세포 안의 여러 생명현상은 효소를 비롯한 여러 종류의 단백질에 의해 일어난다. 환경 변화에 따른 신호에 의해 새로운 단백질이 만들어지기도 하지만, 대부분의 경우 단백질은 이미 만들어져서 세포 안에 존재하고 신호가 오면 이미 만들어져 있는 단백질에 그것의 구조가 바뀌는 분자가 붙어, 일하고 있지 않던 단백질이 일하게 되는 것이다.
대부분의 단백질은 그 자체로는 일을 수행하지 못한다. 다른 분자가 단백질과 연결되거나 특정 부위가 잘려 나가야 일을 수행할 수 있다.
단백질은 거대분자이다. 거대분자(혹은 고분자)는 작은 분자들이 모여서 만든 분자를 일컫는다. 거대분자로는 탄수화물, 단백질, 핵산, 지질 등이 있는데, 이 네 가지 중에 탄수화물, 단백질, 핵산은 중합체이다. 거대분자의 한 종류인 중합체는 단위체라고 불리는 분자들로 구성된 긴 분자다. 중합체는 탈수반응(축합반응)으로 단위체들이 모여 거대분자를 이룬다. 탈수반응은 분자들 사이에 물 분자가 빠져나오고 분자와 분자 사이에 결합이 생기는 반응을 뜻한다. 탈수반응의 반대가 되는 반응은 ‘가수분해’이다. 물 분자 하나가 들어가서 중합체가 각각의 단위체로 잘리는 반응이다.
폴리펩타이드와 아미노산 그리고 중합체
20가지의 아미노산으로부터 만들어진 중합체를 폴리펩타이드라고 하는데, 이 폴리펩타이드는 구조가 없고 기능도 없다. 이 폴리펩타이드가 1개 혹은 그 이상이 모여 제대로 구조를 잡아서 고유한 기능을 수행하게 되면 그것을 단백질이라고 부른다. 단백질은 1개 혹은 그 이상의 폴리펩타이드로 구성되어 있다.
아미노산은 카복시기와 아미노기가 존재하는 유기 분자(탄소가 포함된 화합물)다. 카복시기는 탄소, 산소, 수소로 이루어진 작용기이고, 아미노기는 질소와 수소로 이루어진 작용기다. 아미노산은 크게 물을 좋아하는 친수성 아미노산과 물을 싫어하는 소수성 아미노산으로 나뉠 수 있다. 친수성 아미노산 중에는 -전기를 띠고 있는 것들은 산성이고, ＋전기를 띠고 있는 것들은 염기성이다. 또 전기를 띠고 있어서 이온결합을 한다. 이온결합은 단백질의 3차 구조를 잡는 데 매우 중요하다.
원자들의 결합과 분자 간 상호작용
화학결합에는 극성공유결합과 비극성공유결합이 있다. 극성공유결합은 불평등하게 전자를 공유하는 반면, 비극성공유결합은 평등하게 전자를 공유한다. 비극성공유결합은 극성을 띠지 않기 때문에 소수성을 나타낸다. 비공유결합에는 네 가지가 있다. 수소결합, 이온결합, 반데르발스힘, 소수성 효과다. 원자들의 결합을 이루어지게 하는 것이 반데르발스힘이다.
단백질의 변신
인간게놈프로젝트는 수많은 과학자 예상과 달리 인간의 유전자 수가 약 2만 500개라는 것을 밝혀 주었다. 이것은 굉장히 작은 수다. 이것은 식물 애기장대보다 더 작은 수이다. 인간에게는 기능이 다른 단백질이 약 100만 가지 이상 존재하리라 추정하고 있다.
P53 단백질은 암세포를 죽이는 종양 억제단백질로 우리 몸에서 순찰차 역할을 한다. 이 P53 단백질은 한편으로는 몸속에서 계속 만들어지고, 다른 한편으로는 계속 없어진다. P53 단백질이 만들어지지 않거나 제대로 작동하지 못하게 되면 암이 발생하는 등의 문제가 생긴다. 암 환자의 상당 비율이 P53 단백질과 연관된 유전자의 변형 때문에 이 종양 억제단백질의 기능에 문제가 생긴 환자들이다.
세포로의 여행
모든 생명체는 세포로 구성되어 있다. 세포는 물질들이 모여서 살아갈 수 있는 가장 단순한 형태이며, 세포의 구조는 세포의 기능과 밀접한 관계가 있다. 모든 세포는 조상 세포의 분열로 만들어졌기 때문에 서로 연관되어 있다.
세포를 들여다보는 현미경
세포를 보는 현미경은 크게 광학현미경과 전자현미경으로 나뉜다. 광학현미경의 해상도는 200nm, 전자현미경의 해상도는 0.1nm이다. 광학현미경으로는 명시야현미경, 위상차현미경, 차등 간섭 대비 현미경, 형광현미경, 공초점현미경, 디컨볼루션현미경, 슈퍼레볼루션현미경 등이 있다. 전자현미경으로는 주사전자현미경(sem)과 투과전자현미경(tem)이 있다.
세포 속으로
세포는 크게 원핵세포와 진핵세포로 구분할 수 있다. 원핵세포에는 세균과 고세균이 있고, 진핵세포로 구성된 생물에는 원생생물, 균류, 동물, 식물이 있다. 원핵생물들은 우리 몸무게의 약 1.5~2kg을 차지할 정도로 많다. 원핵세포와 진핵세포의 공통점은 세포막이 있고 세포질이라고 불리는 반유동성 물질이 있고, 유전자를 가진 염색체와 단백질을 합성하는 리보솜이 있다.
세포막은 산소, 영양물질, 노폐물을 통과시키는 선택적인 투과성을 가진 기관이다. 일반적인 생명체의 세포막은 인지질 이중층의 구조로 되어 있다.
세포의 핵에는 진핵세포가 가진 대부분 DNA가 들어 있다. 진핵세포의 DNA 유전정보는 핵 내에서 전사되어 mRNA로 만들어지고 세포질로 이동한 다음 리보솜에 의해 해독되어 단백질을 만든다.
달콤하고 끈적끈적한 당
세포에는 바이러스, 암세포, 호르몬, 효소, 항체, 당단백질, 당지질, 렉틴, 독소, 세균 등이 상호작용을 통해 달라붙을 수 있다. 가령 ‘헬리코박터 파일로리’라는 위암을 유발하는 세균은 표면에 있는 단백질을 이용하여 위벽에 존재하는 특정 당 사슬 수용체를 인식하여 위벽에 달라붙는다.
타미플루는 초기 독감 치료제다. 이것을 만든 사람은 한국인 과학자다. 다국적 제약회사 길리어드의 부사장인 김정은 박사다. 타미플루가 하는 역할은 뉴라미니다아제가 사이알산을 잘라주지 못하게 하는 것이다. 타미플루가 초기 독감에 효과가 크지만, 이미 한참 바이러스가 증식한 사람에게는 효과가 없다는 것이다. 바이러스의 수가 많지 않을 때 타미플루는 작동은 잘하지만, 바이러스의 수가 너무 많아지면 타미플루는 소용이 없다.
망가진 단백질을 간에서 처리한다. 간에는 아시알로당단백질수용체가 있는데, 이 수용체는 사이알산이 존재하지 않는 당단백질은 붙잡는다.
암세포와 당화
각종 암 유발 인자들은 글루넥전이효소-V 유전자의 발현을 증가시키며, 이 유전자가 발현되면 암의 전이가 촉진된다. 반대로 이 효소의 활성이 사라지면 암의 전이가 사라지게 된다.
당화가 중요한 이유
세상을 변화시키는 10대 신기술 : 1. 뇌-무선 센서 네트워크 2. 주입식 조직 엔지니어링 3. 나노 태양전지 4. 메카트로닉스 5. 그리드 컴퓨팅 6. 분자 영상 7. 나노 임프린트 리소그래피 8. 소프트웨어 인증 9. 글라이코믹스 10. 양자 암호 생성 기술
당화는 소포체에서 단백질의 3~4차 구조를 결정하는 데 중요하고, 질병의 진단 마커로도 매우 중요하며, 신호 전달체계 조절에도 주목해야 하는 현상이다. 당화의 종류는 N-당화, O-당화가 있다.
당 사슬이 잘못되어 생기는 질환
-성장 저하, 정신장애, 저혈압, 소뇌 형성저하증, 조화운동불능, 호르몬 이상, 간질, 사팔뜨기, 응고 장애 조직섬유증 등 매우 많다. 당 사슬 연구는 생화학 분야에 남아 있는 미개척지라고 할 수 있다. 지금 당 사슬 연구를 시작해도 절대 늦지 않다.
O-글루넥 당 단백체
모든 동물은 지구의 자전주기에 리듬이 맞춰져 있다. 한 연구에서 O-글루넥이 자전주기를 느끼게 하는 것을 조절한다는 것이 밝혀졌다. O-글루넥 수식화가 과도하게 일어나면 생체시계가 느려져 27시간을 하루로 알고 살아간다. O-글루넥 수식화가 세포의 영양 상태에 따라 달라지기 때문에, 음식물을 섭취하고 소화하고 흡수하는 등의 대사 과정이 생체시계에 영향을 미친다는 것을 보여주었다.
당뇨 환자들은 세포가 포도당을 받아들이는 능력이 현저히 떨어지는데, 이는 뇌세포에서도 마찬가지로 일어난다. 포도당을 받아들이는 능력이 떨어지면 O-글루넥을 만들지 못하고, 이는 알츠하이머를 일으킬 확률을 더욱 높인다는 가설을 세울 수 있다.
“최악의 과학자는 예술가가 아닌 과학자이며, 최악의 예술가는 과학자가 아닌 예술가이다.” 물리학자 아르망 트로소가 한 말이다.
“천천히 가는 것을 두려워 말고 가다가 멈추는 것을 두려워하라.” 한비자가 한 말이다.
세상을 살다 보면 꿈을 갖게 된다. 그런데 꿈을 꾸고 있는 사람과 꿈을 꾸면서 그 꿈을 향해서 나아가는 사람은 인생 자체가 달라진다. 그리고 꿈을 꿀 때는 엄청나게 큰 꿈을 꿔야 한다. 남들이 비웃을 정도로, 그 꿈을 향해 한 발, 한 발 내딛는 것이다. 잠깐 쉬어 갈 수도 있고, 똑바로 가지 못하고 시류에 따라 옆으로 흐를 때가 있어도 그 꿈 쪽 방향으로 가면, 언젠가는 그냥 꿈만 꾸고 앉아 있던 사람과 전혀 다른 삶을 살게 된다.
나는 공부를 시작할 때 연세대학교 교수가 되고 싶었다. 그래서 연세대 교수가 됐지만, 같이 공부했던 정재우 박사는 하버드대학교 교수가 되고 싶어 했다. 이 친구는 결국 하버드대학교 교수가 되었다. 어떤 꿈을 꾸느냐에 따라 이렇게 달라지는 것이다. 꿈은 남들이 비웃을 정도로 큰 꿈을 꾸기 바란다. 그래야 꼭 이룰 수 있다.
조진원 ; 연세대학교 시스템 생물학과 교수, 작곡가 겸 가수, 20대 초반에 “연”을 비롯해 “사랑하는 사람아” 등 가요를 히트시키며 유명 싱어송 라이터로 활동, 1980년대 초 CBS ‘꿈과 음악 사이에’ DJ로 활동 미국 U.C.데이비스에서 당 생물학 박사학위, 뉴욕주립대학교 스토니 브룩 박사후 연구원을 거쳐 2009 과학기술부 연구개발사업 우수성과 50선 선정 한국 분자 세포생물학회 생명과학상 수상(2011)
