미토콘드리아란 무엇이며, 역할과 중요성, 노화와의 관계

미토콘드리아란 무엇인가?

 

우리 몸의 모든 세포는 미토콘드리아를 통해 에너지를 생성합니다. 모든 살아있는 인간 세포에는 수백 개에서 수천 개의 미토콘드리아가 포함되어 있습니다. 미토콘드리아는 마치 우리 소화 기관처럼 세포들의 작은 소화 시스템과 같은 역할을 하며 음식을 에너지원으로 전환시킵니다. 즉, 우리가 섭취한 단백질의 당분, 지방, 아미노산은 미토콘드리아를 통해 에너지로 전환됩니다. 미토콘드리아는 세포가 필요로 하는 에너지의 약 90%를 생성할 정도입니다.

세포 내 미토콘드리아는 마치 작은 콩알처럼 생겼습니다. 미토콘드리아는 외막과 내막이라는 두 개의 막으로 이루어져 있습니다. 외막은 세포 소기관 전체를 덮는 벽 역할을 하며, 내막은 여러 개의 구획으로 구성된 일련의 주름처럼 보이는데 이 겹겹이 쌓인 모양은 미토콘드리아의 표면적을 최대화하여 미토콘드리아의 기능과 효율을 최대한 높일 수 있도록 합니다. 그 안쪽 막 안에는 매트릭스라고 불리는 액체가 있는데, 바로 이곳에서 마법과 같은 일들이 일어납니다.

이미지, 내용 출처: TRU NIAGEN

 

미토콘드리아는 어디에서 왔는가?

 

미토콘드리아가 인간 세포에 중요해지기 전에는 미토콘드리아는 단세포 독립 유기체로서 세포 외부에 완전히 존재했습니다. 미토콘드리아는 박테리아와 매우 흡사했습니다. 하지만 20억 년 전 고대 생물학 역사에서 어느 순간, 미토콘드리아는 단순한 세포와 합쳐져 공생 관계를 형성했습니다. 처음에 계획은 단순히 합치는 것만이 아니었습니다. 미토콘드리아는 박테리아로서 숙주 세포의 에너지를 빼앗아 죽게 내버려 두는 것만을 원했습니다. 그러나 박테리아는 곧 단순 세포와 협력하는 것이 유익하다는 것을 깨달았습니다. 단순 세포는 미토콘드리아가 에너지 생산의 부산물로 생성하는 활성산소와 독성 활성 산소 종으로부터 세포를 보호하기 위해 항산화 물질을 제공합니다. 그 대가로 미토콘드리아는 단순 세포에 필요한 에너지를 생산합니다.

 

미토콘드리아에는 고유한 DNA가 있다

 

본질적으로 미토콘드리아는 우리 몸속의 외계인? 과도 같습니다. 미토콘드리아는 mtDNA라고 하는 자체 DNA를 가지고 있어 독립적인 게놈을 가지고 있습니다. 또한 미토콘드리아 DNA는 어머니에게서 자식에게만 전달되기 때문에 아버지보다 어머니와 유전적으로 더 유사합니다. 

 

미토콘드리아의 역할

 

미토콘드리아의 주요한 목적, 역할은 에너지를 생성하는 것입니다. 미토콘드리아는 에너지를 생성하기 위해 아데노신 삼인산 또는 ATP로 알려진 필수 분자를 생성합니다.

ATP란 무엇인가?
우리 몸은 에너지를 바로 생성하고 활용하는 것이 아닙니다. 실제로 우리가 섭취한 음식에서 생성된 에너지를 분자에 저장합니다. ATP(아데노신 삼인산)는 우리 세포의 주요 에너지 저장 솔루션입니다. 이는 마치 주위를 떠다니며 사용되기를 기다리는 작은 배터리와 같습니다. 세 개를 의미하는 "Tri"는 분자 구조에 세 개의 인산염이 있음을 나타냅니다. 세포에 에너지가 필요할 때 ATP는 가수분해라는 과정을 통해 분해됩니다. ATP는 매우 불안정한 분자이므로 실제로 이 과정은 매우 쉽습니다. ATP의 세 가지 인산염은 한 방을 공유하는 세 명의 룸메이트와 같습니다. 이들은 서로를 싫어하고 서로가 분리되기를 기다리고 있습니다. 분열이 일어나면 ATP의 삼인산 그룹에 있는 인산염 사이의 분자 결합이 끊어져 ATP 분자에서 인산염 중 하나가 제거됩니다. 이 트리오가 듀오가 되어 ATP가 ADP 또는 아데노신 디인산염으로 바뀝니다. 이 분해 과정에서 엄청난 에너지가 방출되고 세포는 이 에너지를 사용하여 중요한 세포 활동에 동력을 공급합니다. 미토콘드리아는 세포가 바로 사용할 수 있는 "배터리", 즉 ATP를 충분히 확보하기 위해 열심히 일합니다.

 

미토콘드리아는 어떻게 ATP를 생성하는가? 

 

미토콘드리아는 더 많은 ATP를 생성하기 위해 일련의 화학반응을 거쳐 음식물, 특히 포도당, 아미노산, 지방산을 분해합니다. 포도당은 음식물이 분해되는 주요 분자이므로 미토콘드리아가 음식을 에너지로 전환하는 방법을 이해하기 위해 포도당에 초점을 맞춰 보겠습니다. 미토콘드리아는 세포 호흡이라는 과정을 통해 포도당 분자를 가져오는데, 이는 본질적으로 산소와 포도당 분자를 결합하여 포도당을 분해하고 전환하는 과정입니다.

산소는 우리가 호흡하는 공기에서 추출됩니다. 포도당에 산소를 추가하는 이 과정은 일련의 분자를 생성합니다.

이 과정을 공식으로 표현하면 다음과 같습니다.

포도당 + 산소 = 이산화탄소, 물, ATP

이산화탄소와 물은 이 과정의 부산물이며, 이것은 세포 호흡을 단순화시킨 것입니다.

 

해당(당 분해) 과정(glycolysis)

 

우리 몸의 미토콘드리아는 포도당을 원시 형태로 받아들이지 않습니다. 포도당은 정상적인 상태로는 사용할 수 없기 때문에 세포는 포도당을 미토콘드리아로 전달하기 전에 포도당을 더 많이 분해합니다. 이 과정을 해당 과정이라고 합니다. 이렇게 분해된 포도당은 산소와 결합하여 이산화탄소, NADH, FADH2, ATP를 생성합니다. 이 과정을 크렙스 주기(Krebs Cycle)이라고 합니다.

이 과정의 생성물은

1. 이산화탄소 : 부산물 중 하나이며, 숨을 내쉴 때 배출됩니다.

2. NADH 와 FADH2 : 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드(NAD+)와 플라빈 아데닌 디뉴클레오티드(FAD)는 더 많은 ATP를 생성하는 데 도움이 되는 조효소입니다. NADH와 FADH2는 전하를 띤 형태입니다.

3. ATP : 에너지

 

실제 에너지는 NADH와 FADH2에서 나옵니다. 따라서 크렙스 사이클은 에너지를 생성하지만 크렙스 사이클만으로는 세포에 필요한 ATP를 충분히 생산하지 못합니다. 진짜 중요한 것은 이 과정에서 생성되는 NADH와 FADH2입니다. 이 두 가지 물질은 전자 수송 사슬이라고 하는 과정을 통해 우리 몸의 ATP 대부분을 생산합니다. 이러한 전자 수송 사슬은 본질적으로 미토콘드리아가 외부로부터 끊임없이 "빼앗는" 과정입니다. 미토콘드리아는 전자로 하전 된 분자인 NADH와 FADH2에서 이러한 전자를 "빼앗아"  NAD+와 FAD로 전환합니다.

미토콘드리아는 이렇게 하전 된 전자를 가져와 엄청난 양의 ATP를 생산하여 레몬을 레모네이드로 만듭니다. 이 과정은 ATP 생산에 매우 효율적이기 때문에 전자 수송 사슬은 우리 몸의 ATP 에너지 대부분을 생산합니다. 다행히 미토콘드리아를 도와주는 NAD+와 FAD는 이 과정을 유지하기 위해 계속해서 하전 된 전자를 선물하고 돌아옵니다. 이 과정이 완벽한 공급망이며 이 과정에 유일한 부산물은 물입니다.

즉, 위에서 말한 공식 : 포도당 + 산소 = 이산화탄소, 물, ATP

 

미토콘드리아 감소와 노화

 

 요크대학교 운동과학 연구소에 따르면 나이가 들수록 미토콘드리아를 더 적게 만든다고 합니다. 또한 나이가 들어감에 따라 미토콘드리아 기능도 점차 저하되어 몇 개 남지 않은 미토콘드리아가 더 열심히 일을 할 수밖에 없게 됩니다. 실제로 미토콘드리아 기능 장애는 노화의 특징으로 간주되곤 합니다. 이 대학의 연구진들은 이것이 활성산소 수와 세포의 활성산소 제거 능력 사이의 불균형으로 인한 결과라고 생각했습니다. 그러나 대부분의 과학계는 미토콘드리아가 시간이 지남에 따라 ATP를 만드는 능력이 감소하기 때문에 그 효율성이 떨어진다는 데 동의하고 있습니다.

 

미토콘드리아 = 신체 에너지 

 

대부분의 경우, 우리가 생성하는 미토콘드리아의 수는 우리가 필요로 하는 에너지의 양과 상관관계가 있습니다. 즉, 우리의 일상 활동이 미토콘드리아를 생성하고 유지하는 미토콘드리아의 수를 결정한다는 뜻입니다. 생활 방식이나 습관에 큰 변화가 있을 때마다 미토콘드리아는 그 수를 조정합니다.

요크 대학교 연구진은 운동 루틴과 미토콘드리아 생체 생성 사이에 연관성이 있다는 것. 즉, 미토콘드리아 생물 생성은 신체 내에서 일어나는 일련의 복잡한 화학반응으로, 더 많은 ATP가 필요하고 따라서 더 많은 미토콘드리아가 필요하다는 신호를 보낸다는 것입니다. 미토콘드리아는 기본적으로 새로운 에너지 수요를 충족하기 위해 자기 복제 과정을 통해 스스로를 복제합니다. 그러나 그 반대도 마찬가지입니다. 특히, 앉아서 생활하는 습관은 우리 몸에 ATP가 많이 필요하지 않다는 신호를 보내 미토콘드리아의 복제를 억제할 수 있습니다. 그 결과 미토콘드리아가 전반적으로 세포 에너지를 덜 생산하여 더 신진대사 기능 장애로 까지 이어질 수 있다는 것입니다.

 

미토콘드리아와 NAD+

연관 문서 : 두뇌 노화와 NAD+ 연관성

 

미토콘드리아가 에너지 생성에 중요한 역할을 하는 만큼 미토콘드리아는 하나의 소기관처럼 단순하지 않습니다. 니코틴아미드 아데닌 디뉴클레오티드 또는 NAD+로 알려진 하나의 중요한 분자를 중심으로 다양한 화학반응과 코엔자임이 작용합니다. 앞서 언급했듯이 세포 호흡에서는 FAD와 NAD+라는 두 가지 코엔자임이 생성됩니다. 그러나 이 두 가지 중 NAD+가 FAD보다 훨씬 더 많이 생성됩니다.

미토콘드리아를 공장에 비유한다면, NAD+ 분자는 이것을 배달하는 트럭에 해당하고 FAD 분자는 파트타임으로만 일하는 임시직 운전기사에 해당합니다. NAD+는 미토콘드리아의 가장 든든한 친구로, 전자 전달 사슬에서 풍부한 ATP를 생산하기 위해 끊임없이 하전 된 전자를 전달합니다.

 

NAD+는 나이가 들수록 감소

 

안타깝게도 우리 몸에서 생성되는 NAD+의 양은 나이가 들면서 자연적으로 감소합니다. 미토콘드리아와 마찬가지로 세포에 있는 NAD+의 수도 우리의 생활 방식과 습관에 크게 영향을 받습니다. 관련 연구에 따르면 운동을 하면 자연적으로 NAD+ 수치가 높아질 수 있지만, 반대로 나이와 대사, 면역스트레스, 음주, 과식 등은 NAD+ 고갈의 원인이 될 수 있습니다. 과학계에서는 이러한 노화의 과학을 이해하고 노화를 가장 잘 관리하는 방법을 찾기 위해 NAD+ 연구와 미토콘드리아 기능 장애와의 관계에 큰 관심을 기울이고 있습니다.

 

미토콘드리아가 우리 인체 건강에 중요한 역할을 한다는 것은 익히 알려진 사실이며, NAD+도 그중 하나입니다. 다행히 몇 가지 생활 습관의 변화 만으로도 미토콘드리아 기능을 건강하게 유지할 수 있습니다.

미토콘드리아 기능을 건강하게 유지하는 방법 알아보기