미토콘드리아와 엽록체는 진핵세포 내에서 에너지 생산에 중요한 역할을 하는 세포기관이다. 미토콘드리아는 세포의 "발전소"이며 ATP의 형태로 에너지를 생성하는 과정인 세포 호흡을 담당한다. 식물과 조류 세포에서만 발견되는 엽록체는 광합성을 수행하는데, 엽록소나 다른 색소를 통해 빛 에너지를 받아서 포도당의 형태로 화학 에너지로 전환한다.
목차
미토콘드리아와 엽록체
생명체가 음식을 섭취하거나 빛을 받으면(광합성), 자신의 몸에서 사용할 수 있는 에너지로 전환하여야 한다. 예를 들어서, 우리가 음식을 섭취하면, 즉각적으로 힘이 나지 않고, 이를 소화해야 에너지를 얻을 수 있는 것처럼 말이다. 이 때, 미토콘드리아(mitochondria)는 세포호흡을 담당하며, 당, 지방, 단백질 등 열량을 내는 영양소를 분해하고, 이를 통해 ATP를 얻는다. 또한, 조류나 식물에 존재하는 엽록체(chloroplast)는 빛에너지를 화학에너지로 바꾸어 유기물을 만드는 광합성 과정이 일어나는 세포소기관이다.
미토콘드리아와 엽록체의 기원: 세포내공생설
미토콘드리아와 엽록체는 원시 진핵세포에 휩싸인 고대 박테리아에서 진화한 것으로 생각된다.
세포내공생설(endosymbiont theory)이라고 불리는 이 과정은, 박테리아가 숙주 세포에 집어삼켜지면서 일어났다고 추정된다. 섭식된 박테리아는 숙주 세포에 대사 효과를 제공했고, 숙주 세포는 박테리아에 보호와 자원을 제공하며, 상호보완적인 관계로 존재했다. 시간이 지남에 따라, 박테리아는 진핵 세포 내의 영구적인 기관이 되었고, 결국 오늘날 우리가 알고 있는 미토콘드리아와 엽록체로 진화했다.
얼핏 생각해보면, 섭식된 다른 생명체가 소기관이 되었다는게 말도 안되는 소리라는 생각이 들 수도 있다.
그러나, 이 이론은 다양한 증거들에 의해 뒷받침된다.
이 이론은 미토콘드리아와 엽록체가 그들 자신의 DNA를 가지고 있고 박테리아와 마찬가지로 세포 내에서 독립적으로 번식할 수 있다는 사실에 의해 뒷받침된다.
1. 구조적 유사성: 위의 그림에서 볼 수 있듯이, 미토콘드리아와 엽록체는 섭식된 박테리아이기 때문에 이중막 구조를 형성하게 되었고, 박테리아와 유사한 고유의 숙주세포와는 다른 DNA, 리보솜, 유전 물질을 포함하고 있다.
2. 재생산: 미토콘드리아와 엽록체는 박테리아와 마찬가지로 세포 내에서 독립적으로 번식할 수 있다.
3. 유전적 증거: 미토콘드리아와 엽록체의 DNA는 특정 박테리아 그룹의 DNA와 유사하며 숙주 세포의 핵의 DNA와는 구별된다.
4. 물질대사: 미토콘드리아와 엽록체는 숙주 세포의 대사 경로와 다르며 박테리아에서 발견되는 대사 경로와 유사하다.
5. 계통발생학적 관계: 미토콘드리아, 엽록체, 박테리아의 게놈 사이의 진화적 관계는 내공생 이론을 뒷받침한다.
이러한 증거들은 세포내공생 이론과 미토콘드리아와 엽록체가 원시 진핵세포에 섭식된 고대 박테리아로부터 기원했다는 것에 대해 강력한 지지를 제공한다.
미토콘드리아의 구조와 역할
미토콘드리아 (mitochondria)는 진핵세포의 세포질에서 발견되는 막 결합된 세포소기관이다. 그들은 에너지 생산에 중요한 역할을 하기 때문에 종종 세포의 "발전소"이라고 불린다. 특히, 미토콘드리아는 ATP(adenosine triphosphate) 분자의 형태로 에너지를 생성하는 대사 과정인 세포 호흡을 담당한다.
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일반생물학_6강 에너지와 생명 - ATP, 효소
생명체는 살아가기 위해서 에너지가 필요하다. 이러한 에너지를 물질대사(metabolism)이라는 화학 반응을 통해서 얻거나 사용한다. 이 때, ATP가 에너지를 전달하며, 효소(enzyme)는 에너지의 장벽을
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미토콘드리아는 동물 뿐 아니라 식물, 진균 등 다양한 종류의 진핵생물에서 발견되며, 거의 대부분의 진핵생물이 미토콘드리아를 갖고 있다. 각 세포는, 하나의 미토콘드리아가 아닌 수백개에서 수천개에 달하는 미토콘드리아를 포함한다.
미토콘드리아는 그들 자신의 DNA와 유전 물질을 포함하고 있으며 세포 내에서 독립적으로 번식할 수 있다. 이들은 또한 이중 막 구조를 가지고 있으며, 각 막은 인지질 이중층으로 구성되어 있다. 내막이 강하게 접혀져 크리스타(cristae)를 형성하고 있고, 이는 대사 반응을 위한 표면적을 증가시키기 위함이다. 외막과 내막사이에 존재하는 막사이공간과, 내막에 둘러싸인 기질(mitochondrial matrix)이 존재하며, 이 기질에는 다양한 효소들과 DNA, 리보솜 등이 있다.
미토콘드리아는 1–10 μm의 크기 정도이며, 세포 내부를 돌아다니며 형태가 변형되거나 분열되기도 한다. 미토콘드리아는 에너지 생산에서 그들의 역할 외에도 세포의 성장과 분열을 조절하고, 세포의 죽음을 조절하고, 세포의 항상성을 유지하는 것을 돕는 등 세포에서 다른 중요한 역할을 한다.
엽록체의 구조와 역할
엽록체(chloroplast)는 식물과 조류의 세포에서 발견되는 특수한 세포기관이다. 엽록체는 빛 에너지를 포착하는 엽록소와 다른 색소들을 포함하며, 광합성에서 광에너지가 포도당의 형태로 화학 에너지로 전환되는 역할을 담당한다.
엽록체는 또한 이중막 구조를 가지고 있으며, 내막이 강하게 접혀 틸라코이드(thylakoid)를 형성하는데, 이는 마치 포커에서 칩을 쌓아둔 것과 같은 형태를하고 있다. 이 틸라코이드가 쌓인 하나의 기둥을 그라나(granum, 복수: grana)라고 한다. 이러한 구조는 광합성의 대사 반응을 위한 표면적을 증가시킨다.
이 밖의 기질 부분을 스트로마(stroma)라고 하며, 여기에 엽록체의 DNA와 리보솜 등 대사에 관여하는 물질들이 있다. 엽록체는 광합성에서 그들의 역할 외에도 식물의 성장, 발달, 환경 자극에 대한 반응에서 중요한 역할을 한다.
엽록체도 세포 내에서 미토콘드리와 같이 동적으로 움직이며, 스스로 복제하기도 한다. 또한 엽록체는 다양한 색소체(plastid)들은 뿌리나 줄기의 색을 만드는(amyloplast), 과일이나 꽃의 노란색 빛을내는(chromoplast)등의 구조와 밀접하게 연관을 맺고 있다.
전반적으로 엽록체는 식물과 조류 세포의 중요한 구성 요소로, 스스로 음식을 생산할 수 있게 하고 성장과 생존을 촉진한다.
퍼옥시좀의 구조와 역할
퍼옥시좀(peroxisome)은 진핵세포의 세포질에서 발견되는 작고 막에 결합된 세포소기관이다. 퍼옥시좀은 다양한 물질에서 수소를 제거하여 산소를 전달해주는 과산화효소를 가지고 있고, 이에 대한 부산물로 과산화수소(H2O2)를 만든다. 이는 지방산의 분해, 유해 물질의 해독, 특정 지질의 합성 등을 포함한 다양한 대사 과정에 관여한다.
퍼옥시좀 산화반응에 관여하는 효소를 포함하고 있으며, 앞에서 말했듯이, 과산화수소(H2O2)를 많이 포함하고 있다. 이러한 과산화 수소는 세포를 손상시키는데, 세포 손상을 막기 위해, 퍼옥시좀은 과산화수소를 물과 산소로 분해하는 효소를 포함하고 있다.
미토콘드리아와 엽록체처럼 퍼옥시좀은 자신의 DNA를 가지고 있으며 세포 내에서 독립적으로 번식할 수 있다. 이들은 또한 세포의 세포질과 구별되는내부와 함께 단일 막 구조를 가지고 있다.
퍼옥시좀의 역할에 대해서는 아직 밝혀지지 않은 부분이 많다. 퍼옥시좀은 리소좀과 다르게 내막계에서 만들어지지도 않으며, 세포질에서 만들어져 세포기질 내에 있는 지질과 스스로 합성한 지질을 병합하여 크기를 키운다. 일정 크기 이상이 되면 둘로 나누어지기도 하여, 세포내공생설에 대한 실마리를 제공한다고도 여겨진다. 이에 대한 연구는 지금도 활발히 이루어지고 있다.
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