생명과학 고3 세포의 구조와 기능 심화

미토콘드리아

이중막 구조로 내막(크리스테)에서 세포 호흡을 통해 ATP를 대량 생산하는 에너지 공장 소기관이다.

이중막으로 싸여 있고, 안쪽 막이 크리스테라는 주름을 이루며 세포 호흡으로 ATP를 대량 생산하는 소기관입니다.

미토콘드리아는 발전소입니다. 다만 에너지를 '만들어 내는' 것이 아니라, 포도당에 들어 있던 에너지를 세포가 바로 쓸 수 있는 형태(ATP)로 바꿔 주는 변환소에 가깝습니다.

쉽게 말하면

세포 소기관 가운데 미토콘드리아는 막이 두 겹이라는 점이 곧 기능입니다. 바깥막은 매끈하지만 안쪽막은 안으로 깊게 접혀 크리스테를 이루고, 이 주름 덕분에 표면적이 크게 늘어납니다. 표면적이 왜 중요하냐면, ATP를 만드는 단백질들이 바로 이 안쪽막에 박혀 있기 때문입니다. 넓은 막 = 더 많은 생산 라인입니다.

안쪽막이 감싼 공간을 기질(매트릭스)이라 하고, 여기서는 포도당이 쪼개진 산물이 이산화 탄소로 완전히 분해됩니다. 그 과정에서 뽑아낸 전자가 안쪽막을 따라 전달되며 수소 이온을 막 사이 공간으로 퍼내고, 그렇게 쌓인 농도 차가 다시 안으로 흘러들 때 ATP가 만들어집니다. 즉 미토콘드리아의 이중막은 '농도 차를 저장할 수 있는 그릇'이라서 두 겹인 것입니다.

미토콘드리아는 자체 DNA와 리보솜을 가지고 스스로 분열해 늘어납니다. 세포가 새로 만들어 주는 것이 아니라, 기존 미토콘드리아가 둘로 나뉘는 방식입니다. 이 사실이 세포내 공생설의 근거가 됩니다. 자세한 반응 과정은 세포 호흡에서 다룹니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

근육 세포와 미토콘드리아 수

오래 힘을 내야 하는 근육일수록 미토콘드리아가 빽빽하게 들어차 있습니다. 지구력 훈련을 하면 근육 세포의 미토콘드리아가 늘어나는 것도 같은 이유입니다. ATP를 많이 써야 하면 발전소를 늘리는 것이 세포의 답입니다.
예시 2

청산가리와 일산화 탄소가 위험한 이유

이 물질들은 미토콘드리아 안쪽막의 전자 전달 과정을 막아 버립니다. 산소가 폐로 들어와도 세포가 ATP를 만들지 못하므로 세포는 사실상 질식합니다. 호흡은 '숨 쉬는 것'이 아니라 '세포가 ATP를 만드는 것'이라는 점을 보여 줍니다.
예시 3

모계 유전되는 미토콘드리아 DNA

수정될 때 정자의 미토콘드리아는 거의 전달되지 않아, 사람의 미토콘드리아 DNA는 대체로 어머니 쪽에서 옵니다. 핵 DNA와 달리 부모에게서 섞여 오지 않는 이 특징 때문에, 미토콘드리아 DNA는 계통을 추적하는 데 쓰입니다.

자주 하는 오해

미토콘드리아가 에너지를 '만들어 낸다'고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움미토콘드리아가 무에서 에너지를 생산한다

실제로는포도당에 이미 들어 있던 화학 에너지를 ATP라는 쓰기 좋은 형태로 '전환'합니다.

에너지는 새로 생기지 않습니다. 게다가 전환 과정에서 상당량이 열로 빠져나갑니다. '생산'이라는 말에 속으면 나중에 에너지 보존과 관련된 문제에서 반드시 걸립니다.

산소가 포도당을 태우는 데 직접 불을 붙인다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움산소가 포도당과 곧바로 결합해 이산화 탄소와 물을 만든다

실제로는산소는 마지막에 전자를 받아 물이 되는 '최종 전자 수용체'입니다. 포도당에서 뽑아낸 전자를 여러 단계에 걸쳐 넘긴 끝에 산소가 받습니다.

한 번에 태우면 에너지가 열로 다 흩어집니다. 세포는 여러 단계로 조금씩 나눠 뽑아내야 ATP로 담을 수 있습니다. 산소가 없으면 전자를 받아 줄 곳이 없어 앞 단계 전체가 멈춰 버리는 것이 산소가 필요한 진짜 이유입니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

세포 소기관고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

세포 호흡고3

같은 단원의 개념 — 세포의 구조와 기능

골지체고3 능동 수송고3 단백질고3 리보솜고3 리소좀고3 삼투고3 생체 고분자고3 세포 소기관고3 세포내·외 운반(식세포작용·분비)고3 세포막고3 소포체고3 엽록체고3 지질고3 촉진 확산고3 탄수화물고3 핵고3 핵산고3 확산고3

자주 묻는 질문

Q1크리스테(안쪽막 주름)가 왜 접혀 있나요?

표면적을 넓히기 위해서입니다. ATP를 만드는 단백질이 안쪽막에 박혀 있으므로, 막이 넓을수록 한 미토콘드리아가 낼 수 있는 ATP가 많아집니다. ATP 소비가 많은 세포일수록 크리스테가 촘촘합니다.

Q2미토콘드리아가 자기 DNA를 가지는 이유는요?

세포내 공생설로 설명합니다. 오래전 산소 호흡을 하던 세균이 큰 세포 안으로 들어가 함께 살게 되었다는 가설입니다. 이중막, 자체 DNA와 리보솜, 스스로 분열해 늘어난다는 점이 모두 이 가설과 맞아떨어집니다.

Q3식물 세포에도 미토콘드리아가 있나요?

있습니다. 엽록체는 빛에너지를 포도당에 저장할 뿐, 그 포도당을 ATP로 바꾸는 일은 미토콘드리아가 합니다. 그래서 식물도 밤낮 없이 호흡하며, 빛이 닿지 않는 뿌리 세포는 미토콘드리아에 전적으로 의존합니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 생명과학 · 세포의 구조와 기능 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

안쪽막에서 실제로 무슨 반응이 일어나는지는 세포 호흡에서 단계별로 확인해 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

미토콘드리아 지도에서 확인하기 →