미토콘드리아와 엽록체는 왜 자기만의 DNA를 갖고 있을까 — 세포내공생설

지금까지 본 소기관들은 전부 진핵세포 자신의 DNA로 만들어진 부품입니다. 그런데 미토콘드리아와 엽록체는 좀 다릅니다. 이 둘은 세포 안에 독자적인 원형 DNA와 독자적인 리보솜을 따로 갖고 있어요. 왜 이 두 소기관만 이런 예외적인 특징을 가졌을까요? 답은 이 둘이 원래 다른 세포였다는 데 있습니다.

세포내공생설 — 원래는 두 개의 독립된 세포였다

세포내공생설(endosymbiotic theory)은 미토콘드리아와 엽록체가 약 15억~20억 년 전 더 큰 원핵세포에 삼켜졌지만 소화되지 않고 살아남은 세균이었다고 설명합니다. 처음엔 숙주세포 안에서 그냥 얹혀사는 관계였다가, 시간이 지나며 서로 떼려야 뗄 수 없이 의존하는 하나의 세포로 합쳐졌다는 거예요. 억지스러운 가설처럼 들릴 수 있지만, 근거가 꽤 탄탄합니다.

• 이중막 구조 — 내막은 원래 그 세균 자신의 세포막입니다. 외막은 숙주세포가 삼킬 때 감쌌던 막의 흔적이라고 설명하는 교과서가 많지만, 외막의 통로 단백질(포린)이 세균 외막의 단백질과 닮아서 외막도 세균 자신의 바깥막에서 왔다고 보는 견해가 지금은 유력합니다. 어느 쪽이든 두 겹의 막은 삼켜진 세균의 흔적이라는 점은 같습니다.
• 독자적인 원형 DNA — 진핵세포 핵의 DNA처럼 히스톤에 감겨 있지 않고, 세균처럼 원형이며 히스톤이 없습니다.
• 세균형 리보솜(70S) — 세포질의 진핵생물형 리보솜(80S)과 크기·구성이 다르고, 오히려 세균 리보솜과 닮았습니다.
• 독자적인 이분열 — 세포 주기와 별개로 세균처럼 스스로 둘로 나뉘어 증식합니다.

삼켜진 호기성 세균은 미토콘드리아로, 광합성 세균은 엽록체로 — 그리고 세균과 닮은 네 가지 근거 — 송쌤생명과학 자체 제작

미토콘드리아 — 세포호흡으로 ATP를 뽑아내는 곳

미토콘드리아는 외막과 내막 두 겹으로 싸여 있는데, 내막이 안쪽으로 주름져 크리스타라는 구조를 이룹니다. 막을 평평하게 두지 않고 주름을 잡은 이유는 이전 글에서 봤던 원리와 똑같아요 — 표면적을 최대한 늘려야 그 위에서 일어나는 화학 반응(전자전달계)의 효율이 올라가기 때문입니다. 내막 안쪽 공간을 기질(matrix)이라 부르고, 여기서 시트르산 회로가 진행됩니다. 세포호흡을 통해 유기물에 저장된 에너지를 ATP로 뽑아내는 게 미토콘드리아의 역할입니다.

출처: Wikimedia Commons, 저작자: Kelvinsong(수정: Sowlos), CC BY-SA 3.0 — 원본 보기

엽록체 — 빛에너지를 화학에너지로 바꾸는 곳

엽록체도 이중막 구조지만, 내부에 미토콘드리아에는 없는 독특한 구조가 하나 더 있습니다. 동전을 쌓아놓은 듯한 막 주머니 더미인 그라나, 그리고 그 그라나를 이루는 낱장 하나하나가 틸라코이드입니다. 틸라코이드 막에서 빛에너지를 흡수해 전자를 전달하는 빛반응이 일어나고, 틸라코이드를 둘러싼 액체 공간인 스트로마에서 캘빈 회로가 진행됩니다.

출처: Wikimedia Commons, 저작자: Kelvinsong, CC BY 3.0 — 원본 보기

서로 반대 방향으로 에너지를 다루는 한 쌍

미토콘드리아와 엽록체를 나란히 보면 재미있는 대칭이 보입니다. 미토콘드리아는 유기물을 분해해서 나온 에너지로 ATP를 만들고(이화), 엽록체는 빛에너지를 써서 이산화탄소로 유기물을 만듭니다(동화) — 방향은 정반대지만, 둘 다 막을 사이에 둔 수소 이온 농도 기울기를 이용해 ATP를 합성하는 화학삼투라는 똑같은 전략을 씁니다. 이 화학삼투의 자세한 메커니즘은 세포호흡과 광합성을 각각 다루는 다음 챕터들에서 이어집니다.

구분	미토콘드리아	엽록체
내부 주름/구조	크리스타(내막의 주름)	그라나(틸라코이드 더미)
내부 액체 공간	기질(matrix)	스트로마
에너지 변환 방향	유기물 → ATP (이화)	빛에너지 → 유기물 (동화)
존재하는 생물	거의 모든 진핵생물	식물, 조류 등 광합성 진핵생물

쌤 한마디: "그럼 엽록체를 가진 세포는 미토콘드리아가 없나요?"라는 질문을 자주 받는데, 아닙니다. 식물세포도 세포호흡을 하기 때문에 미토콘드리아와 엽록체를 둘 다 갖고 있어요. 엽록체는 빛이 있을 때 유기물을 "만드는" 역할이고, 미토콘드리아는 그렇게 만들어진(또는 외부에서 흡수한) 유기물을 "써서" ATP를 얻는 역할이라 서로 대체 관계가 아니라 협력 관계입니다.

다음 글에서는 세포 안에서 물리적으로 힘을 만들고 구조를 지지하는 세포골격을 살펴보겠습니다.