 많은 연구를 통해 밝혀지고 있다.
이처럼 노화를 방지하거나 100년 쓸 튼튼하고 건강한 몸을 만들고 유지하기 위해서는 에너지를 만드는 세포기관인 미토콘드리아를 활성화시켜야 한다. 미토콘드리아가 에너지를 풍부하게 생산할 수 있는 환경을 제공해야 하는 것은 당신의 몫이다. 그러한 환경은 규칙적인 운동과 자연의 음식을 섭취하고 충분히 쉬는 것이다.
특히 운동 중에서 근육을 늘릴 수 있는 근력 운동이 필수다. 또한 심장 근육을 튼튼하게 할 수 있는 지구력 운동이 필요하다. 심장은 끊임없이 움직여야 하는 숙명을 타고났으며 활동하는 데 많은 에너지가 필요하기 때문이다. 심장이 한순간도 쉬지 않고 계속 움직일 수 있는 이유도 미토콘드리아가 있기에 가능하다.
미토콘드리아의 기능을 원활하게 유지하고 수가 줄어들지 않게 하기 위한 좋은 식습관은 무엇일까? 자연적이고 균형 잡힌 식사를 하되 위의 70~80%만 채울 정도로 먹는 것이 가장 좋다. 제철음식을 뿌리부터 껍질까지 통째로 먹는 매크로바이오틱(Macrobiotic) 식사법도 권장할만하다. 사찰 음식, 자연식 위주의 식사가 미토콘드리아에 좋은 식습관이다. 부처나 예수가 왜 채식을 실천하고 권했는지는 미토콘드리아의 관점에서 보며 이해가 된다.
특히 미토콘드리아에 좋은 식품이 있을까? 달걀, 렌즈콩, 시금치, 마늘, 생강, 녹차, 구기자 등과 더불어 각종 채소를 규칙적으로 먹는 것이다. 다시 말해 항암 작용과 항산화 작용을 하는 식품을 규칙적으로 먹어야 한다. 달걀노른자에는 콜린(Choline) 성분이 들어 있어서 지방간 예방 인자로 간을 보호하고 지방을 줄이는 역할도 한다.
생체막을 구성하는 레시틴과 신경의 흥분전달 물질인 아세틸콜린의 성분인 콜린은 베타인(Betaine)으로 분해되고, 메틸기에 메틸화 과정을 제공한다. 베타인은 미토콘드리아에 있는 콜린으로부터 형성되며, 이런 산화가 미토콘드리아의 산화 환원을 활성화시킨다. 즉, 산화 스트레스로부터 염증을 예방한다. 베타인의 주요 기능은 항지간작용(지방간 생성 억제)과 혈압강하, 항혈당작용, 시력회복, 해독작용, 세포 복제 기능 등이 있다.
베타인이 풍부한 식품은 뭘까? 베타인은 식물성 식품에 풍부한데 대표적으로 시금치, 구기자, 비트가 있다. 특히 시금치에 함유된 파이토엑디스테로이드(phytoecdysteroid)는 근육 조직 성장 및 포도당 대사도 향상한다. 이는 파이토엑디스테로이드가 곤충 탈피 호르몬(Insect Hormone)과 유사하기 때문이다. 한마디로 천연 스테로이드인 셈. 뽀빠이가 시금치의 대명사가 된 이유다.
렌즈콩은 값싸게 구할 수 있는 식물성 단백질원으로 특히 아이소루신(Isoleucine)과 라이신(lysine)이 많이 함유되어 있다. 이 둘은 근육을 재생하는 효과가 있고, 아이소루신은 포도당 대사를 향상시킨다. 그리고 녹차에서 발견되는 에피갈로카테킨 갈레이트(Epigallocatechin Gallate)는 카테킨(Catechin, 폴리페놀의 일종으로 녹차의 떫은맛 성분)으로 강력한 항산화 작용물질이다. 이 물질은 자외선에 의한 피부 손상 위험을 줄여 주고, 항암 작용, 미토콘드리아의 산화 스트레스를 해소해 노화를 방지하는 효과가 있다.
정리하면 이렇다. 당신을 지배하는 미토콘드리아를 건강하게 만들면 100년 쓸 건강한 몸을 만들 수 있다는 것이다.
근력 운동을 통해 근육을 늘리면 미토콘드리아 크기와 숫자가 늘어난다.
지구력 운동을 통해 심장을 튼튼하게 하면 미토콘드리아가 지속적인 에너지를 심장에 공급해줄 수 있다.
자연식 위주의 식사와 소식은 활성 산소를 줄여 미토콘드리아를 건강하고 유지할 수 있다.
당신의 미토콘드리아는 젊어질 수 있다.
(좌) 시금치 하면 뽀빠이가 떠오른다. 뽀빠이는 베타인이 풍부한 시금치를 먹고 나면 괴력을 발휘한다. (우) 영화 <스타워즈>에서 포스(Force)의 원천으로 미디클로리언은 미토콘드리아를 빗댄 것이다.
미토콘드리아와 함께 하길(May the mitochondria be with you)!
참고 1: <미토콘드리아: 박테리아에서 인간으로, 진화의 숨은 지배자> 닉 레인 지음, 김정은 옮김, 뿌리와이파리(2007)
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