고귀한 ......
■ 생명물질
( 종류 및 개요)
□ 단백질
. 아미노산(amino acid)은 모든 생명현상을 관장하고 있는 단백질의 기본 구성단위
염기성의 아미노기(-NH2), 산성의 카르복시기(-COOH), 유기원자단 R기로 구성된 유기화합물
NH2
I
R [CH3-CH2-CH2- --] – C – COOH
I
H
천연에는 100개 이상의 아미노산이 존재
이 가운데 약 20개의 아미노산만이 원생동물에서 동식물에 이르는 유기체(有機體)에 공통으로 존재하며,
단백질 합성에 이용됨
이들 가운데 대략 10개는 인체에서 합성이 불가능한 필수아미노산이므로 음식물로부터 섭취해야 하고,
나머지 10개(비필수아미노산)는 아미노기 전달반응이라고 하는 산화-환원 반응에 의해 합성됨
DNA는 아미노산을 특정 위치에 배열하여 단백질이 만들어지도록 함
대부분의 단백질은 100개 이상의 아미노산으로 이루어짐
- 구조단백질
콜라겐은 뼈·힘줄·인대·피부를 구성하는 구조단백질,
전구물질인 프로콜라겐으로부터 만들어지며,
3개의 소단위가 나선형으로 꼬여 있는 형태.
콜라겐은 아미노산 중에 프롤린과 히드록시프롤린을 다량으로 포함됨.
생명체의 노화현상은 콜라겐 섬유간의 교차결합 때문인 것으로 추정.
케라틴은 상피세포 내의 구조단백질로 머리카락·손톱 등을 구성
케라틴은 시스틴들이 많은 이황화물 결합을 형성하므로 매우 안정
인체에는 약 5~6㎏의 근육단백질이 있으며,
다양한 효소를 포함하는 미오겐과, 수축단백질인 미오신으로 이루어짐.
- 알부민과 글로불린 및 다른 수용성 단백질
사람의 혈청에는 7％의 단백질이 포함되어 있으며,
2/3가 알부민이고 1/3이 알파·베타·감마 글로불린
혈청 알부민은 생체 내에서 생물학적 물질의 운반체로 작용
다른 단백질들을 안정화 시키는 작용
계란흰자의 50％는 오브알부민(혈청 알부민과는아미노산 구성성분이 다른) 으로 이루어졌으며,
그 외에 콘알부민·라이소자임·오보글로불린 등으로 구성
라이소자임은 용균작용(溶菌作用)을 하며 알파-락트 알부민과 3차 구조가 유사.
프로타민은 어류의 정자 세포에서 발견되며 디옥시리보핵산(DNA)과 결합되어 있음
- 접합단백질
보결원자단과 단백질의 공유결합은 당단백질이나 헴(헤모글로빈의 색소성분) 단백질 등에 있고
비공유결합은 지방단백질, 핵산단백질, 헴 단백질, 금속함유 단백질에서 볼 수 있음.
지방단백질의 물리적 성질은 단백질과 유사
지질이 그물처럼 배열되어 있는 펩티드 사슬 안에 갇혀 있으므로 변성 시켜 사슬을 풀어줘야 반응
금속함유 단백질은 중금속 이온이 단백질의 히스티딘이나 시스틴의 곁사슬, 또는 다른 아미노산에 직접 결합하여 만들어진 단백질
종류로는 혈장의 글로불린 부분에 존재하는 트랜스페린과 세룰로플라스민이 있으며 각각 철(Ⅲ) 이온과 구리의 운반체로 작용
- 단백질호르몬
호르몬은 효소활성도가 없고 표적기관의 생물학적 작용을 이끌어내는 구실을 함.
- 면역 글로불린과 항체
항체는 면역혈청의 γ-글로불린 부분에 결합되어 있으며,
체내에서 이 물질에 대항하는 단백질로 항원 항체 복합체를 이룸.
γ-글로불린은 면역 글로불린과 비슷한 성질을 가지며,
γ글로불린의 면역 글로불린 M, A, G, D, E 부분 중 대부분의 항체를 갖는 G에서 면역 글로불린 덩어리가 발견됨
□ 효소
생체내의 다양하고 복잡한 모든 생화학반응의 촉진제이며, 조절기능 가짐
소화작용에서부터 혈액으로의 운반작용,
거대분자의 형성, 에너지 저장 및 방출 등에 관여
1개 이상의 소단위들이 모여 형성된 수백 여 개의 효소단백질은 기질과의 반응성에 따라 분류
많은 효소들이 금속이나 조효소 같은 공동인자를 가짐
□ 탄수화물
천연에 존재하는 가장 풍부한 유기물질로서 화학식은 Cn(H2O)n
단당류·이당류·올리고당류·다당류로 분류되며, 인간의 주된 에너지원
□ 지방
지방은 세포의 구성성분이며, 에너지원
10개 이하의 탄소로 이루어진 지방산들은 수용성
그 이상의 탄소를 포함하는 지방산들은 불용성
- 지방산 유도체 및 화합물
- 지방단백질
□ 핵산
- DNA
- RNA
□ 비타민
일반적으로 체내에서 합성되지 않으므로 외부로부터 공급 받음
동물의 체내 요구량은 극미량
전구물질인 프로비타민이 몇 가지 물질대사과정을 거쳐 비타민으로 전환
항비타민은 비타민과 결합해 비타민을 파괴시키고, 비타민의 조효소 기능을 방해함.
비타민은 물질대사를 조절하는 기능을 가지며, 결핍되면 대사균형이 깨짐.
비타민은 수용성 비타민과 지용성 비타민 2종류
□ 호르몬
동식물에 의해 분비되는 유기물질로서 생리작용을 조절
생체항상성을 유지
특정기관이나 조직으로부터 응답반응을 불러일으키는 작용
호르몬 조절은 신경계에 의한 조절과 밀접한 관련
신경분비세포에서 신경호르몬을 분비, 혈류로 방출
신경에 전달된 신호를 화학적 자극으로 전환시킴.
내분비조절은 조절효과의 진행속도가 느린 반면 오래 지속, 체내에 널리 분포
신경조절은 빠른 응답효과를 가지는 반면 짧은 지속기간
From daum백과
□ 염색체
사람의 체세포에는 46개(23쌍)의 염색체가 들어 있다. 그중 남녀에 공통으로 들어 있는 22쌍의 염색체를 상염색체라고 하고, 남녀에 따라 차이가 나는 나머지 한 쌍의 염색체를 성염색체라고 한다. 사람의 성염색체는 X와 Y 염색체가 있으며, 이들 염색체의 구성에 따라 성이 결정된다. 남자는 X 염색체와 Y 염색체를 하나씩 가지고 있고, 여자는 X 염색체를 두 개 가지고 있다.
염색체는 DNA와 단백질로 이뤄져 있다. DNA는 유전물질이며, 여기에는 생물의 특징을 결정하는 유전자가 있다. 사람의 경우 약 2만∼2만 5000개의 유전자가 있으며, 한 세포에 존재하는 DNA의 총 길이는 2m나 된다. 평상시에는 DNA가 핵 속에 실과 같은 형태로 퍼져 있지만 세포가 분열할 때에는 염색체로 응축된다. 염색체에는 유전자가 있으므로 염색체 수가 하나라도 부족하거나 많으면 이상 증세가 나타난다.
20세기 초반에 생물학자들의 관심 대상은 유전물질이 무엇인지 밝히는 것이었다. 모건과 그의 제자들에 의해 유전자가 염색체 상에 있다는 것이 밝혀진 이후에 유전물질은 염색체를 구성하는 성분인 단백질과 DNA 중 하나일 것으로 예측됐다.
단백질은 매우 특이하고 다양한 기능을 수행하는 분자이므로 1940년대까지 유전물질은 단백질일 것이라고 생각하는 경향이 강했다. 그러나 그리피스와 에이버리의 폐렴 쌍구균을 이용한 실험, 허시와 체이스의 박테리오파지 증식 실험을 통해 유전물질이 DNA라는 것이 입증됐다.
많은 생물학자들이 DNA가 유전물질이라는 것을 확신하게 되면서 DNA의 구조에 대한 연구가 진행됐다. 1953년 왓슨과 크릭이 DNA 2중 나선구조 모형을 제시한 이후로 이 모형은 현대 생물학의 근간이 됐다.
DNA는 염기와 인산, 당으로 구성된 뉴클레오타이드의 종합체이다. 각각의 DNA 가닥은 당-인산 골격으로 형성되며, 질소를 함유한 염기들은 2중 나선 안쪽에서 수소결합으로 쌍을 이루고 있다. DNA를 구성하는 염기는 아데닌(A), 티민(T), 구아닌(G), 사이토신(C) 4가지인데, A는 항상 T와, G는 항상 C와 상보적인 염기쌍을 이룬다. 단백질을 합성하기 위해 필요한 정보는 이 4가지 뉴클레오타이드의 배열에 의해 암호화돼 있다. 유전체는 배우자(정자와 난자)에 포함되어 있는 염색체 또는 유전자의 전체를 의미한다. 즉, 각 생물에서 염색체의 1조를 말하며 유전자(gene)와 염색체(chromosome)의 두 단어를 합성해 만든 용어이다.
현대 과학의 커다란 성과 중 하나는 인간의 유전체를 서열화한 것이다. 완벽한 유전체의 서열화는 세균에서 처음 완료됐으며, 오늘날에는 유전자들의 상호작용 연구 등 유전체에 대해 많은 연구를 수행하고 있는데, 이러한 학문을 유전체학이라고 한다.
http://blog.naver.com/tycoon007/220097611737
■ 탄수화물 carbohydrate 炭水化物
당류·녹말·셀룰로오스를 포함하는 천연 유기물질.
일반식은 Cn(H2O)m
탄수화물을 단당류·이당류·올리고당류·다당류로 분류
단당류 : 탄소 3~9개로 구성
포도당(글루코오스：덱스트로오스 또는 옥수수당)·프룩토오스(과당)·갈락토오스
이당류 : 2개의 단당류 분자로 연결
수크로오스(설탕)는 포도당 1분자와 프룩토오스 분자
락토오스(젖당)와 말토오스
올리고당 : 3~6개의 단당류 단위로 구성
다당류 : 1만개 정도의 커다란 단당류로 연결
셀룰로오스·녹말·글리코겐 (천연에서 발견되는 대부분의 구조 탄수화물과 저장 탄수화물)
녹색식물은 이산화탄소와 물을 탄수화물로 전환하기 위해 광합성을 한다.
광합성 과정에서는 산소가 대기 중으로 방출되고 빛 에너지가 탄수화물의 화학 에너지로 바뀐다.
식물은 간단한 탄수화물을 셀룰로오스, 저장 녹말, 과일의 수크로오스 등 그 밖의 다당류로 전환
■ 핵산 nucleic acid 核酸
살아 있는 세포의 유전물질을 구성하는 물질
단백질의 합성경로를 조종하고 모든 세포의 활동을 조절
한 세대에서 다음 세대로 핵산이 전달되어 유전형질의 전달체 역할
핵산의 분류
핵염기 : 아데닌 티민 우라실 구아닌 시토신 푸린 피리미딘
뉴클레오시드 : 아데노신 우리딘 구아노신 시티딘
뉴클레오티드 : AMP UMP GMP CMP ADP UDP GDP CDP ATP UTP GTP CTP ...
디옥시뉴클레오티드 : dAMP TMP dGMP dCMP dADP TDP dGDP dCDP ...
리보핵산 : RNA mRNA tRNA rRNA ncRNA sgRNA shRNA siRNA| snRNA ...
디옥시리보핵산 : DNA mtDNA cDNA 플라스미드 코스미드 BAC YAC HAC
유사 핵산: GNA PNA TNA morpholino
DNA, RNA : 뉴클레오티드가 길게 사슬 모양으로 결합한 핵산
왓슨과 크릭의 이중나선 발견
DNA가 유전 물질임을 규명
아데닌(A)과 티민(T)의 비율이 1:1,
구아닌(G)와 시토신(C)의 비율이 1:1로 일정
아데닌과 티민, 구아닌과 시토신이 구조적으로 짝이 맞으므로
나선 구조의 안쪽에서 서로 쌍을 이룸
당-인산 뼈대는 염기가 결합한 평면과 직각으로 존재
당-염기의 결합각으로 미루어 뼈대는 나선형으로 꼬이면서 올라감.
로절린드 프랭클린이 X-선 DNA의 사진 촬영
핵산 분자는 뉴클레오티드라는 반복되는 구조단위로 이루어진 긴 사슬
뉴클레오티드는 중앙에 있는 당(糖)과 거기에 결합된 인산기와 질소유기염기로 구성
DNA와 RNA 모두 질소 염기로 아데닌(A)·구아닌(G)·시토신(C)을 갖지만,
우라실(U)은 RNA에서만 발견되고 티민(T)은 DNA에만 있음.
DNA의 생물학적 기능은 유전정보를 보존하고 전달하는 것으로
유전정보는 DNA의 염기 순서에 의해 암호화됨.
■ 단백질 protein 蛋白質
대부분의 단백질은 100개 이상의 아미노산으로 구성됨
아미노산은 카복실기와 아미노기가 반응하여 펩타이드 결합을 형성
R - COOH + NH2 - R → R-CO-NH-R' + H2O
생물체에서 발견되는 대부분의 단백질은 20가지의 아미노산으로 구성
각 아미노산은 여러 번 반복되면서 정해진 순서대로 1줄로 연결됨
각 종류의 단백질은 독특한 아미노산 서열을 가지며 이런 순서를 1차 구조라 하고
이것이 단백질의 구조와 기능을 결정
3차 구조는 단백질 사슬이 구부러지고 접혀짐으로써 형성되며, 구형단백질(球形蛋白質)을 형성
이황화물(-s-s-)은 단백질 사슬의 고리모양구조를 안정화
단백질 분류
단순단백질 - 아미노산만으로 이루어졌으며
복합단백질 - 아미노산과 비(非)아미노산 보결분자단으로 됨.
(補缺分子團 : 탄수화물·지질(脂質)·핵산·금속·색소 또는 비단백질 분자나 이온 등)
이런 여러 가지 물질의 대부분은 비타민이나 금속(미량 원소)
구조 단백질
생물학적 활성 단백질
■ 아미노산 amino acid
아미노기(-NH2), 카르복시기(-COOH) 및 유기원자단 R기로 구성된 유기화합물.
천연에는 100개 이상의 아미노산이 존재하고
이 가운데 약 20개의 아미노산만 원생동물과 동식물에 이르는 유기체(有機體)에 공통으로 존재
다양한 단백질 (효소·독·호르몬, 생체구조·물질수송·수측기능 요소, 특정한 생물학적 활성을 갖는 분자 등)합성에 이용
고유한 물리적·화학적 성질은 R기의 구조와 화학적 성질에 따라 다르고
아미노산은 보통 R기의 극성(pH가 중성인 물과 상호 작용하는 경향)과 전하에 따라 분류
pH가 중성인 수용액에서 아미노산은 약산과 약염기의 성질을 동시에 나타낸다.
아미노기 수소 이온 및 카르복시기 수소 이온 탈착에 따라 + -전하
아미노산끼리 결합해 단백질을 만들 때 pH에 따라 수소 이온을 받아들이거나 내놓음으로써, 항상 일정한 pH가 유지됨.
이러한 완충작용(緩衝作用)은 혈액의 pH를 유지
From daum백과
■ 미토콘드리아 (mitochondrion)
미토콘드리아는 여러 면에서 독립된 하나의 생명체였던 것으로 보인다. 우선 자신을 포함한 세포와는 독립적인 유전자(DNA)를 가지고 있어 고유의 단백질을 만들어낸다. 또 DNA는 박테리아의 경우처럼 원의 모양을 갖춘 데다, 히스톤이라는 단백질과 연결되어 있지 않다. 식물 세포에서 엽록체 역시 비슷한 형태를 취한다.
이런 점들 때문에 엽록체와 함께 미토콘드리아가 원래 박테리아의 한 형태였으며, 진화 과정에서 핵을 갖춘 세포 수준의 생명체와 공생 관계를 이뤘다는 가설이 있다. 미토콘드리아는 숙주(세포)에게 ATP 생산 시스템을 제공하고, 반대로 숙주는 미토콘드리아가 안정되고 쉽게 영양분을 섭취하며 살 수 있는 여건을 만들었다는 설명이다.
미토콘드리아(mitochondria)의 기원에 관한 진화생물학자들 사이의 대중적인 이론은, 미토콘드리아는 한 때 독립생활을 하던 유기체(free-living organism)가 세포 안으로 통합되었다는(incorporated) 이론이다. 독립생활을 하는 어떠한 유기체라 해도 적어도 DNA 상에 256개의 유전자(genes)와 30만 개의 염기쌍을 가지고 있어야 하지만, 미토콘드리아는 DNA 상에 단지 16,000여 개의 염기쌍만 가지고 있다.
따라서 포유류의 미토콘드리아는 세포로 통합되어 가는 과정에서 많은 DNA를 잃고, 포유류 DNA의 약 97%가 기능을 가지고 있지 않은(non-functional) 것으로 추정한다. 모든 세포들이 세포 안에 똑같은 숫자의 미토콘드리아를 갖고 있는 것은 아니다. 지방세포와 같이 활동을 하지 않는 세포에는 미토콘드리아의 숫자가 적지만, 활동을 많이 하는 세포에는 하나의 세포에 1000 - 2000 개의 미토콘드리아가 존재한다. 따라서 세포 안에서 미토콘드리아가 차지하는 부피도 전체의 12 - 25% 정도나 된다.
미토콘드리아는 바쁘게 움직인다. 세포 내에서 미토콘드리아의 신경전달 속도는 시속 200 마일 (200 km/h의 1.6배)나 된다. 세포에는 일을 많이 하는 세포일수록 더 많은 량을 갖고 있다. 그 수명도 세포와 함께 하는 것이 아니라, 대부분은 반감기가 10일 정도로 단명이다. 세포의 수명은 다양하다. 종류에 따라서 수십일 밖에 못사는 세포가 있는가 하면, 뇌의 신경세포같이 영생을 하는 세포도 있다. 그러면서도 세포핵 유전자의 지시를 받는 것이 아니라, 미토콘드리아 자체의 유전자를 따로 갖고 있으면서 전체 세포에까지 영향을 준다.
미토콘드리아는 음식을 통하여 흡수된 탄수화물, 단백질, 지방을 연료로 하여 에너지를 생산한다. 이 때 소모되는 산소는 체내로 흡수되는 산소의 90%를 미토콘드리아에서 소모시킨다. 그러나 모든 미토콘드리아가 똑같은 연료를 사용하는 것은 아니며, 뇌신경의 미토콘드리아는 Glucose만을 연료로 사용한다.
뇌에는 140억 개의 신경세포가 있다. 체내에 존재하는 60조의 세포에 비하면 아주 적은 양이지만, 뇌의 활동은 대단한 에너지를 필요로 하기 때문에 혈액의 당 중 50%를 뇌신경세포의 미토콘드리아가 소모시키며, 흡수되는 산소의 20% 정도를 소모시킨다. 정상의 뇌세포는 한 분자의 Glucose에서 38 분자의 ATP를 생성하므로, 몸 전체의 ATP의 15 - 20%를 생성하게 된다.
인체가 노화된다는 것은 바로 미토콘드리아의 변질을 뜻한다. 미토콘드리아의 유전자(DNA)는 세포의 유전자보다 감수성이 훨씬 더 예민하여 유리기의 공격을 받는다면 세포의 유전자보다 10 - 17배정도 더 빨리 파괴될 수 있다. 노화된 세포에서는 하나의 세포 안에서 활동하고 있는 1,000 - 2,000 개의 미토콘드리아 중에서 과연 몇 % 정도가 정상으로 활동할 수 있느냐가 문제가 된다. 뇌에서 정상의 미토콘드리아 기능은 포도당(Glucose) 한 분자로부터 38개의 ATP를 생성하지만 노화되거나 비정상의 미토콘드리아는 포도당 한 분자로부터 겨우 2개의 ATP 만을 생성하는 경우도 있다.
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□ 미토콘드리아 개요
. 미토콘드리아 (Mitochondria)의 어원은 고대 그리스어 mitos(끈) chondros(낱알)
. 겉모양이 낱알을 닮고 내부 구조가 끈을 말아 놓은 것 같다고 하여 붙여진 이름
. 진핵생물의 세포 안에 있는 중요한 세포소기관 (세포생물학)
. 동물과 식물의 진핵세포 안에 존재하면서 호흡을 수행하고 에너지를 생성하는 소기관
. 구형 또는 막대 모양이고, 크기는 약 0.2∼0.5㎛
. 세포 속에 들어 있는 수는 세포에 따라 다르며,
간세포처럼 활동이 왕성한 경우 2,000개 이상 들어 있음
. 기본기능은 여러 유기물질에 저장된 에너지를 산화적 인산화과정을 통하여
생명활동에 필요한 아데노신삼인산(ATP)의 형태로 변환
. 보통 미토콘드리아는 세포의 25%의 세포질을 차지하고 있으나
그 크기와 수가 세포의 종류와 역할에 따라 다양함
. 자체적인 DNA(mtDNA: mitochondirial DNA)를 가지고 있음
. mtDNA와 이중막 구조는 미토콘드리아뿐만 아니라 엽록체에서도 나타남
. 오래 전 세균에 의한 세포공생의 결과로 진핵생물의 탄생이 이루어진 데서 유래한 것으로 여겨짐
□ 구조
. 미토콘드리아는 세포막과 같은 형태이며
. 단백질을 포함하고 있는 인지질 이중층으로 이루어진 내막과 외막으로 형성
. 외막은 매끈하며 연속적이지만, 내막은 안쪽으로 반복해서 함입된 구조를 가지며,
이 함입 부위를 크리스테(cristae)라고 부름
. 외막과 내막에는 다양한 효소가 존재하는데, 주요 기능은 당이나 지방산과 같은
영양물질을 산화시키는 일이며, 이를 호흡이라 부름
. 특히 크리스테 부위에서는 산화적 인산화 반응을 통해 생명체의 에너지인
아데노신삼인산(adenosine triphosphate/ATP)이 합성됨
. 외막
외막은 미토콘드리아 전체를 감싸고 있으며 무게 기준으로 인지질과 단백질이 반반씩 구성하고 있다. 외막에는 포린(porin) (2~3nm 정도 크기의 비교적 큰 내재성단백질(integral proteins))이 많이 있는데 이 포린은 5000D(달톤)이하인 분자가 투과할 수 있는 통로(channel)이다. 5000D보다 큰 분자들은 능동수송에 의해서만 외막을 통과할 수 있다. 지방산의 탄화수소부분의 합성/신장, 에피네프린(아드레날린)의 산화, 트립토판의 분해 등의 기능에 관련된 다양한 효소들이 이러한 능동수송 과정에 작용한다.
. 내막
내막은 4가지 종류의 기능을 가진 단백질(효소)를 가짐
. 산화효소: 세포호흡
. ATP 생성효소: ATP생성
. 내막 안팎으로의 대사물질 운송
. 단백질 수송
100가지 이상의 폴리펩티드를 가지고 있으며 단백질 대 인지질 비율(무게기준으로 3:1이상, 분자수 기준으로 1:15)이 높다. 또한 일반적으로 세균의 세포막에서도 볼 수 있는 카디오리핀이라는 특수한 인지질이 풍부하다. 외막과 달리 내막은 포린(porin)을 가지고 있지 않아 투과성이 상당히 낮다. 이 때문에 내막과 기질 사이에 물질 농도차이가 생긴다. 수소 이온의 경우 농도차이는 에너지측면에서 봤을 때 전기화학 포텐셜을 의미하며 수소이온이 ATPase를 통과할 때 잠재(포텐셜)에너지가 화학에너지로 전환(ATP생성)된다.
내막은 구불구불 접혀 있기 때문에 막 표면적이 넓어져 ATP생성 능력을 높여준다. 이러한 내막이 늘어난 부분을 크리스타라고 한다. 예를 들어 간의 미토콘드리아는 크리스타를 포함한 내막 표면적이 외막의 5배에 달하며 근육세포와 같이 더 많은 ATP를 요구하는 세포의 경우 간세포의 경우보다 더 많은 크리스타를 가지고 있다.
□ 미토콘드리아 기질
. 기질은 내막으로 둘러싸인 공간
. 미토콘드리아 리보솜, tRNA, DNA게놈의 복사본과 수백 가지의 효소가 존재
. 효소들의 주기능은 지방산과 피루브산의 산화, TCA회로를 포함함
. 미토콘드리아는 자체적인 유전물질을 가지고 있으며
. 자체적으로 RNA와 단백질을 만들 수 있음
. 핵에서 유래하지 않은 미토콘드리아DNA는 내막을 구성하는 펩티드
(사람에서는 13개의 펩티드)정보를 저장하고 있음
. 자체 생성된 펩티드는 숙주세포의 핵에서 유래한 폴리펩티드와 함께 미토콘드리아 막을 구성함
□ 미토콘드리아의 기능
. 미토콘드리아의 기본적인 기능은 유기물질을 세포가 사용하는 에너지 형태인
ATP로 전환하는 것이지만 다음과 같은 물질대사기능도 수행함
. 아폽토시스- 프로그램 된 세포 자살
. 글루탐산- 자극성독소에 의한 뉴런손상 조정
. 세포 분열
. 세포의 산화환원반응 조절
. 헴단백질 생성
. 스테로이드 생성
. 열 생성 (체온유지)
. 일부 특정한 세포에서만 수행되는 예
간세포의 미토콘드리아는 단백질 대사의 부산물인 암모니아 해독효소를 가짐
□ 에너지 전환
. 미토콘드리아 주기능인 ATP의 생산은 해당과정의 주 생산물인 피루브산과 NADH 대사를 통해 이루어짐
. 미토콘드리아의 바깥쪽 세포질에서 이루어짐
ATP의 생성은 세포의 유형이나 산소의 존재유무에 따라 2 가지 방법이 있음
. 피루브산: TCA회로(tricarboxylic acid cycle)
해당과정에서 생성된 피루브산 분자는 능동수송에 의해 미토콘드리아 내막을 거쳐 기질로 들어간다. 기질에 들어간 피루브산은 coenzyme A에 결합해 acetyl CoA를 생성하고 생성된 acetyl CoA는 TCA회로(구연산회로 또는 Krebs 회로)로 들어가게 된다. 1개의 피루브산에 의해 3개의 NADH와 1개의 FADH2가 생성되어 전자전달계에 관여하게 된다. 미토콘드리아 내막에 붙어있는 숙신산 탈수소효소(succinate dehydrogenase)를 제외하고 TCA회로에 관여하는 모든 효소는 미토콘드리아 기질에 녹아있다.
. NADH 와 FADH2: 전자전달계
NADH 와 FADH2에서 나온 에너지는 전자전달계의 여러 단계를 거쳐 산소에 전달된다. 내막에 있는 전자전달계는 여러 가지 효소(예, NADH 탈수소효소, 코엔자임Q - 시토크롬 c 환원효소, 시토크롬 c 산화효소 등)의 복합체로 구성되어 있으며 전자전달계에서 방출된 에너지는 기질에서 막간공간으로 수소이온(H+, 양성자)을 능동수송기작으로 퍼내는 데 사용된다. 대체로 효율적으로 전자전달이 이루어지지만 전자의 일부는 전자전달계를 다 거치지 않고 산소에 결합하여 과산화물(활성산소)을 만든다. 과산화물은 노화, 암 등의 원인으로 작용하는 것으로 알려져 있다.
전자전달계에서 능동수송으로 수소이온을 막간공간으로 퍼내기 때문에 막간공간(intermembrane space, 미토콘드리아 내막과 외막사이의 공간)의 수소이온농도가 높아져서 막간공간과 기질 사이에 농도 구배가 발생하게 된다. 농도 구배로 인하여 막간공간에서 기질로 수소이온이 이동하려고 하는데 이 때 수소이온이 이동하는 통로가 ATP 생성효소 복합체(ATP synthase complex)이다. 수소이온이 ATP생성효소를 통과할 때 ADP와 무기인산(Pi)에서 ATP가 만들어진다. 미토콘드리아에서의 이러한 현상을 화학삼투(chemiosmosis)라고 부르며 촉진확산의 한 예로 들 수 있다.
□ 복제와 유전
. 미토콘드리아는 세포의 에너지 요구에 반응하여 DNA를 복제하고 분열함
. 세포의 에너지 요구량이 높아지면 미토콘드리아는 신장하여 분열하며
에너지 요구량이 낮아지면 미토콘드리아는 파괴되거나 불활성화 상태가 됨
. 세포가 분열할 경우 세포질의 분배가 다소 불균등하기 때문에
미토콘드리아의 분배 또한 균등하지 않음
. 미토콘드리아는 세균과 같이 이분법으로 자신을 복제하지만 세균과 달리 미토콘드리아끼리 융합하기도 함
. 때로는 단백질과 폴리리보솜이 많은 곳에서 새로운 미토콘드리아가 생기기도 함
. 미토콘드리아의 유전자는 핵의 유전자와 같은 방법으로 유전되지 않음
. 정자에 의한 난자의 수정에서 난자의 핵과 정자의 핵이 동등하게 수정란의 세포핵유전자에 기여하는 반면,
미토콘드리아는 난자의 것만 유전됨
. 난자에 수정되는 정자는 단 1개뿐이며 정자의 미토콘드리아는 편모를 움직이는
에너지를 내는 데 사용되다 난자에 들어오게 되면 이내 파괴됨
. 반면 난자 자체는 정자에 비해 상대적으로 적은 미토콘드리아를 가지고 있지만
살아 남아서 분열을 계속하여 성체의 세포에 존재하게 됨
즉 미토콘드리아는 거의 대부분 모계(母系)유전하는 것임
. 미토콘드리아 DNA의 모계유전(maternal inheritance)은 동물을 포함 대부분의 진핵생물에서 볼 수 있음
드물게 부계유전을 하는 경우도 있는데 침엽수에서 흔하게 나타나며,
인간의 경우 아주 낮은 확률로 나타난다고 함
. 단일계통 유전은 서로 다른 미토콘드리아 계통간의 유전자 재조합 가능성이 낮고
미토콘드리아DNA가 대체로 클론임을 의미하지만,
인간은 미토콘드리아 DＮA재조합 이 일어나기도 함
. 미토콘드리아는 미토콘드리아가 유래되었을 것으로 추정되는 진정세균 무리보다
무척 적은 규모의 게놈을 가지고 있는데,
. 이는 일부는 소실된 것으로 보이지만 상당수가 세포핵으로 이전한 것으로 보임
□ 집단 유전학에서의 이용
. 미토콘드리아 DNA는 유전자 재조합이 거의 없기 때문에 집단 유전학이나 진화
생물학을 연구하는 과학자들에게 유용한 자료를 제공해 줌
. 반수체의 형태, 즉 거의 대부분 모계로부터 유전되기 때문에 다른 개체간의 미토콘드리아 DNA의 관계는 계통수(系統樹, phylogenetic tree)로 나타내어질 수 있으며 미토콘드리아 DNA의 유형분석을 통해 집단의 진화역사를 추론해 볼 수 있음
. 인간 진화 유전학에서 대표적인 예가
아프리카 기원설(인류 최초의 여성조상 미토 콘드리아 이브의 추적)과 네안데르탈인 연구임
. 모든 인류에게서 미토콘드리아 DNA유헝이 거의 일치하기 때문에
인류의 아프리카 기원설을 뒷받침하는 근거가 됨
. 네안데르탈인의 경우 해부학적으로 현생인류와 공통점이 없어
현생인류의 조상인지 여부에 대하여 논란이 있었지만
미토콘드리아 DNA연구 결과 현생인류와 연관성이 없음이 밝혀져
네안데르탈인 후예의 존재여부에 대한 논란에 종지부를 찍게 함
□ 기원
. 미토콘드리아는 리보솜과 DNA를 가지고 있고 스스로 분열할 수 있기 때문에
독립적인 생활을 하던 원핵생물의 세포 내 공생으로 유래했다고 봄
. 미토콘드리아 DNA는 대체로 원형이고 여러 유전정보를 담고 있어 원시세균
무리 중 특수하게 분화된 것이 원시 미토콘드리아로 되었다는 가설도 있고,
리케챠(rickettsia)와 연관되어 있을 것이라는 가설이 있지만 세포 내 공생에서 유래했다 점에서는 동일함
. 세포 내 공생에 관해서도 기생에 의한 것이라는 이견도 있지만,
숙주의 내포작용에 의한 것이라는 의견이 지배적임
. 원시 미토콘드리아의 숙주세포 내 공생으로 숙주는 세포호흡을 할 수 있게 되어
같은 영양을 공급받더라도 효율적으로 사용할 수 있게 되었고
. 원시 미토콘드리아는 생존을 보장받고 양질의 양분(당)을 공급받게 되어
상호간의 상승작용이 일어나 생존할 수 있는 영역의 확장이 일어났을 것으로 추측됨
. 미토콘드리아뿐만 아니라 엽록체 또한 세포 내 공생으로 상승작용이 일어난 것으로 보고 있음
적어도 20억 년 전 세포공생이 이루어졌다고 추측되는 미토콘드리아는 아직도 그 기원에 대한 증거를 가지고 있다.
첫째, 미토콘드리아는 진핵세포(80S 리보솜)와 달리 원핵생물과 유사한 70S(침강계수, sediment coefficient)리보솜을 가지고 있다. 둘째, DNA가 원핵생물과 유사하다. 반복구간이 없이 코딩DNA비율이 높고 대체로 인트론(intron)이 없으며 원래 원핵생물 보다 적은 유전정보를 담고 있지만 직선이 아닌 원형DNA를 가지고 있다는 점이 유사하다. 미토콘드리아는 인트론이 거의 없고 반복구간이 없음에도 불구하고 원형 mRNA를 잘라 다시 접합(polyadenylation)하여 완성된 mRNA를 만드는 다인자 전사(multigenic transcript)를 한다.
일부 진균(microsporidian)이나 원생생물(metamonad, entamoebid, 독립영양 pelobiont)과 같은 진핵생물에서는 미토콘드리아가 없는 경우도 있다. rRNA계통수에서 이들은 매우 원시적인 진핵생물로 여겨지며 미토콘드리아의 세포공생 이전에 출현한 것으로 보는 시각도 있으나 미토콘드리아에 의해 유도된 세포소기관과 유전정보를 가지고 있으므로 실제로 미토콘드리아가 없는 진핵생물은 없다고 봐야 한다. 결론적으로 미토콘드리아의 존재는 진핵생물의 발달에서 중요한 시발점이라 할 수 있겠다.
(동물세포의 세포소기관 구성) 세포소기관: (1) 인(nucleolus) (2) 세포핵 (3) 리보솜 (4) 소낭(vesicle) (5) 조면 소포체 (RER) (6) 골지체 (7) 세포골격 (8) 활면소포체(SER) (9) 미토콘드리아 (10) 액포(vacuole) (11) 세포질 (12) 리소좀 (13) 중심체
□ NADH
ウィキペディア（Wikipedia）
. NADH (nicotinamide adenine dinucleotide) 는 모든 진핵생물과 대다수의 고세균(古細菌) 진정세균(眞正
細菌)에 있는 전자전달체임
. 여러가지 탈수소효소(脫水素酵素)의 조효소(補酵素)로서 작용하며
산화형(NAD+) 및 환원형(NADH) 2가지 상태로 있음
. 화학식: C21H27N7O14P2, 분자량 663.4, 융점 160 ℃
. 뉴클레오티드가 기본 골격으로 되어있기 때문에, DNA의 광흡수 극대역인 파장 260 nm의 자외선을 잘 흡수한다. 또, 파장 340 nm의 자외선은 NADH만 잘 흡수해, NAD+ ⇔ NADH의 변화는 파장 340 nm의 흡광도 측정으로 용이하게 조사할 수 있다. 따라서 탈수소산소 활성 측정에는 이 방법이 이용된다.
. NAD+ 및 NADH의 2 전자 산화 환원 반응은,
. NAD+ +환원 물질(2 e- + 2 H+) ⇔ NADH + H+ +산화물질
. NADH의 니코틴산 아미드의 환원 상태에서는 어찌 보면, 수소 원자(1 전자＋1개의 플로톤)가 1개만 부가된 것처럼 보이지만, 니코틴산 아미드의 N+가 전자에 의해서 환원되기 때문에, 결과적으로 2개의 수소 원자를 운반하는 것과 같은 상태가 된다.
□ 미토콘드리아 기원
(parkland) 글 중에서
Did Mitochondria Originate from Bacteria? (David Plaisted)
. 미토콘드리아(mitochondria)의 기원에 관한 진화생물학자들 사이의 대중적인 이론은, 미토콘드리아는 한 때 독립생활을 하던 유기체(free-living organism)가 세포 안으로 통합되었다는(incorporated) 이론이다. 그러나 우리는 유전학을 통해서, 독립생활을 하는 어떠한 유기체라 해도 적어도 DNA 상에 256개의 유전자(genes)와 30만 개의 염기쌍을 가지고 있어야 한다. 오늘날 독립생활을 하는 유기체들 모두는 이보다 훨씬 더 많은 DNA를 가지고 있다. 미토콘드리아는 DNA 상에 단지 16천여 개의 염기쌍을 가지고 있다.
(Brian Speer는 포유류의 미토콘드리아 DNA(mitochondrial DNA)는 약 16천 ~ 18천개의 염기쌍을 가지고 있으며, 일반적으로 동물들은 14천 ~ 39천 개의 미토콘드리아 DNA를 가지고 있다고 한다. 꽃을 피우는 식물들은 208천 ~ 2,400천 개의 염기쌍을 가지고 있다. (N.W. Gillham, “Organelle Genes and Genomes”)
따라서 포유류의 미토콘드리아는 세포로 통합되어 가는 과정에서 많은 DNA를 잃고, 포유류 DNA의 약 97%가 기능을 가지고 있지 않은(non-functional) 것으로 추정됨
□ 미토콘드리아의 신비
글, 김종길, 중에서
. 세포내의 구성단위는 핵과 세포질 그리고 세포막 등으로 됨
. 인체는 약 60조 내지 100조의 세포로 구성됨
. 세포 내 기관에 미토콘드리아가 있음
. 전자 현미경이나 위상차 현미경 등으로 연구
. 한 개의 세포 내에 미토콘드리아는 1000 ~ 2000 개가 있으며, 세포내의 12-25 % 의 용적을 차지함
. 심장세포같이 항상성 운동을 하는 경우는 많고, 운동이 적은 구조는 적게 있음
. 이 기관에만 흡착되는 염료(Rhodamin 123)를 세포가 살아 있는 상태에서 주입하여 염색을 하고
4 시간 뒤에 해부하는 방법을 씀 (미국 폴링연구소, Torry Hagen, 2000)
. 이 기관은 정지된 구조가 아니라 시속 200 마일의 운동 상태에 있음
. 이 기관의 숫자는 일정 수가 정해진 것이 아니라 상황에 따라서 조정이 되고,
. 그 수명도 세포와 함께 하는 것이 아니라 반감기가 10일로 단명임
. 세포의 수명은 그 종류에 따라 다양한데 수십 일에서 신경세포같이 영생하는 세포도 있다. 미토콘드리아는 세포의 명령에 따라서 하시라도 조정 당하는 불안한 운명에 있으면서 또한 역으로 세포의 운명을 좌우하는 역할을 하고 있다. 세포의 자멸프로그램(apoptosis)을 여기에서 조정하고, 인간에게 제일 무서운 질병인 암도 이 기관에서 발생하게 된다.
. 미토콘드리아 내막의 기능
. 에너지의 생산, 뇌세포의 경우는 포도당으로부터 ATP(에너지)를 만들어 내는 데, 만약 산소가 충분한 상황에서는 글루코스(포도당) 한 분자에서 ATP를 38개 만들어 내는데, 산소가 없게 되면 겨우 2개를 만들게 되며, 에너지를 생산하는 생화학반응 과정에서는 위험한 자유기(Free Radical)가 발생됨. 이 물질은 인체에 해로운 작용을 하게 됨
. 젊음의 건강상태에서는 항산화제가 작동하여 이 위험해진 자유기들을 청소하여 안정을 되찾는데, 과중한
스트레스가 계속되는 상태에서는 공격을 이기지 못하여 조직의 손상이 오고 병이 생김
. 미토콘드리아에 있는 핵산(DNA)이 공격을 이기지 못하고 변성을 일으키는 경우 제 멋대로 세포의 진화를
조정하여 암세포가 되는 것임. 이러한 일련의 현상을 " 세포내 스트레스 " 라고 부름
. 항산화작용 물질의 종류
. 그 작용의 강한 정도로 보면, 미네랄인 셀레니움(Selenium), 비타민 E, 베타카로틴(비타민A), 비타민 C 등
이고, 그 외에도 인체 내에는 글루타치온 등 많은 항산화제들이 존재하고 있음
. 늙은 세포에 이런 항산화제를 투여하면 미토콘드리아의 형태와 숫자가 젊은 상태로 복원되는
가역적 변화를 일으킴
. 인체 내에서 미토콘드리아의 핵산 보호물질에는 지방산(알파-라이포익산), 코큐텐(Co-Q-10), 엘-카르니틴
(L-Carnitine) 이 있는데, 이들 물질을 외부에서 투여해도 미토콘드리아는 젊은 모양새로 복원함
. 이런 실험의 결과는 항산화제를 투여하여 인체의 노화를 예방 내지 복원할 수 있어서 생명연장의 시도가
가능하다는 추정을 하게 함
. 미토콘드리아 내부의 기능 중에 또 다른 것에는 칼슘의 항상성 유지활동도 있음
. 세포 구성물인 세포질, 라이소좀, 미토콘드리아, 골지체, 핵, 세포막 등이 하나의 세포를 만들고,
이들이 모여서 조직을, 그리고는 간장이나 뇌 같은 기관을 형성하며, 기관은 개체를 만들어 한 인간을 구성
. 인체가 죽지 않은 동안에는 이 미토콘드리아의 활동은 끊임없이 지속하며, 이 기관이 멈추면 세포도 생명도 쉬게 됨. 지금도 우리 머리 속의 뇌세포 140억 개의 내부에서는, 140억 곱하기 1000-2000 개의 미토콘드리아가 활동을 계속하고 있음.
□ 세포의 출현
Life of my life, 글 중에서
인간이 감각으로 경험하는 모든 자연은 작은 알갱이로 이루어져 있다. 물체는 탄소나 수소 같은 원자들의 결합체이다. 원자는 양성자와 중성자, 그리고 전자로 이루어져 있으며 이들은 다시 쿼크라는 더 작은 알갱이로 구성되어 있다. 이런 작은 미립자들이 적절한 방식으로 모이면 새로운 성질을 띤 집단성질을 띠게 된다. 하나의 산소와 두 개의 수소원자가 모여서 물(H20)를 이루고, 수소원자 하나와 염소원자가 만나 염산(HCl)을 만든다. 지구상에 존재하는 모든 것들은 이런 작은 알갱이들의 모임이다. 작은 알갱이가 어떻게 모이느냐가 사물의 특성을 결정한다.
알갱이들의 모임인 사물을 포함한 자연전체가 따르는 몇 가지 규칙이 있는데, 그 중 하나가 자연의 모든 현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 흘러야 한다는 것이다. ……
아주 작지만 눈부시게 정교한 화학반응들을 사용하여 자신만의 질서를 창출하는 그 조직이 바로 세포이다.
세포 역시 작은 알갱이들의 집합이다. 그러나 세포는 성장하고, 분열하는 등 자신의 질서 있는 체계로 유지한다. 세포는 자신의 질서를 유지하기 위해 끊임없이 외부와 소통한다. …… 세포가 생산하는 탄소화합물을 유기분자라고 하는데, 세포 내에는 크게 4종류-당류, 지방산, 아미노산, 핵산-의 유기분자가 존재한다. 세포는 이 유기분자의 화학결합에 저장된 화학에너지에 의하여 동력을 얻는다.
작은 알갱이들의 결합 속에 들어있는 에너지를 이용한다. 탄소의 가장 안정된 형태가 CO2이고, 수소의 가장 안정된 형태가 H2O이다. 유기분자들은 세포 내에서 더 낮은 레벨의 에너지를 가진 형태인 CO2와 H2O로 변환되는데, 이 과정에서 에너지의 격차만큼 발생되는 에너지는 세포의 동력원이 된다.
동물세포의 경우, 외부로부터 획득한 유기분자로부터 에너지를 얻는 과정을 호흡이라고 한다. 호흡을 한다는 것은 세포가 닫혀있지 않는 열린 계에 속함을 의미한다.
자연을 이루는 미립자들이 모여서 생기는 과거와는 전혀 다른 성질을 창발적 성질(emergent property)이라 한다. 원자들이 모인 분자들이나 분자들의 모인 화합물 역시 창발적 성질을 가지고 있다. 그러나 세포가 가지고 있는 창발성은 과거와는 다른 도약을 가지고 있다. 무질서해져만 가는 우주의 품 안에서 일어난 일이기 때문이다. 엔트로피의 증가법칙을 거슬러 본 일 없는 작은 알갱이가 모여서 스스로 질서를 유지하면서 외계와 소통하는 조직의 출현시킨 것이다. 충분히 신비로운 도약이라고 불릴만하다. 영겁의 세월 동안 작은 알갱이들이 새로움을 창출하기 위해서 얼마나 많은 시도를 해왔을까? 세포의 출현은 단연코 기적이라 불릴 만한 사건이다.
우리 인간은 아직 세포 말고 질서를 창출하는 조직을 본 일이 없다. 35억년 전에 세포가 출현했고, 22억년 전에 진핵세포 그리고 20억년 전에는 다세포 생물이 출현하였다. 그 뒤로 이어지는 생명의 행진은 마치 위로 꺾여 올라가는 그래프를 따라가듯 가속이 붙었다. 세포들은 점점 더 복잡해 졌고, 세포들간의 소통을 위해 신경세포가 생겼으며, 덩치가 커진 세포들의 모임은 중추신경계라는 하나의 지휘체계를 가지게 된다. 중추신경계의 지휘를 받는 세포들은 각자의 자율성을 포기하는 대신 전문성을 갖게 된다. 중추신경계의 출현은 또 하나의 놀라운 창발성을 띄게 되는데 그것이 의식이다.
세포의 출현과 진핵세포 그리고 다세포생물체의 출현, 마지막으로 의식의 출현까지 장구한 세월의 기록은 한편의 장편서사시이다. 시작이 있고, 스토리가 있으며, 현재 진행중인 스토리는 과거의 기록을 토대로 한다. 지금 진행중인 드라마 속에는 과거의 모든 기록이 담겨 있다. 세포라는 도약은 생명이라는 우주의 새로운 차원을 가능케 했다.
□ 미토콘드리아 관리
jinpodo, 글 중에서
. 인체를 이루고 있는 기본단위는 세포이며, 인체는 약 60조의 세포를 갖고 있음
. 세포 안의 세포핵, 미토콘드리아, 리소좀, 골지체, 세포질 등, 여러 가지 물질 중
가장 중요한 것이 미토콘드리아의 상태임
. 미토콘드리아(Mitochondria)의 구조
. 분자생물학이나 세포생물학의 견지에서, 세포는 하나의 커다란 공장임
모든 세포들이 세포 안에 똑같은 숫자의 미토콘드리아를 갖고 있는 것은 아니며, 지방세포와 같이 활동을 하지 않는 세포에는 미토콘드리아의 숫자가 적지만, 활동을 많이 하는 세포에는 하나의 세포에 1000 - 2000 개의 미토콘드리아가 존재. 따라서 세포 안에서 미토콘드리아가 차지하는 부피도 전체의 12 - 25% 정도나 됨
. 세포에 따라서 크기나 형태가 다른 미토콘드리아를 갖고 있을 수도 있음
. 이런 연구방법은, 이 기관에만 흡착되는 염료(Rhodamin 123)를 세포가 살아 있는 상태에서 주입하여 염색
하고, 4시간 후에 해부하는 방법을 통해서 알아냈음(미국 라이너스 폴링 연구소, Torry Hagen, 2000.4.)
. 세포 내에서 미토콘드리아의 신경전달 속도는 시속 200 마일이나 됨
. 세포마다 똑같은 수의 미토콘드리아를 갖고 있는 것이 아니라, 일을 많이 하는 세포일수록 더 많은 량을 갖고 있고, 그 수명도 세포와 함께 하는 것이 아니라, 대부분은 반감기가 10일 정도로 단명임. 세포의 수명은 종류에 따라서 수십일 밖에 못사는 세포가 있는가 하면, 뇌의 신경세포같이 영생을 하는 세포도 있음
. 세포핵 유전자의 지시를 받는 것이 아니라, 미토콘드리아 자체의 유전자를 따로 갖고 있으면서
전체 세포에까지 영향을 줌
. 세포벽이나 리소좀, 골지체, 핵 등, 모든 막을 구성하고 있는 성분 중 가장 중요한 것은 인지질(Phospholipid)임, 미토콘드리아도 외벽과 내벽으로 이루어져있다. 외벽이나 내벽을 구성하고 있는 성분들 중에서 가장 중요한 것은 역시 인지질임. 특히 기능상 외벽보다는 내벽이 중요하므로 내벽이 정상상태로 보존되어야 함
. 미토콘드리아의 기능
. 첫째, 에너지 생산 기능
. 미토콘드리아는 음식을 통하여 흡수된 탄수화물, 단백질, 지방을 연료로 하여 에너지를 생산함
. 에너지 생산을 위해서 산소를 필요로 하며, 체내로 흡수되는 산소의 90%를 미토콘드리아가 소모시킴
. 그러나 모든 미토콘드리아가 똑같은 연료를 사용하는 것은 아니며, 뇌신경의 미토콘드리아는 Glucose만을 연료로 사용함. 뇌에는 140억 개의 신경세포가 있는데, 체내에 존재하는 60조의 세포에 비하면 아주 적은 양이지만, 뇌의 활동은 대단한 에너지를 필요로 하기 때문에 혈액의 당 중 50%를 뇌신경세포의 미토콘드리아가 소모시키며, 흡수되는 산소의 20% 정도를 소모시킴. 정상의 뇌세포는 한 분자의 Glucose에서 38 분자의 ATP를 생성하므로, 몸 전체의 ATP의 15 - 20%를 생성하게 됨
. 둘째, 세포와 조직에서 행해지는 칼슘의 생체항상성기능(Calcium-homeostasis)
. 인체 내에서 칼슘은 단순히 뼈나 치아의 구성성분으로만이 아니라, 생명을 유지하기 위해 대단히 중요한 성분임. 생명을 유지하기 위하여 가장 중요한 것은 혈액인데, 혈액은 전해질의 균형으로 PH 7.35 - 7.45를 유지하여야 건강할 수 있음. 이를 유지하기 위해 미네랄 중 가장 중요한 역할을 담당하는 것이 칼슘임. 이런 차원에서 보면 미토콘드리아가 칼슘의 생체항상성을 유지한다는 것은 매우 중요
. 세째,, 면역기능에 대한 미토콘드리아의 역할
. 인체의 세포는 뇌신경세포처럼 처음 만들어진 상태로 영생을 하는 세포들이 있는가 하면, 일반 조직세포처럼 계속 분열되어 새로운 세포가 만들어지면서 한편으로는 죽어 가는 사용된 세포들도 있음. 예를 들면, 피부의 가장 외측에 있는 각질층(Stratum corneum)은 세포핵이 없는 죽은 세포로서 이 각질층은 피부의 내피에서부터 차츰 성장하여 저절로 죽어 가는 현상으로 기전상 계획적인 죽음(Programmed cell death)이라 함.
이 계획적인 죽음에 대한 메커니즘은 인체 유전자에 그 비밀을 간직하고 있다. 인체는 자체의 면역력을 위하여, 계획적인 죽음의 기전 안에 에이포토시스(Apoptosis)라는 기능도 갖고 있다. 에이포토시스란 체내의 세포 중, 어느 세포가 정상의 기능을 벗어나면서 제 기능을 발휘하지 못할 때, 그 세포를 죽여 버리는 현상을 말한다. 이 현상은 인체가 어떤 질환(특히 퇴행성 질환)에 걸리려 할 때, 자체적으로 예방할 수 있는 제일 중요한 기능이다. 에이포토시스의 기능을 발휘하는 것도 바로 미토콘드리아임
. 미토콘드리아의 변질
. 인체가 노화된다는 것은 바로 미토콘드리아의 변질을 뜻하며,
수분의 부족현상 외에도 가장 중요한 원인으로는 유리기(Free radical)에 의한 공격임
. 미토콘드리아의 유전자(DNA)는 세포의 유전자보다 감수성이 훨씬 더 예민하기 때문에
유리기의 공격을 받는다면 세포의 유전자보다 10 - 17배 정도 더 빨리 파괴될 수 있음
. 미토콘드리아는 주로 단백질과 인지질(Phospholipid)로 이루어져있으며,
. 구조적으로 외피보다는 내피의 상태가 더 중요한데,
그것은 내피의 기능이 에너지를 생산할 때, 프로톤 펌프(Proton pump)의 역할로
전자를 움직이게 하여 ATP(Adenosine triphosphate)를 합성하기 때문임
. 내피의 중요한 부분인 인지질은 유리기의 공격에 특히 약하기 때문에,
노화된 세포에서는 하나의 세포 안에서 활동하고 있는 1,000 - 2,000 개의 미토콘드리아 중에서
과연 몇 % 정도가 정상으로 활동할 수 있느냐가 문제가 됨
. 미토콘드리아에서 에너지가 생산될 때도 유리기는 만들어짐. ATP가 분해 되면서 하이포키산틴(Hypoxanthine)이 키산틴(Xanthine)으로 변화되는 과정에서 수퍼옥사이드(Superoxide)라는 유리기가 생성된다. 그러나 수퍼옥사이드는 수퍼옥사이드 디스뮤타제(Superoxide dismutase)라는 체내에서 만들어지는 효소에 의해 과산화수소로 변화된다. 변화된 과산화수소는 다시 산소와 물로 바뀌면서 수퍼옥사이드 유리기는 해결이 된다. 그러나 인체는 노화되면서 뇌와 조직에 구리(Cu)와 철(Fe)이 축적되는 현상을 나타낸다. 과산화수소가 물과 산소로 바뀌는 과정 중에, 구리나 철을 만나게 되면 수산화기(Hydroxyl)라는 유리기로 변하게 되며, 이는 인체에 나쁜 영향을 미치는 강력한 유리기이다. 따라서 구리와 철이 체내에 축적되는 경우 노화현상은 더욱 가속화된다.
. 뇌에서 정상의 미토콘드리아 기능은 포도당(Glucose) 한 분자로부터 38개의 ATP를 생성한다고 하였다. 이 때의 조건은 완전한 혈액순환과 충분한 산소의 공급이 있어야 한다. 그러나 노화되거나 비정상의 미토콘드리아는 포도당 한 분자로부터 겨우 2개의 ATP 만을 생성하는 경우도 있다. 물론 이 경우에도 산소를 필요로 하는 것은 마찬가지이므로, 비정상의 미토콘드리아를 갖고 있다면, 다른 사람과 같은 양의 산소로는 필요한 에너지를 생산할 수 없으므로 숨이 가쁘면서도 충분한 에너지를 생산하지 못하게 된다.
. 미토콘드리아의 정상적 기능을 위한 처방
. 노화의 가장 큰 원인은 미토콘드리아에 대한 유리기(Free radical)의 공격으로 봄
. 따라서 노화를 지연시킬 수 있는 방법은 유리기로부터의 공격을 방어하는 것임
. 유리기의 공격을 방어할 수 있는 것은 항산화제로서,
일반적으로 비타민 A, C, E, 셀레늄(Selenium) 등이 알려짐, 그 외에도 엘카르틴, 리포인산 등 도 제기됨
. 엘-카르니틴(L-Carnitine)은 조직이나 세포에 있는 지방(Fat)의 연료를 미토콘드리아 안으로 운반하여
연료로 사용토록 해 주고, 다른 대사에도 도움을 줌
, L-Carnitine 보다 더 작용이 강한 것은 Acetyl-L-carnitine 임. 세포막이나, 리소좀, 골지체, 핵막 등, 모든 막의 구성성분 중에서 중요한 부분인 인지질은 PLA2(Phospholipase A2) 등의 효소에 의해 분해 될 수 있고, 이때 필요 없는 찌꺼기는 빨리 태워서 제거시키는 것이 신경전달 및 모든 대사기능을 위해 필요한 방법이다. 이를 위해서도 엘-카르니틴의 기능은 대단히 중요함
. 알파-리포인산(Alpha-Lipoic acid)도 강력한 항산화제임. 수퍼옥사이드를 해독시키면서 생성되는 물질이 과산화수소, 이 과산화수소가 물과 산소로 바뀌게 되는데, 이 과정에서 구리나 철을 만나면 수산화기로 바뀜. 이 때 알파-리포인산은 구리나 철의 작용을 막아주므로 정상의 대사로 진행시킴. ……
■ 생명 기원물질
생명 기원물질, DNA 아닌 RNA 사이언스, 2002.11.14
DNA의 그늘에 가려 2인자 역할을 해오던 RNA가 최근 생명공학의 비밀이 조금씩 풀리면서 각종 생명현상의 핵심물질로 급부상하고 있다. 지난 50여년간 생명과학계에서는 사실상 DNA가 생명현상에 관여하는 독점적인 물질로 알려져 있었다. DNA는 생명유지에 필요한 각종 단백질을 만드는 데 필수적인 정보를 제공하는 것은 물론 유전현상을 결정하는 물질로 이제 ‘생명공학=DNA’로 인식 할만큼 대중화됐다. 하지만 최근 RNA가 DNA보다 생명현상의 여러 단계에서 더욱 다양한 역할을 한다는 것이 속속 밝혀지면서, RNA가 생명의 기원 물질일지도 모른다는 이론도 강력히 제기되고 있다. 얼마 전까지는 생명의 기원물질을 DNA나 단백질로 생각했었다. 그러나 RNA가 복제는 물론 경우에 따라 단백질을 합성할 수 있는 기능도 가진다는 사실이 밝혀지면서, RNA가 생명의 기원물질이었을 것이라는 주장이 설득력을 얻고 있다.
DNA나 RNA는 모두 ‘뉴클레오티드’라는 물질을 기본 단위로 구성된 사슬이다. 지금까지 가장 잘 밝혀진 RNA의 기능은 ‘정보전달자’의 역할이다. DNA는 단백질을 만드는 데 필요한 정보인데, 직접적으로 단백질 생산에 관여하기보다는 RNA를 매개체로 사용한다. 즉 DNA에 있는 유전정보가 RNA에 인쇄되고, 이렇게 인쇄된 정보가 단백질을 만드는 주물 (鑄物)역할을 한다. 이처럼 정보전달자 역할을 하는 RNA를 메신저-RNA(mRNA)라고 부른다. 실제로 단백질을 만드는 과정에는 또 다른 종류의 RNA(tRNA)가 작용하는데, 이것은 단백질합성에 필요한 아미노산을 데리고 오는 ‘도우미’ 역할을 한다.
또 건물의 뼈대와 같은 역할을 하는 RNA(rRNA)도 있다. DNA로부터 정보를 받은 mRNA는 리보좀이라 불리는 거대한 ‘생명체공장’에 들어가고, 이 ‘생명체공장’에서는 mRNA에 적혀있는 순서에 따라 tRNA가 데리고 오는 아미노산을 연결시켜 단백질을 만든다. rRNA는 이 공장이 제 모양을 갖추는 데 필요한 골조 역할을 한다. RNA는 DNA의 복제과정에도 필요하다. 조그만 RNA 조각이 DNA에 달라붙어야 DNA가 제대로 복제될 수 있다.
많은 사람들은 게놈이 DNA로만 구성돼 있는 것으로 알지만 RNA로 만들어진 경우도 있다. 대표적인 사례가 바이러스의 게놈이다. 최근 유행하던 눈병을 일으키는 바이러스 중 상당수가 ‘엔테로바이러스’인데, 이 바이러스의 게놈은 RNA로 구성돼 있다. 종류는 다르지만 에이즈 바이러스 .홍역 .인플루엔자의 게놈에도 RNA가 포함돼 있다. 일반적으로 RNA를 게놈으로 갖는 바이러스들은 변이가 심하고 내성이 쉽게 생겨나는 경향이 있다.
RNA는 효소로서도 작용한다. 효소로 작용하는 RNA를 리보자임(ribozyme)이라고 부르는데, 이것은 RNA(Ribonucleic acid)와 효소(enZyme)의 합성어이다. 리보자임은 RNA의 특정 서열을 인지하여 그 부위를 자를 수도 있고 이어 붙일 수도 있다. 그래서 리보자임은 ‘분자 가위’라는 별칭을 가지고 있다.
이 같은 RNA의 ‘분자가위성질’은 생체 내의 나쁜 RNA를 없애는 데 쓰일 수 있다. 실제로 암세포의 특정 RNA를 잘라서 암세포가 죽게 만들거나 암이 자라는 데 필요한 영양공급로를 차단하는 리보자임을항암제(抗癌劑)로 개발하는 연구가 실용화단계에 있다. 또한 C형 간염 바이러스 게놈의 특정 부위를 인지해서 잘라내려는 항(抗)바이러스제 개발도 한창이다.
게놈 프로젝트 연구결과, 생명 과학자들은 인간의 유전자를 약 4만개로 추정하고 있다. 그러나 이 유전자는 게놈을 이루는 DNA의 약 3%에도 이르지 못하며, 나머지 부분은 그저 쓸모없는 DNA 조각인 것처럼 보였다. 하지만 지난 수년간의 연구 결과에 따르면, 단백질을 만들지 않고 RNA만을 만드는 새로운 유전자도 속속 발견되고 있다. 이러한 RNA들은 단백질 *DNA는 물론 다른 종류의 RNA 기능도 조절하는 역할을 한다.
리보좀의 구조.A,P,E는 tRNA가 결합하는 장소.보라색은 단백질을,파란색은 RNA를 나타낸다. 이와 같이 RNA는 생명체 내에서 정보 전달자 .건물뼈대 .효소 등으로 기능 함은 물론 유전정보의 복제 .단백질 합성 .유전자 발현 등 각종 생명현상에 적극적으로 개입하고 있음이 속속 밝혀지고 있다. 조만간 DNA와 사촌 지간인 RNA가 비밀 스런 베일을 벗고, 21세기 포스트 게놈 시대의 총아(寵兒)로 등장할 것으로 전망된다.
□ “RNA 40억년 전 탄생…4억년 뒤 DNA 등장”
생명의 기원을 과학적으로 추정하는 것은 매우 어려운 일이다. 40억년 전에 어떤 일이 있었는지를 가정하는 것도 힘들고, 그 가정을 실험적으로 증명하는 것은 더욱 어렵기 때문이다. 생명의 기원에 있어서 가장 중요한 이슈 중의 하나는 생명을 형성하는 데 기여한 시작물질이 무엇이냐는 것이다. 많은 사람들은 단백질 . DNA들을 핵심적인 기원물질로 생각해왔다. 그러나 RNA의 다양한 기능이 밝혀짐에 따라 RNA가 DNA나 단백질보다 수 억년 앞선 물질이었을 것이라는 주장이 강한 설득력을 얻고 있다.
일반적으로 과학자들이 현대 생물학과 화학을 근거로 추정한 ‘RNA와 DNA의 탄생과정’은 이렇다.
45억년 전쯤 지구가 생겨났고, 다이내믹한 지구 활동으로 3억년 후 각종 유기물질이 생겨났다. 이러한 유기물질들 간의 반응으로 다시 뉴클레오티드가 생겨나고, 이 뉴클레오티드들이 연결돼 RNA가 생겨났다. 그것이 약 40억년 전쯤으로 추정된다. 이 중 우연히 몇 개의 RNA가 자기 복제를 함으로써 이른바 ‘RNA 세계’가 시작됐다. 지금으로부터 38억년 전쯤의 일로 추정된다. 이 RNA들 중 일부는 뉴클레오티드를 계속 연결시켜 몸집을 불리며 다른 기능을 계속 획득한다. 예를 들어 단백질을 합성할 수 있는 기능이 추가된 것이다.
그러나 RNA는 태생적으로 불안정한 구조를 가지고 있기 때문에, 수명이 짧은 것이 흠이었다. 이때 RNA와 비슷하지만 보다 안정적인 구조를 지닌 DNA가 등장했다. 이때부터 오늘날 생명체의 핵심을 이루는 DNA와 단백질의 세계가 시작됐다. 지금부터 약 36억년 전의 일이다.
. 게놈(genome)은
문자적 의미로는 유전자(gene)와 염색체(chromosome)의 두 단어를 합성해서 만든 말이다. 생물학적 개념으로 게놈은 생물체에 담긴 유전정보 전체를 의미한다. 사람의 세포핵에는 23쌍(46개)의 염색체가 존재한다. 유전정보는 바로 이 염색체에 담겨 있다. 이 중 나선형의 DNA로 이루어진 23쌍의 염색체 세트에 담긴 유전정보를 총칭해서 게놈이라고 부른다.
인간게놈이라는 말은 사람의 종합적인 유전정보를 일컫는 말이다.
인간을 구성하고 있는 가장 작은 단위체는 세포다.
인간게놈은 3만~4만개의 유전자와 이를 구성하는 30억개의 염기로 구성돼 있다. 즉 인간게놈에는 사람의 생로병사(生老病死)에 관한 모든 정보가 담겨 있다고 할 수 있다.
. RNA(Ribose Nucleic Acid)는
리보핵산(核酸)이라고도 한다. RNA의 종류로는 rRNA(리보솜RNA), mRNA(전령RNA), tRNA(운반RNA) 세 가지가 있다.
. 아미노산(amino acid)은 모든 생명현상을 관장하고 있는 단백질의 기본 구성단위를 말한다.
(글) 김선영, 황우석, 김 빛내리
■ 생명과학의 이해 (이해에 필요한 학문체계)
□ 分類 Ⅰ
생화학 生化學 Biochemistry
생물학 生物學 Biology
고생물학 古生物學 Paleontology
□ 分類 Ⅱ
분자생물학 分子生物學 Molecular Biology
세포생물학 細胞生物學 Cell Biology
분자세포 생물학 分子細胞生物學 Molecular Cell Biology
유전학 遺傳學 Genetics
분류학 分類學 Taxonomy
계통분류학 系統分類學 Systematics,
분자계통분류학 分子系統分類學 Molecular Systematics
□ 分類 Ⅲ
생리학 生理學 Physiology
내분비학 內分泌學 Endocrinology
면역학 免疫學 Immunology
발생학 發生學 Embryology
발생생물학 發生生物學 Developmental Biology
형태학 形態學 Morphology
해부학 解剖學 Anatomy
□ 分類 Ⅳ
생태학 生態學 Ecology
사회생물학 社會生物學 Socio Biology
행동생물학 行動生物學 Behavonal Biology