미토콘드리아
본문미토콘드리아를 전자 현미경으로 보면 바깥 막은 매끈한데, 안쪽 막은 안으로 깊이 접혀 들어간 주름이 빽빽하다. 심장 근육 세포의 미토콘드리아는 주름이 특히 촘촘하고, 지방 세포의 것은 듬성듬성하다. 안쪽 막을 왜 이렇게 접어 두었을까? 그리고 두 겹의 막이 나누는 공간은 각각 무슨 일을 할까?
3.1.1두 겹의 막과 세 공간
미토콘드리아는 외막과 내막 두 겹의 막으로 둘러싸여 있다. 외막에는 큰 통로 단백질이 있어 작은 분자들이 비교적 자유롭게 드나든다. 내막은 물질 투과가 매우 까다로워 수소 이온조차 마음대로 지나지 못한다. 두 막 사이의 좁은 공간을 막 사이 공간, 내막 안쪽을 기질(매트릭스)이라 한다. 기질에는 TCA 회로의 효소와 함께 미토콘드리아 자신의 DNA와 리보솜도 들어 있다.
기질에서는 피루브산 산화와 TCA 회로가 일어나 NADH와 FADH₂를 만든다. 내막에는 전자 전달계와 ATP 합성 효소가 박혀 있어, 전자 전달로 수소 이온을 막 사이 공간으로 퍼내고, 그 수소 이온이 ATP 합성 효소를 지나 돌아올 때 ATP를 만든다.
그래서 ATP를 얼마나 만들 수 있는지는 내막의 넓이, 곧 내막에 박힌 효소의 수가 정한다. 내막을 안으로 접은 주름을 크리스타라 한다. 그림 1에서 주름 수를 늘려 보자. 같은 미토콘드리아 안에 막 넓이가 몇 배로 늘어난다. 주름이 깊고 촘촘할수록 기질의 부피는 조금 줄지만, ATP를 만드는 작업대는 크게 넓어진다.
3.1.2세포마다 다른 미토콘드리아
심장 근육처럼 쉬지 않고 많은 ATP를 쓰는 세포는 미토콘드리아의 수가 많고 크리스타도 촘촘하다. 심장 근육 세포 부피의 약 3분의 1이 미토콘드리아이다. 반면 에너지를 저장만 하는 지방 세포나 핵이 없는 적혈구는 미토콘드리아가 적거나 없다. 또 미토콘드리아는 자기 DNA를 가지고 둘로 나뉘어 늘어나며, 운동을 꾸준히 하면 근육 세포의 미토콘드리아 수가 늘어난다.1
3.1.3예제 풀이
지름 1 μm, 길이 2 μm인 원기둥 모양 미토콘드리아의 옆면 넓이를 구하여라. 내막에 높이 0.4 μm, 폭 0.8 μm인 판 모양 주름이 10개 있다면 주름 하나가 더하는 넓이는 양면을 합쳐 얼마이며, 내막 전체 넓이는 매끈할 때의 몇 배인가? (\(\pi \approx 3.14\))
옆면 넓이는 \(\pi \times 1 \times 2 \approx 6.28\) μm²이다. 내막이 매끈하다면 넓이는 이와 거의 같다.
주름 하나는 \(0.4 \times 0.8 = 0.32\) μm² 판의 양면이므로 0.64 μm²을 더한다. 10개면 6.4 μm²이므로 전체 내막은 \(6.28 + 6.4 \approx 12.7\) μm²으로 약 2배이다. 즉 주름 10개로 같은 크기의 미토콘드리아에서 ATP 합성 효소를 두 배 둘 수 있다. 심장 근육의 미토콘드리아는 주름이 이보다 훨씬 많아 내막 넓이가 외막의 몇 배에 이른다.
아래 탐구 카드에서 미토콘드리아의 안쪽 막이 주름진 까닭을 직접 따져 보자.
- 수정란의 미토콘드리아는 거의 모두 난자에서 온다. 그래서 미토콘드리아 DNA는 어머니에게서만 물려받으며, 인류의 어머니 쪽 계통을 거슬러 올라가는 연구에 쓰인다.
미토콘드리아는 투과성이 큰 외막과 까다로운 내막으로 둘러싸여, 기질에서는 TCA 회로가, 내막에서는 전자 전달과 ATP 합성이 일어난다. ATP 생산량은 내막의 넓이가 정한다. 그래서 처음 질문의 안쪽 막은 주름을 접어 넓이를 늘림으로써, 같은 크기의 미토콘드리아에 더 많은 전자 전달계와 ATP 합성 효소를 담는다.