인간의 몸은 약 60조 개의 세포로 이루어져 있고, 그 세포 하나하나에는 100개에서 3000개 정도의 미토콘드리아가 존재한다. 미토콘드리아는 세포 안에서 가장 많은 부피를 차지하는 세포 내 기관으로 우리 몸에 있는 미토콘드리아의 총 무게는 우리 몸무게의 10%나 차지한다. 미토콘드리아는 세포가 사용할 에너지를 생산하는 세포 내 기관으로 주로 알려졌지만, 최근 연구에 의하면 미토콘드리아가 우리의 건강과 밀접하게 연결돼 있을 뿐 만 아니라 생물의 진화에도 중요한 역할을 한다.

다이어트를 하려면 미토콘드리아를 늘려라

우리 몸은 섭취한 음식물을 에너지로 쓰기 위해 복잡한 과정을 거친다. 우선 음식물을 분해하여 포도당이나 아미노산 등의 영양소로 바꿔 몸속에 흡수한다. 이 영양소는 혈관을 통해 온몸의 세포에 공급되는데, 세포는 이 영양소를 바로 에너지로 사용할 수가 없다. 세포의 에너지원은 ATP(아데노신3인산)이기 때문이다. 그래서 세포는 미토콘드리아를 통해 흡수한 영양소를 이용한 ATP 합성 과정을 한 번 더 거치게 된다.

세포는 미토콘드리아가 많을수록 더 많은 에너지를 만들어낸다. 그래서 심장 근육 세포나 신경 세포와 같이 에너지가 많이 필요한 세포일수록 미토콘드리아의 수가 많다.

특히 근육 세포는 미토콘드리아가 많을수록 오랫동안 지치지 않고 움직일 수 있어 지구력이 좋아진다. 또한 운동을 많이 할수록 근육 세포 안에 미토콘드리아의 수가 늘어난다. 근육을 많이 쓰면 근육 세포가 ATP를 많이 소비하여 ATP가 부족해진다. 그러면 ATP가 부족하다는 신호가 세포 핵 안의 유전자에 전달되고, 신호를 받은 유전자는 새로운 미토콘드리아를 만들기 위한 작업을 시작한다.

미토콘드리아는 다이어트와도 연관이 있다. 우리 몸에 미토콘드리아가 많을수록 기초대사량이 많기 때문이다. 기초대사량이 많을수록 흡수한 영양소를 에너지로 소비하는 양이 많기 때문에 많이 먹어도 상대적으로 살이 덜 찐다. 따라서 다이어트에 성공하려면 운동을 열심히 해서 근육 세포 안의 미토콘드리아 수를 많이 늘려야 한다.

미토콘드리아 수가 많을수록 많이 먹어도 상대적으로 살이 덜 찐다. ⓒ 윤상석

세균끼리 공생하는 과정에서 탄생한 미토콘드리아

미토콘드리아는 외막과 내막의 이중막과 DNA를 갖고 있다. 동물의 세포 기관 중에서 핵을 제외하고 미토콘드리아만이 자신만의 DNA를 갖는다. 게다가 미토콘드리아 DNA는 핵 DNA와 달리 세균의 DNA처럼 원형의 염색체를 이룬다. 그래서 과학자들은 미토콘드리아가 태초에는 원래 독립된 세균이었는데 다른 세균이 합쳐져 공생하면서 세포 내 기관으로 변했다는 가설을 내놓았다.

미토콘드리아는 동물 세포 기관 중 핵을 제외하고 유일하게 자신만의 DNA를 갖는다. ⓒ 윤상석

이 가설은 다음과 같다. 지구상에 처음으로 나타난 생명체는 원핵생물이었다. 원핵생물은 핵을 포함해 세포 내부에 막으로 둘러싸인 기관이 없는 생물이다.

미토콘드리아 조상 세균도 원핵생물이었는데, 산소를 이용해 당과 같은 유기물질을 에너지 형태인 ATP로 전환할 수 있는 능력이 있었다. 그런데 원핵생물 중에 DNA를 막으로 가둬 핵을 가지려는 원시 진핵생물이 생겼다.

이 원시 진핵생물 중 어떤 세균이 자신보다 덩치가 훨씬 작은 미토콘드리아의 조상 세균을 잡아먹었다. 그런데 미토콘드리아 조상 세균은 소화되지 않고 자신을 삼킨 세균 안에 그대로 살아남는 행운이 일어났다.

이때부터 미토콘드리아 조상 세균은 자신을 삼킨 세균에게 에너지를 주고 그 세균으로부터 안전한 장소와 에너지 생산에 필요한 당을 제공받으면서 서로 공생하게 된다. 미토콘드리아 조상 세균을 삼킨 세균은 세포 안에 에너지 생산 공장을 갖게 되면서 복잡한 생물로 발전할 수 있게 되었고, 미토콘드리아 조상 세균은 그 세균의 안에서 세포 기관으로 자리를 잡은 것이다.

결국 미토콘드리아 조상 세균을 삼킨 세균은 진핵생물로 발전하였고, 다시 비약적으로 진화하여 동물의 세포가 되었다. 이 가설이 처음 나왔을 때 많은 과학자들로부터 외면당했지만, 그 후 이 가설을 뒷받침하는 증거들이 계속 발견되면서 현재는 정설로 인정받고 있다.

미토콘드리아는 원래 독립된 세균이었으나 다른 세균과 공생하면서 세포 내 기관이 됐다. ⓒ 윤상석

미토콘드리아를 이용해 인류의 기원을 찾는다

대부분의 다세포생물의 경우, 아버지의 정자와 어머니의 난자가 수정될 때 정자의 미토콘드리아는 분해되어 없어진다. 따라서 우리 몸의 미토콘드리아는 모두 어머니로부터 물려받았고, 미토콘드리아 속의 DNA는 부모 유전자 재조합 과정을 겪지 않은 채 모계 단일 계통으로 전달된다.

이 때문에 미토콘드리아 DNA의 계보를 추적하여 비교하기가 쉽다. 게다가 미토콘드리아의 유전자는 핵 유전자와 달리 크기가 작아 분석하기도 쉽다. 그래서 미토콘드리아의 DNA를 이용하여 인류의 기원을 찾으려는 연구가 진행되었다.

이 연구를 통해 현생 인류가 약 20만 년 전에 아프리카에 살았던 한 여성의 자손이라는 주장이 발표되기도 하였다. 또한 미토콘드리아 DNA는 이러한 특성 때문에 인류 유전학의 연구에도 자주 활용되고 있다.