생명체—사슬들의 놀라운 결합체

당신은 사람의 몸이 극도로 미세한 사슬들의 집합체라고 생각해 본 적이 있습니까? 아마 없을 것입니다. 하지만 「생명체의 작업 방식」(The Way Life Works)이라는 책에 의하면, 실제로 생명체는 “상호 관련이 있는 최소 구성 요소의 수준에서는 조직 원칙으로 사슬을” 사용합니다. 따라서 이러한 일부 사슬들에 작은 결함만 있어도 우리의 건강은 중대한 영향을 받을 수 있습니다. 이 사슬들은 무엇이며, 어떻게 기능을 수행합니까? 그리고 우리의 건강과 복지와는 어떤 관련이 있습니까?

기본적으로 이 사슬들은 사슬 모양의 분자들로서, 크게 두 가지로 분류할 수 있습니다. 한 가지는 우리가 이 기사에서 고려할 분자들인 단백질입니다. 그리고 또 한 가지는 유전 정보를 저장하고 전달하는 디옥시리보 핵산(DNA)과 리보 핵산(RNA)이라는 분자들입니다. 물론 이 두 가지 분자들은 밀접한 관련이 있습니다. 사실, DNA와 RNA의 주요 기능 하나는 생명체가 필요로 하는 대단히 다양한 단백질을 생산하는 것입니다.

촉매, 경비병, 기둥

단백질은 생명체의 비교적 큰 분자들 가운데 단연 가장 다양합니다. 단백질 계통의 분자들 가운데는 항체, 효소, 신호 전달 단백질, 구조 단백질, 물질 수송 단백질이 있습니다. 대단히 다양한 항체 즉 면역 글로불린은 세균이나 바이러스 같은 외부 침입자로부터 몸을 지켜 줍니다. 다른 글로불린들은 외상으로 인해 손상된 혈관이 봉해지도록 도움을 줍니다.

효소는 촉매 역할을 하여 화학 반응, 이를테면 소화와 관련이 있는 화학 반응의 속도를 높여 줍니다. 사실, “효소가 없다면 우리는 곧 굶어 죽고 말 것이다. 일반적인 식사 한 끼를 소화시키는 데 50년이 걸릴 것이기 때문이다”라고,  「생명의 실」(The Thread of Life)이라는 책에서는 설명합니다. 효소는 공장의 조립 라인에서 일하는 것처럼 각각의 단백질이 특정한 작업을 수행하는 방식으로 일을 합니다. 예를 들어, 말타아제라는 효소는 맥아당을 두 분자의 포도당으로 분해합니다. 락타아제는 유당을 분해합니다. 또한 원자들과 분자들을 결합시켜 새로운 화합물을 합성하는 효소들도 있습니다. 효소들은 그 일을 눈 깜짝할 사이에 해냅니다. 단 한 개의 효소 분자는 초당 수천 개의 화학 반응에서 촉매 작용을 할 수 있습니다!

일부 단백질은 호르몬으로 분류되며 신호를 전달하는 역할을 합니다. 이러한 단백질은 혈류에 분비되어 몸의 다른 부분의 활동을 촉진하거나 억제합니다. 예를 들어, 인슐린은 세포를 자극하여 세포의 에너지원인 포도당을 흡수하게 합니다. 구조 단백질은 연골, 털, 손톱, 피부의 주성분이며, 그 가운데는 콜라겐과 케라틴 등이 있습니다. 이 모든 구조 단백질은 “세포 안에서 기둥, 들보, 합판, 시멘트, 못에 해당되는 것”이라고 「생명체의 작업 방식」에서는 알려 줍니다.

세포막에 있는 물질 수송 단백질은 펌프와 터널 역할을 하여, 물질이 세포 안팎으로 이동하게 해 줍니다. 그러면 이제 단백질은 무엇으로 만들어지며 단백질의 사슬 같은 구조가 그 기능과 어떤 관련이 있는지 살펴보도록 하겠습니다.

복잡하지만 그 기초는 간단하다

알파벳 즉 문자는 여러 언어의 기본 요소입니다. 이런 문자들이 모이면 단어가 만들어집니다. 그리고 단어들이 모여서 문장이 만들어집니다. 분자 수준에서 보면 생명체에도 이와 비슷한 원리가 사용됩니다. 단백질 생성의 바탕이 되는 “알파벳”은 DNA에서 나옵니다. 놀랍게도 이 “알파벳”은 단지 네 개의 문자 즉 A, C, G, T로 이루어져 있습니다. 이 문자들은 아데닌, 시토신, 구아닌, 티민이라는 화학 염기를 가리키는 기호입니다. 이 네 개의 염기를 바탕으로, DNA는 RNA를 중간 매개로 사용해서 단어에 비할 수 있는 아미노산을 생성시킵니다. 하지만 일반적인 단어들과는 달리, 아미노산은 모두가 동일하게 세 개의 문자로 이루어져 있습니다. 리보솜이라는 “단백질 조립 기계”에서는 아미노산들을 서로 결합시킵니다. 그 결과 생성되는 사슬 즉 단백질은 문장에 비할 수 있습니다. 전형적인 단백질에는 약 300 내지 400개의 아미노산이 들어  있으므로, 말로 하거나 글로 쓰는 문장보다 더 많은 구성 요소를 담고 있는 셈입니다.

한 참고 문헌에 의하면, 자연계에 존재하는 아미노산은 수백 종이 있지만 대부분의 단백질에서는 약 20종의 아미노산만이 발견됩니다. 이 아미노산들의 배열에 의해 만들어질 수 있는 조합의 수에는 거의 끝이 없습니다. 생각해 보십시오. 불과 20종의 아미노산이 100개의 아미노산으로 이루어진 사슬을 형성한다면, 그 사슬이 배열될 수 있는 경우의 수는 10의 100제곱—1 다음에 0이 100개 붙는 수—이 넘습니다!

단백질의 모양과 기능

단백질의 모양은 단백질이 세포 안에서 하는 역할과 대단히 중요한 관련이 있습니다. 아미노산 사슬은 어떻게 단백질의 모양에 영향을 줍니까? 연결부가 헐거운 금속이나 플라스틱 사슬과는 달리, 아미노산은 특정한 각도로 결합되어 일정한 형태를 만듭니다. 이러한 형태 가운데는 전화기의 줄처럼 나선 구조로 되어 있는 것도 있고 병풍처럼 주름이 잡힌 것도 있습니다. 이어서 이러한 형태는 “접혀서” 즉 모양을 형성하여 더 복잡한 삼차원 구조를 갖게 됩니다. 단백질의 모양은 아무렇게나 만들어지는 것이 아닙니다. 사실 단백질의 형태는 그 기능에 대단히 중요합니다. 아미노산 사슬에 결함이 생길 때 일어나는 일을 보면 단백질의 형태가 중요하다는 것을 아주 분명하게 알 수 있습니다.

사슬에 결함이 있을 때

아미노산 사슬에 결함이 있거나 부정확하게 접혀 있는 단백질은 낫 모양 적혈구성 빈혈과 낭포성 섬유증을 포함하여 여러 가지 질병을 일으킬 수 있습니다. 낫 모양 적혈구성 빈혈은 적혈구의 헤모글로빈 분자가 비정상인 유전병입니다. 574개의 아미노산으로 이루어져 있는 헤모글로빈 분자는 네 개의 사슬로 배열되어 있습니다. 네 개의 사슬 가운데 두 개에서 단 하나의  아미노산만 자리가 바뀌어도 정상 헤모글로빈이 낫 모양으로 변형됩니다. 대부분의 낭포성 섬유증은 아미노산 사슬의 중요한 위치에 페닐알라닌이라는 아미노산이 없는 단백질 때문에 생깁니다. 이 결함은 무엇보다도 소화관과 폐 안쪽의 막에 필요한 염분과 수분의 균형을 깨뜨려, 이러한 기관의 표면을 덮는 점액이 비정상적으로 진하고 끈적끈적해지게 만듭니다.

특정한 단백질이 심각하게 부족하거나 없을 경우 백피증이나 혈우병과 같은 이상이 생기게 됩니다. 가장 흔한 형태의 백피증 즉 색소 결손 증상은 티로시나아제라고 하는 중요한 단백질이 없거나 결함이 있을 때 생깁니다. 이 단백질은 멜라닌 즉 보통의 경우 사람의 눈, 털, 피부에 있는 갈색 색소의 생성에 영향을 줍니다. 혈우병은 피의 응고를 돕는 단백질 인자가 아주 적거나 없어서 생깁니다. 단백질의 결함 때문에 생기는 다른 이상들을 몇 가지만 들면 유당 불내증과 근(筋)디스트로피증이 있습니다.

질병의 발병 과정에 관한 한 가지 이론

근년에 과학자들은 일부 사람들이 프리온이라는 변형 단백질 때문에 생긴다고 보는 한 가지 질병에 주의를 집중하였습니다. 이 이론에 따르면, 결함이 있는 프리온이 정상적인 프리온 단백질에 붙어서 정상적인 단백질이 잘못 접히게 만들 때 질병이 발생합니다. 그 결과 “질병이 퍼지고 새로운 전염 물질이 생성되는 연쇄 반응”이 일어난다고 「사이언티픽 아메리칸」지는 알려 줍니다.

1950년대에 파푸아뉴기니에서는 프리온 때문에 생긴 질병일지 모르는 병이 처음으로 사람들의 주목을 받게 되었습니다. 그곳의 어떤 고립된 부족들에게는 종교적인 이유로 인육을 먹는 풍습이 있었는데, 그로 인해 그들은 쿠루병에 걸리게 되었습니다. 그 병은 크로이츠펠트·야코프병과 증상이 비슷했습니다. 그 병으로 고통을 받던 부족들이 그 종교 의식을 중단하자 쿠루병 발생 사례는 급격히 감소하였으며, 이제 이 병은 사실상 사라진 것이나 다름없게 되었습니다.

놀라운 설계!

하지만 다행히도 단백질은 대개 정확하게 접히며 놀라울 정도로 협조적이고 효율적으로 충실하게 임무를 수행해 나갑니다. 사람의 몸에 10만 종이 넘는 단백질이 있으며 그러한 단백질을 이루는 그 모든 복잡한 사슬들이 수천 가지 형태로 접혀 있다는 점을 감안할 때 이것은 놀라운 일이 아닐 수 없습니다.

단백질 분야는 대부분 아직 미지의 세계입니다. 현재 연구가들은 더 많은 것을 알아내기 위해서, 단백질의 아미노산 배열 순서를 근거로 단백질의 모양을 예측할 수 있는 매우 정교한 컴퓨터 프로그램을 개발하고 있습니다. 하지만 우리가 단백질에 대해 알고 있는 적은 지식만으로도, 이 “생명체의 사슬”이 고도로 조직되어 있을 뿐만 아니라 심오한 지성을 반영하고 있다는 사실을 확실히 알 수 있습니다.

[27면 네모와 삽화]

단백질을 위한 “우편 번호”

우편물을 신속히 배달하기 위하여, 많은 체신 기관에서는 모든 편지에 주소를 쓸 때 우편 번호를 적을 것을 요구하고 있다. 창조주께서는 단백질이 세포 안에서 길을 제대로 찾아갈 수 있도록 우편 번호와 비슷한 개념을 사용하셨다. 세포에서 일이 매우 바쁘게 수행되며 하나의 세포 안에 무려 10억 개의 단백질이 들어 있다는 점을 감안할 때 그러한 조처는 매우 중요한 것이다. 세포가 그처럼 복잡한 곳이기는 하지만, 새로 만들어진 단백질은 분자 “우편 번호” 즉 단백질 안에 들어 있는 특별한 아미노산 배열 덕분에 언제나 자신의 근무지로 가는 길을 제대로 찾아간다.

세포 생물학자 귄터 블로벨은 이러한 놀라운 개념을 발견한 공로로 1999년에 노벨상을 수상하였다. 하지만 블로벨은 단지 그 개념을 발견하였을 뿐이다. 살아 있는 세포와 그 안에 있는 현기증이 날 정도로 다양한 분자들을 창조하신 분에게 훨씬 더 큰 영예가 돌아가야 하지 않겠는가?—계시 4:11.

[24, 25면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

단백질은 어떻게 만들어지는가?

세포

1 세포의 핵 안에 있는 DNA에는 각각의 단백질에 대한 지시 사항이 들어 있다

DNA

2 DNA의 일부분이 풀려서 유전 정보가 전령 RNA에 옮겨진다

전령 RNA

3 리보솜 즉 “메시지를 읽어 단백질을 합성하는 물질”이 RNA에 붙는다

4 운반 RNA가 아미노산을 리보솜으로 가져간다

개개의 아미노산

운반 RNA

리보솜

5 리보솜이 RNA를 “읽으면서” 개개의 아미노산을 특정한 순서로 결합시켜 하나의 사슬 즉 단백질을 만들어 낸다

단백질은 아미노산으로 이루어져 있다

6 사슬 모양의 단백질이 제 기능을 수행하기 위해서는 정확하게 접혀야 한다. 전형적인 단백질 하나에 300개가 넘는 “고리”가 있다는 것을 상상해 보라!

단백질

우리 몸에는 10만 종이 넘는 단백질이 있다. 이런 단백질은 생명 유지에 매우 중요하다

항체

효소

구조 단백질

호르몬

물질 수송 단백질

[25면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

DNA는 각각의 단백질을 어떤 “철자로 표기”하는가?

DNA G T C T A T A A G

DNA는 단지 네 개의 “문자” 즉 A, T, C, G를 사용한다

A T C G

DNA의 “철자”가 RNA에 전사된다. RNA는 T 대신에 U(우라실)를 사용한다

A U C G

연속되는 세 개의 문자는 각각 특정한 “단어” 즉 아미노산의 “철자 표기”가 된다. 예를 들면 다음과 같다

G U C =발린

U A U =티로신

A A G =리신

20종에 달하는 각각의 공통 아미노산은 이런 방식으로 “철자 표기”가 된다. “단어들”은 서로 연결되어 사슬 즉 “문장”과도 같은 단백질을 형성한다

[26면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

단백질은 어떻게 “접히”는가?

개개의 아미노산들이 서로 연결되어 ···

1 사슬을 만들고 ···

2 나선이나 병풍 같은 형태를 만든 다음

나선

병풍

3 더 복잡한 삼차원 구조로 접히는데 ···

4 이것도 복잡한 단백질에서는 소단위 하나에 불과할 것이다

[26면 삽화]

리보솜 단백질의 일부를 표현한 이 컴퓨터 모델에는 삼차원 구조를 더 잘 알아볼 수 있도록 색깔이 사용되었다. 나선과 화살 모양 (병풍처럼 접힌 짤막한 부분)은 구조적 형태를 나타낸다

[자료 제공]

The Protein Data Bank, ID: 1FFK; Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P.B., Steitz, T.A.: The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 A Resolution, Science 289 pp. 905 (2000)

[24면 사진 자료 제공]

개작한 삽화들: From THE WAY LIFE WORKS by Mahlon Hoagland and Bert Dodson, copyright ©1995 by Mahlon Hoagland and Bert Dodson. Used by permission of Times Books, a division of Random House, Inc.