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미토콘드리아 질환
기사의 의료 전문가
최근 리뷰 : 07.07.2025
미토콘드리아 질환은 미토콘드리아의 구조, 기능, 그리고 조직 호흡의 이상으로 인해 발생하는 유전 질환 및 병리학적 질환의 크고 작은 집단입니다. 외국 연구자들에 따르면, 신생아에서 이러한 질환의 발생 빈도는 5,000분의 1입니다.
ICD-10 코드
대사 장애, 4등급, E70-E90.
이러한 병리학적 질환의 본질에 대한 연구는 1962년, 한 연구진이 비갑상선성 과대사, 근력 약화, 그리고 높은 기초 대사율을 보이는 30세 환자를 기술하면서 시작되었습니다. 이러한 변화는 근육 조직 미토콘드리아의 산화적 인산화 과정 장애와 관련이 있는 것으로 제시되었습니다. 1988년에는 다른 과학자들이 근병증과 시신경병증 환자에서 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 돌연변이를 처음 보고했습니다. 10년 후, 호흡 사슬 복합체를 암호화하는 핵 유전자의 돌연변이가 어린 소아에서 발견되었습니다. 이로써 소아 질병 구조에 미토콘드리아 병리학, 미토콘드리아 근병증, 미토콘드리아 뇌근병증이라는 새로운 방향이 형성되었습니다.
미토콘드리아는 모든 세포(적혈구 제외)에 수백 개의 사본 형태로 존재하는 세포 내 소기관으로 ATP를 생성합니다. 미토콘드리아의 길이는 1.5μm, 너비는 0.5μm입니다. 세포 주기 내내 끊임없이 재생됩니다. 이 소기관은 외막과 내막, 두 개의 막으로 이루어져 있습니다. 내막에서 크리스타라고 불리는 주름이 안쪽으로 뻗어 나옵니다. 내부 공간은 세포의 주요 균질 또는 미세 입자 물질인 기질로 채워져 있습니다. 이 기질에는 DNA 고리 분자, 특정 RNA, 칼슘 및 마그네슘 염 과립이 포함되어 있습니다. 산화적 인산화(시토크롬 b, c, a, a3 복합체)와 전자 전달에 관여하는 효소는 내막에 고정되어 있습니다. 이 내막은 기질 산화의 화학 에너지를 ATP, 크레아틴 인산 등의 형태로 축적되는 에너지로 변환하는 에너지 변환 막입니다. 외막에는 지방산의 운반 및 산화에 관여하는 효소가 포함되어 있습니다. 미토콘드리아는 자가 번식이 가능합니다.
미토콘드리아의 주요 기능은 호기성 생물학적 산화(세포가 산소를 이용하는 조직 호흡)입니다. 이는 유기 물질의 에너지를 이용하여 세포 내에서 점진적으로 방출하는 시스템입니다. 조직 호흡 과정에서 수소 이온(양성자)과 전자는 다양한 화합물(수용체와 공여체)을 통해 산소로 순차적으로 전달됩니다.
아미노산의 분해 과정에서 탄수화물, 지방, 글리세롤, 이산화탄소, 물, 아세틸 코엔자임 A, 피루브산, 옥살아세트산, 케토글루타르산이 생성되어 크렙스 회로로 들어갑니다. 생성된 수소 이온은 아데닌 뉴클레오타이드, 즉 아데닌(NAD + )과 플라빈(FAD + ) 뉴클레오타이드에 의해 수용됩니다. 환원된 코엔자임 NADH와 FADH는 5개의 호흡 복합체로 구성된 호흡 사슬에서 산화됩니다.
전자 전달 과정 동안 에너지는 ATP, 크레아틴 인산 및 기타 거대에너지 화합물의 형태로 축적됩니다.
호흡 사슬은 생물학적 산화의 전체 복잡한 과정을 수행하는 5개의 단백질 복합체로 표현됩니다(표 10-1):
- 1번째 복합체 - NADH-유비퀴논 환원효소(이 복합체는 25개의 폴리펩타이드로 구성되며, 그 중 6개의 합성은 mtDNA에 의해 인코딩됨)
- 2번째 복합체 - 석신산-유비퀴논 산화환원효소(석신산 탈수소효소를 포함하여 5~6개의 폴리펩티드로 구성되며, mtDNA에서만 암호화됨)
- 3번째 복합체 - 시토크롬 C 산화환원효소(코엔자임 Q에서 복합체 4로 전자를 전달하고, 9~10개의 단백질로 구성되며, 이 중 하나의 합성은 mtDNA에 의해 암호화됨)
- 4번째 복합체 - 시토크롬 산화효소[2개의 시토크롬(a와 a3)으로 구성, mtDNA에 의해 인코딩됨]
- 5번째 복합체 - 미토콘드리아 H + -ATPase(12~14개의 소단위로 구성, ATP 합성 수행).
또한, 베타 산화를 겪고 있는 4가지 지방산의 전자는 전자 전달 단백질을 통해 전달됩니다.
미토콘드리아에서는 또 다른 중요한 과정인 지방산의 베타 산화가 일어나 아세틸-CoA와 카르니틴 에스테르가 생성됩니다. 지방산 산화의 각 주기마다 4가지 효소 반응이 일어납니다.
첫 번째 단계는 아실-CoA 탈수소효소(짧은 사슬, 중간 사슬, 긴 사슬)와 2개의 전자 운반체에 의해 제공됩니다.
1963년, 미토콘드리아가 모계를 통해 유전되는 고유한 유전체를 가지고 있다는 사실이 밝혀졌습니다. 미토콘드리아는 16,569 bp 길이의 단일 작은 고리 염색체로 구성되어 있으며, 2개의 리보솜 RNA, 22개의 운반 RNA, 그리고 전자 전달 사슬 효소 복합체의 13개 소단위체(이 중 7개는 복합체 1에, 1개는 복합체 3에, 3개는 복합체 4에, 2개는 복합체 5에 속함)를 암호화합니다. 산화적 인산화 과정에 관여하는 미토콘드리아 단백질의 대부분(약 70개)은 핵 DNA에 의해 암호화되며, 단 2%(13개의 폴리펩타이드)만이 구조 유전자의 제어 하에 미토콘드리아 기질에서 합성됩니다.
MtDNA의 구조와 기능은 핵 유전체와 다릅니다. 첫째, 인트론을 포함하지 않아 핵 DNA에 비해 유전자 밀도가 높습니다. 둘째, 대부분의 mRNA는 5'-3' 비번역 서열을 포함하지 않습니다. 셋째, mtDNA는 조절 영역인 D-루프를 가지고 있습니다. 복제는 두 단계로 진행됩니다. mtDNA의 유전 암호와 핵 DNA의 차이점 또한 확인되었습니다. 특히 mtDNA는 많은 수의 사본을 가지고 있다는 점에 주목해야 합니다. 각 미토콘드리아는 2개에서 10개 이상의 사본을 가지고 있습니다. 세포가 수십만 개의 미토콘드리아를 포함할 수 있다는 점을 고려하면, 최대 1만 개의 사본이 존재할 수 있습니다. mtDNA는 돌연변이에 매우 민감하며, 현재 세 가지 유형의 변화가 확인되었습니다. mtDNA 유전자를 암호화하는 단백질의 점 돌연변이(mit 돌연변이), mtDNA-tRNA 유전자의 점 돌연변이(sy/7 돌연변이), 그리고 mtDNA의 대규모 재배열(p 돌연변이)입니다.
일반적으로 미토콘드리아 유전체의 전체 세포 유전자형은 동일(상동형질성)하지만, 돌연변이가 발생하면 유전체의 일부는 동일하게 유지되고 다른 부분은 변형됩니다. 이러한 현상을 이형질질성이라고 합니다. 돌연변이 유전자는 돌연변이의 수가 특정 임계치(역치)에 도달했을 때 발현되며, 그 후 세포 생체 에너지 과정에 이상이 발생합니다. 이는 최소한의 이상이라도 에너지 의존도가 가장 높은 장기와 조직(신경계, 뇌, 눈, 근육)이 가장 먼저 영향을 받는다는 것을 설명합니다.
미토콘드리아 질환의 증상
미토콘드리아 질환은 임상 증상이 매우 다양합니다. 에너지에 가장 많이 의존하는 시스템은 근육계와 신경계이므로, 근육계와 신경계가 가장 먼저 영향을 받고, 따라서 가장 특징적인 징후가 나타납니다.
[ 미토콘드리아 질환 진단
형태학적 연구는 미토콘드리아 병리 진단에 특히 중요합니다. 정보적 가치가 크기 때문에 근육 조직 생검과 생검 조직에 대한 조직화학 검사가 종종 필요합니다. 광학현미경과 전자현미경을 사용하여 동시에 검사하면 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.
어떤 검사가 필요합니까?
미토콘드리아 질환 치료
현재까지 미토콘드리아 질환의 효과적인 치료는 미해결 문제로 남아 있습니다. 이는 여러 요인 때문입니다. 조기 진단의 어려움, 질병 발병 기전의 개별 연관성에 대한 연구 부족, 일부 병리의 희귀성, 병변의 다기관적 특성으로 인한 환자 상태의 심각성으로 인한 치료 평가의 어려움, 그리고 치료 효과 기준에 대한 통일된 견해의 부재 등이 있습니다. 약물 교정 방법은 개별 미토콘드리아 질환의 발병 기전에 대한 지식을 바탕으로 합니다.