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미생물이야기 미토콘드리아는 하나의 세균
2013-08-14 16:13:38
이엠생명과학연구원

<< 미토콘드리아는 하나의 세균 >>

 

제목이 좀 엉뚱하죠? 오늘은 진핵세포의 기원에 대해서 알아보기로 하겠습니다.정확히 알 수는 없지만 많은 고생물학자들은 대략 30억년전 쯤에 지구상에 최초로 원핵생물이 출현했으며 그로부터 약 20억년이 흐른 10억년 전 쯤에 진핵생물이 출현했다고 봅니다. 그 시절의 생물역사를 간단하게 살펴보고자 한다.

원핵생물이 살았던 오랜 역사 중에서 가장 중요한 사건이라 하면 아마도 시아노박테리(cyanobacteria, 남조류 blue-green algae 라고도 합니다)의 출현일 것입니다. 이전의 원핵생물들이 유기물을 분해하거나 간단한 무기물로부터 에너지를 얻었던 것에 비해 시아노박테리아는 햇빛을 이용하여 광합성을 시도한 최초의 생물이며 오늘날에도 번성하고 있는 생물입니다. 시아노박테리아는 광합성을 하며 그 부산물로서 산소를 내어 보냅니다.
산소는 주변의 철과 같은 많은 물질들을 산화시키기도 하고 대기 중에 축적되기도 하였습니다. 그리고 이렇게 대기 중에 축적된 산소는 오존을 만들어 지구상에 쏟아지던 치명적인 자외선을 흡수할 수 있게 되었지요.

이렇게 대기 중에 산소가 축적되자 산소가 없던 상태에서 생활하였던 많은 생물들은 죽어나갔습니다. 혹은 산소가 없는 보다 은폐된 환경으로 피해 생활하기도 하였구요. 또는 산소를 이용하는 체계를 갖추어 잘 적응한 생물체(호기성 박테리아)들도 생겨나기 시작했죠.

우리 인간과 같은 진핵생물들이 들이마신 산소가 어디에서 소모됩니까?
그래요. TCA 회로와 전자전달계의 최종단계에서 수소이온과 전자를 받아들이는 수용체로서 작용을 하죠.

 

 

이 TCA 회로는 미토콘드리아에서 일어나는 반응이잖아요? 그런데 미토콘드리아는 핵의 염색체 유전자와는 다른 자신만의 유전체계를 갖고 있습니다. 미토콘드리아는 DNA와 RNA를 갖고 있으며 자신에게 필요한 효소를 스스로 만들어 낼 수 있습니다. 스스로 복제하여 수를 늘리기도 하지요. 물론 미토콘드리아 기능 중 일부는 핵의 유전자에 의해서 조절되기도 합니다.

그런데 아주 재미있는 사실 중의 하나는 미토콘드리아의 DNA가 핵의 DNA와는 구조나 구성비율에 있어서 완전히 다르다는 것입니다. 오히려 미토콘드리아의 DNA는 박테리아의 DNA와 유사합니다. 또한 미토콘드리아는 리보소옴을 갖고 있습니다. 그런데 이 리보소옴이 또 세포질의 리보소옴(80S)과는 다른 70S 짜리 작은 리보소옴입니다. 70S 리보소옴이면 박테리아의 리보소옴과 같은 크기 아닙니까?

이러한 여러 가지 사실로 보아 미토콘드리아가 최초에는 자유생활을 하는 호기성 박테리아와 유사했을 것이라고 추측하고 있습니다. 그리고 이들이 진핵세포와 융합되어(혹은 잡혀 들어와) 일종의 공생(symbiosis) 생활을 영위하게 되었다는 것이죠.

공생이라는 것은 서로 다른 두 종이 밀접한 관계를 유지하며 생활하면서 서로 이익을 얻는 것이잖아요. 마치 흰개미와 흰개미의 장에 사는 원생생물처럼 말이죠. 흰개미는 서식처를 제공하고 원생생물은 흰개미 장 속의 섬유소를 분해해 주면서 서로 돕고 살아가는 것이죠. 그런데 이러한 원생생물의 일부는
그들의 세포 내에 또 다른 공생 박테리아를 갖고 있습니다. 그저 놀라울 따름이죠.

또 다른 대표적인 공생의 예로 지의류(lichen)를 들 수 있습니다. 오래된 바위 등에 붙어사는 지의류는 균류와 조류의 공생체이죠. 균류는 서식처와 습도를 제공하고 조류는 광합성에 의해서 영양분을 제공하면서 아주 척박한 환경에서도 살아갈 수 있는 생물체로서 생태계의 개척자라 할 만 하죠.

 

 

          

 

 

초기의 공생관계가 형성되는 것을 보면 필요에 따라서만 공생관계를 유지하고 그렇지 않을 때에는 다시 분리하여 독립적인 생활을 하는 형태였을 것입니다.
그러나 절대적인 공생관계의 단계에 접어들게 되면 서로 분리되어서는 살아갈 수 없을 정도의 밀접한 관계를 유지하게 되었을 것입니다.

선캄브리아기에 대기 중에 산소가 축적되면서 산소에 의해서 멸망의 위기에 있었던 어떤 하나의 생물체가 극적인 변화를 겪게됩니다. 그것은 바로 산소를 이용할 수 있는 박테리아와 같은 생물체를 세포내로 잡아들이게 된 것이죠.
그 결과 산소를 피하지 않고 보다 효율적으로 이용할 수 있게 된 것이죠. 결국 이러한 연합관계는 두 파트너에게 절대적인 관계로 발전하고 자연선택에 의해서 모든 진핵생물로 확산되게 되었습니다.

이와같은 사건은 식물세포의 기원에서도 유사하게 일어났습니다. 모든 녹색식물세포는 엽록체(chloroplast)를 갖고 있습니다. 엽록체에는 광합성을 위한 색소인 엽록소(chlorophyll)와 여러 가지 효소들을 갖고 있죠. 이 엽록체도 미토콘드리아와 유사하게 행동합니다. 즉 이들도 나름대로의 DNA와
RNA를 갖고 있으며 스스로 복제하여 그 수를 늘릴 수도 있습니다. 여러 가지 면에서 엽록체는 자유생활을 하는 시아노박테리아와 유사합니다.

미토콘드리아나 엽록체의 단백질들과 이들을 코딩하는 RNA의 서열을 조사한 결과 이들 서열은 세포질의 그것과는 크게 다를 뿐만 아니라 오히려 호기성 박테리아(미토콘드리아의 경우)나 시아노박테리아(엽록체의 경우)의 단백질이나 RNA의 서열과 유사하다는 것이 밝혀졌습니다.

한가지 예를 더 들겠습니다. 진핵세포가 갖고 있는 섬모와 편모에 대해서 들어보셨죠? 섬모(cilium; 복수는 cilia)는 세포의 표면에 돋아나 있는 수 많은 돌기입니다. 섬모는 세포를 이동시키거나 세포 주변부의 액체를 이동시키는 역할을 합니다. 우리의 기관지에는 섬모세포들이 많이 있어 호흡하는 공기 중의 먼지 등을 계속해서 걸러내고 있잖아요. 편모(flagellum; 복수는 flagella)는 많은 원생생물의 운동기관으로서 작용하며 생식세포인 정자에서도 볼 수 있는 구조로서 긴 채찍과 같은 구조입니다.

그 모양이 서로 다름에도 불구하고 섬모와 편모의 내부 미세구조는 거의 동일합니다. 그리고 섬모와 편모의 세포질쪽 기저부에는 기저체(basal body)라는 세포소기관이 있습니다. 마치 나무의 뿌리에 해당한다고 할까요? 그런데 이 기저체도 복제하여 그 수를 늘릴 수 있는 능력이 있습니다. 또한
이들도 나름대로의 DNA와 RNA를 갖고 있다는 증거들이 많이 얻어졌습니다.
그런데 재미있는 사실은 이들 섬모와 편모, 그리고 세포분열시 방추사 형성에 기여하는 중심소체(centriole)가 여러 가지 면에서 가는 실과 같은 박테리아인 스피로헤타(spirochaete)를 닮았다는 것입니다.

 또 실제로 많은 단세포 진핵생물들이 세포의 한쪽 끝에 스피로헤타를  부착시켜 공생생활을 하는 경우들이 있습니다. 이것으로 보아 섬모와 편모도 먼 옛날 스피로헤타와 같은 운동성을 갖는 세균의 공생에 의해 형성된 것으로 추측되고 있습니다.

이상을 종합하면 다음과 같습니다. 선캄브리아기에 원시적인 진핵생물(?)이 있었습니다(이러한 진핵생물들도 원시적인 여러 개의 원핵생물들이 융합되어 핵을 공유함으로써 형성되었다고 보는 견해가 지배적입니다). 이들 진핵생물에 호기성 박테리아가 잡혀 들어와 현재의 미토콘드리아가 되었습니다. 그후 스피로헤타와 같은 운동성을 갖는 원핵생물이 다시 잡혀 들어와 공생관계를 형성하며 현재의 섬모, 편모, 중심소체의 기원이 되었습니다. 그리고 마지막으로 시아노박테리아와 유사한 광합성세균을 잡아
들여 공생관계를 유지하게 되었습니다. 세 번째 사건의 결과는 오늘날 엽록체를 갖는 식물세포가 되었습니다.

 

    1) 여러 원핵세포가 DNA와 세포질을 공유하며 원시적인 진핵세포 형성
    2) 호기성 세균을 잡아들이며 미토콘드리아 형성
    3) 운동성 세균을 잡아들이며 섬모, 편모, 중심소체 형성
    4) 광합성 세균을 잡아들이며 엽록체 형성(식물의 경우)

 

 

 

 




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