[운동 안내서] 몸을 뇌처럼 사용하는 세포와 세포막
유전자는 당신의 주인이 아니다 - 2
생명 현상은 물리 법칙에 위배되지 않고, 위배할 수도 없다. 이 세상에 물리 법칙을 거스르는 것은 존재하지 않는다. 그러나 당신 몸속의 수많은 분자들이 일사불란하게 움직여서 테이블 위에 놓인 커피 잔을 쥘 수 있는 것은 수많은 원자와 분자 배열에 들어 있는 생물학적 정보가 분자 단계에서 진행되는 다양한 과정을 제어하고 있기 때문이다. 간단히 말해서, 생명은 물리학이 지휘하는 오케스트라다.
– 브라이언 그린의 《엔드 오브 타임》 중에서
앞선 글 <[운동 안내서] 움직이는 단백질과 후성유전>에서 단백질 분자들이 그룹을 이루어 특정한 생물학적 기능을 제공하는데, 이를 ‘경로(Pathway)’라고 했다. 호흡을 담당하는 호흡 경로, 음식을 소화시키는 소화 경로, 몸의 움직임을 만드는 근육수축 경로는 그러한 작용을 하는 단백질 분자들의 그룹으로 이루어진다.
세포조직 내의 엄청나게 다양한 단백질 경로들이 생명의 기능을 제공하기는 하지만 그런 경로를 보유하는 것 자체가 생명을 만들어내지는 않는다. 생명은 단백질 경로의 정밀한 조정을 누군가에게 맡기는데, 이 모든 경로를 조절하는 것은 바로 뇌와 신경계다. 이것 역시 세포로 이루어져 있다.
그렇다면 세포의 뇌는 무엇일까?
세포의 뇌, 세포막!
전통 생물학은 세포의 중심에 놓인 세포핵이 세포의 뇌라고 가르쳐왔지만, 유전자를 포함하고 있는 세포핵이 세포의 뇌는 아니다. 왜냐하면 유전자(Gene)의 본체를 이루는 유전물질인 DNA)가 세포 활동을 조절하지는 않기 때문이다. 대신 세포가 자기 복제에 필요한 설계도로 DNA를 사용한다. 쉽게 말해 DNA는 우리 몸을 만드는 제작 설명서인 것이다. 이는 아주 신기한 일로 마치 세포가 생각하는 힘을 가진 것처럼 느끼게 하는 대목이다.
DNA는 대단히 안정적이어서 수만 년 동안 존속할 수 있다. 덕분에 현재 과학자들은 먼 과거의 인류도 연구할 수 있다. 인간의 경우 세포핵 하나에 DNA 분자 46개가 있다. 이를 연결하면 그 길이가 무려 2m에 이른다. 몸속 DNA를 전부 이으면 명왕성 너머까지 뻗을 만큼 길지만, 유전체의 모든 성분들은 오직 단 한 가지 목적을 가진다. 우리의 혈통을 계속 잇는 것이다. 생명이 시작된 이래로 수십 억년 동안 우리에게로 이어진 혈통이 단 한번도 끊이지 않았다는 점을 생각하면 놀라울 따름이다.
유전학의 역설은 우리 모두가 서로 전혀 다르면서도 유전적으로는 사실상 동일하다는 것이다. 모든 사람은 DNA의 99.9%가 같지만 그럼에도 어느 누구도 똑같지 않다. 이처럼 DNA의 놀라운 능력에도 불구하고, 유전자는 세포의 생과 사에 관한 프로그램을 미리 알 수가 없다. <[운동 안내서] 끝없는 순환운동과 방랑하는 예술가>에서 얘기했듯이, 세포의 생존은 오직 끊임없이 변하는 환경에 역동적으로 적응하는 능력에 달려있기 때문이다.
유전자라는 말을 처음 제안한 덴마크의 식물학자 빌헬름 요한센(Wilhelm Johannsen, 1857~1927)은 실험을 통해
유전자는 평균치를 결정하는 반면에,
환경은 편차를 만들어낸다는 것을 발견했다.
이 발견은 선천적인 ‘본성(Nature, 천성)’과 후천적인 ‘양육(Nurture, 육성)’ 사이의 관계에 대해 답을 해주었다. 그 답은 생명체는 본성과 양육의 측면에서 유전이라는 본성 외에도 환경적 영향, 즉 유전자 발현 스위치에 해당하는 후성유전에 자리를 마련해주었다.[1] 그럼 어디에서 환경 신호의 변화를 인식하고 그 환경에 적응할까? 다시 말해 세포의 뇌는 어디일까? 바로 ‘세포막(Cell Membrane)’이다.
세포막 3D모델 [이미지 출처: 구글]이는 <[운동 안내서] 모든 것은 운동한다>에서 이야기했던 원자의 특성이 원자핵이 아니라 전자의 궤도 배치에 따라 특성이 달라지는 것과 같다. 전자들이 원자 내에서 어떻게 배치되어야 하는지를 설명하는 것이 '파울리의 배타 원리(Pauli’s exclusion principle)'이다.[2] 그리고 만물의 기본이 원자가 아니라 그보다 더 작은 끈으로 되어 있다는 끈 이론과 5개의 초끈 이론을 통합하는 'M이론'이 있다.
1차원 끈들이 사실은 아주 가는 두께를 가진 2차원 막과 같은 형태라는 것이 M이론의 골자로 여기서 M은 'Membrane'으로 '막'을 뜻한다. 세포핵과 원자핵이 중요한 게 아니라 막이 더 중요하다는 사실을 우주론에서도 엿볼 수 있다. 게다가 우리 몸의 지배자라 불리는 세포 속 미토콘드리아는 막과 끈으로 구성된 사립체라는 것도 흥미로운 사실이다.
생명의 기원은 극성분자와 비극성분자 화학의 협동적 상호작용에 전적으로 의존했다. 왜냐하면 이들이 함께 원초적인 생물학적 세포소기관인 세포막을 만들어냈기 때문이다. 세포막의 기본 벽돌은 극성분자인 인산염그룹과 비극성분자인 지방질이 결합한 분자인 인지질이다. 인지질은 동시에 극성과 비극성의 성질을 모두 나타내서, 그 능력으로 양쪽 영역 사이를 물리적으로 연결해줄 수 있다.[3]
- 부르스 H. 립튼, 스티브 베어맨의《자발적 진화》중에서
《자발적 진화》의 내용처럼 세포막에서도 상보적 개념인 음과 양의 조화를 엿볼 수 있는 것이다(수용성과 양전하는 극성에, 지용성과 음전하는 비극성에 해당한다). 인지질로 이루어진 세포막은 지질 분자가 이중으로 막을 형성해 물을 가둬 놓은 액정 상태라서, 작은 구멍 하나만 뚫려도 순식간에 터져버린다. 그런데도 지금의 상태를 유지하고 있을 뿐만 아니라 세포분열이라는 말도 안 되는 일을 제대로 해내고 있다. 세포막은 인간이나 코끼리 그보다 더 거대한 생명체도, 이 얇은 막으로 이루어진 세포가 모여 생명이 탄생한다는 점은 경이롭기 그지없다.
인식의 기본 단위
세포막이 세포의 안과 밖을 나누고 물질과 신호를 주고받는다. 단순히 세포의 안과 밖을 나누는 것만이 아니라 세포 안에서 밖으로, 또는 세포 밖에서 안으로 다양한 물질의 출입을 관리하는 곳이다. 세포막 속에는 환경 신호에 반응하여 내부의 단백질 경로에 정보를 중계해주는 '단백질 스위치'가 내장되어 있다.
세포가 인식하는 거의 모든 환경 신호에 대해 제각기 다른 세포막 스위치가 존재하는 것이다. 어떤 스위치들은 에스트로겐에 반응하고, 어떤 스위치는 아드레날린에 반응하고, 어떤 것은 칼슘에 반응하고, 어떤 것은 빛에 반응하는 식으로 말이다. 세포막에는 십만 개의 스위치가 있을지도 모르지만, 모두가 동일한 기본구조와 기능을 가지고 있다.
세포와 세포막 [이미지 출처: 구글]원형질막(Plasma membrane, 세포막)
세포는 이웃 세포와 분리된 상태를 유지하도록 하기 위해 이중 막 구조로 된 원형질막으로 알려진 특수 막으로 둘러싸여 있다. 이 막은 주로 인지질로 이루어져 있어 일부 분자나 소수성 물질이 세포 내외로 수송되고, 수성 물질이 세포로 들어가는 것을 막아준다. 세포막이라는 용어는 일반적으로 원형질막의 동의어로 사용되지만, 세포표면을 원형질막이라고 한다.
원형질(Protoplasm)이란 세포 내의 살아 있는 부분으로 대사기능을 하는 부분으로 세포질과 핵질로 구성된다. 원형질은 세포막에 의해 세포 밖과 격리되어 있지만 능동수송으로 에너지를 받고 대사물질을 방출하며 생명활동을 한다.
원형질막의 두께는 5~25㎛ 정도 되고 광학현미경으로는 관찰할 수 없고 전자현미경으로만 관찰이 가능하며 반투과성, 선택적 투과성을 가지고 있다. 이러한 고유의 투과성 구조는 세포활동에서 역동적인 역할을 수행할 수 있게 하는데, 생체전기발생ㆍ식작용ㆍ능동 및 수동수송ㆍ면역특성 발현 등의 다양한 기능을 가지고 있다.
원형질막에는 다음과 같은 여러 작업을 수행하는 다양한 수용체가 포함되어 있다. 수용체(Receptor, 수용기)란 세포막에 붙어 있으면서 다양한 정보를 전달하는 단백질인데 세포와 세포, 세포와 외부를 연결하는 역할을 한다.
1. 문지기 수용체(Gatekeepers): 일부 수용체는 특정 분자를 통과시키고 다른 분자를 막는다.
2. 표지 수용체(Markers): 이 수용체는 이름 배지 역할을하여 면역계에 자신이 외부 침입자가 아니라 유기체의 일부임을 알려준다.
3. 소통 수용체(Communicators): 일부 수용체는 세포가 다른 세포 및 환경과 소통하도록 돕는다.
4. 잠금 수용체(Fasteners): 일부 수용체는 세포를 이웃에 결합하는 데 도움을 준다.
각 세포의 스위치는 환경 신호를 감지하고 받아들이는 수용기(Receptor) 단백질과 이와 결합하는 효과기(Effector) 단백질로 이루어져 있다. 이를 통해 세포는 유전자를 활성화시킬 수 있는 행동능력을 갖게 되는 것이다. 이러한 이유 때문에 세포의 뇌는 세포의 피부에 해당하는 세포막이라 할 수 있는 것이다.
결국 세포핵은 세포의 생식선 기능을 할 뿐 진정한 키맨은 바로 세포막인 것이다. 이에 대해 세포생물학자 단 마리나(団まりな, 1940-2014)는
세포는 몸 전체를 뇌처럼 사용하며 산다.
고 이야기한다.[4] 다시 말해 세포라는 시스템이 스스로 사고하는 것으로 세포 전체가 뇌라는 의미다. 여담으로《자발적 진화》의 저자 부르스 H. 립튼은 세포생물학을 공부하기 시작한 1960년대에 세포막이 세포의 두뇌라는 이야기를 꺼냈으면 아마 웃음거리가 되었을 것이라고, 저서《당신의 주인은 DNA가 아니다》에 쓰기도 했다. 당시엔 세포막은 그저 원형질을 담는 주머니로만 인식을 했기 때문이다.
스위치의 수용기 단백질은 외부환경 요소에 대한 인식능력을 세포에게 제공하고, 효과기 단백질은 신호를 만들어낸다(자극은 수용기를 통해 받아들이며, 최종적인 반응은 효과기를 통해 나타난다). 그 신호는 특정 세포기능을 조정하는 육체적 감각이다. 세포막에 위치한 이 스위치들은 수용기와 효과기로 짝을 지어 ‘육체적 감각을 통해 외부환경 효소를 알아차리는 능력'을 제공한다.[5] 바로 이 말이 생명의 비밀을 밝힐 열쇠를 제공해준다. 준비되었는가? 이것이 바로 ‘인식(Perception, 자각)’이다.
세포막 속 단백질 스위치는 인식의 기본 단위분자이다 [이미지 출처: 구글]인식의 사전적 정의는 자극을 받아들이고, 저장하고, 인출하는 일련의 정신 과정으로 지각ㆍ기억ㆍ상상ㆍ개념ㆍ판단ㆍ추리를 포함하여 무엇을 안다는 것을 나타내는 포괄적인 용어이다. 이 말의 라틴어 어근은 ‘이해(Comprehension)’ 혹은 문자적으로 ‘받아들임(a taking in)’이다. 따라서
세포막 속 단백질 스위치는 인식의 기본 단위분자인 것이다.
이 스위치들은 세포의 분자적 경로와 특정한 생물학적 기능을 제어하므로 우리는 ‘인식이 행동을 지배한다’고 확실히 결론 내릴 수 있다! 인식이 세포 수준과 인간의 수준 양쪽 모두에서 행동을 지배한다는 사실, 이것이야말로 생명의 진짜 비밀인 것이다.
후성유전 그리고 의식의 근원
이처럼 놀라운 세포의 작용을 컴퓨터에 비교해 설명해보자(세포막과 컴퓨터 칩이 서로 상응한다는 부르스 H. 립튼의 가설을 확인하는 논문이 B. A 코넬이 이끄는 연구팀에 의해 1997년 네이처지에 실렸다). 세포핵은 DNA 프로그램이 들어있는 메모리 디스크 또는 하드 드라이브, 세포막의 수용기는 데이터를 입력하는 키보드, CPU에 해당하는 효과기 단백질은 환경으로부터 들어오는 정보를 행동의 언어로 변환시킨다. 그리고 프로그래머는 이 글을 읽고 있는 바로 당신.
컴퓨터를 프로그래밍할 수 있다는 것은 누구나 아는 사실로, 윈도우나 맥OS를 끊임없이 수정하는 것은 인간 프로그래머가 한다. 마찬가지로 세포도 프로그래밍이 가능한데, 선택은 당신에게 달려 있다. 건강한 세포로의 프로그래밍은 지금 피고 있는 담배를 끊는 것, 인스턴트에서 자연식으로 바꾸는 것, 활동량이 부족하고 움직이지 않는 일상에서 규칙적으로 운동하는 일상으로 바꾸는 것, 불규칙한 생활 습관을 규칙적으로 바꾸는 것 등은 모두 당신이 할 수 있고, 이를 통해 병든 세포를 건강한 세포로 바꿀 수 있는 것이다.
당신의 DNA가 당신의 운명이 아닌 이유. 2010 TIME [이미지 출처: 구글]뭐가 그렇게 대단하냐고? 세포막과 컴퓨터 칩이 서로 상응관계에 있다는 사실은 세포의 작용을 컴퓨터에 비교해서 더 잘 이해할 수 있다는 뜻이다. 이러한 접근방법으로부터 얻는 첫 번째 깨달음은 컴퓨터도 세포도 모두 '프로그래밍'이 가능하다는 것이다. 이어서 또 한 가지의 깨달음은 프로그래머가 컴퓨터와 세포 '외부'에 있다는 것이다. 생물학적 행동과 유전자의 활동은 세포에 다운로드된 환경으로부터의 정보와 역동적으로 되어 있다.
- 부르스 H. 립튼의《당신의 주인은 DNA가 아니다》중에서 p117
이것이 바로 'DNA외에 유전에 영향을 미치는 것들이 없을까'라는 의문을 품은 후성유전학 탄생 배경이 된 것이다. <[운동 안내서] 움직이는 단백질과 후성유전>에서 얘기한 'DNA 메틸화'처럼, DNA를 둘러싸고 있거나 붙어 있는 다양한 존재들이 DNA 프로그램 발현에 영향을 주는 것이다. DNA 염기서열의 변화가 없더라도 해당 내용이 발현하게 되는 것을 조절하는 인자들이 있으며, 이들이 프로그램 자체를 바꾸지는 못하지만 On-Off 스위치에 영향을 줄 수 있는 것이다(DNA를 변화시키는 가장 대표적인 요소가 바로 운동이다[7]).
만약 불규칙한 생활과 술과 담배를 계속 하고, 일상의 스트레스를 관리하지 않는다면 암 억제 프로그램은 꺼져버리게 된다. 이렇게 되면 암 발생 확률이 높아진다는 건 상식이다. 혹자는 술, 담배를 하지 않고 가족이나 지인들이 담배를 피우지도 않으며 심지어 가족력도 없는데 폐암이 걸리는 경우는 어떻게 설명할 수 있느냐고 반문할 수 있다.
암을 억제하는 프로그램을 끄는 것은 비단 물질만이 아니다. 살아가면서 받는 높은 수준의 스트레스, 완벽성을 추구하는 A형 타입의 성향을 지녀 자신에게 스트레스를 지속적으로 주는 경우도 암 억제 프로그램 스위치를 꺼버리게 만든다. 이처럼 음식ㆍ화학물질과 오염 물질ㆍ자외선 등 수많은 환경 자극과 개인들의 경험ㆍ기아ㆍ과식 등은 유전자가 발현하는 방식에 극적인 변화를 초래할 수 있다. 그리고 그 변화는 우리 몸에 남아 그 중 일부가 자식에게 전달될 수 있다는 것이 현재까지의 연구결과이다.
사례 | 폐암이 다시 재발해 자신을 옥죄는 모든 것을 내려놓다.
필자가 상담한 회원 중에 이런 사례가 있다. 그녀는 가족력도 없고 폐암에 걸릴 환경이 전혀 아니었음에도 불구하고, 폐암이 발견돼 수술로 제거했다고 했다. 수술은 성공적이었고, 암이 별거 아니라고 생각했었다고 한다.
하지만 1년 만에 암이 재발해 무서운 생각이 들었다고 했다. 그제야 본인 스스로에게 완벽성을 추구하는 성향과 쉬지도 않고 너무 많이 일한 것이 암을 다시 자라게 했다는 것을 깨닫고 모두 내려놓고 운동을 시작하기 위해 헬스를 등록하러 온 것이다.
건강식단과 운동을 하면서 항암 치료를 받고 있으며, 자신에게 주는 스트레스와 외부 스트레스를 관리하려고 노력 중이다. 최근에는 자신이 통제하기 힘든 스트레스를 차단하기 위해 1달간의 제주살이도 알아보는 중이라고 한다.
다시 세포로 돌아오면, 우리 몸속 세포는 혼자 일하지 않고 몸의 각 부위에서 서로 의사소통을 하면서 몸 전체를 조화롭게 움직인다. 대부분 잘 짜인 조직을 이루면서 고유의 기능을 발휘하는 것이다. 각각의 세포가 가지고 있는 근원적 움직임이 척수를 통한 신경 작용에 의해 ‘전기화학적 움직임’으로 통합되어 맥박이 뛰고 심장이 뛰는 것과 같은 조화를 이룬다. 이런 조화로움 덕분에 우리가 살아움직이지만,
이것을 가능하게 하는 37조 개의 세포에
관리자가 전혀 없다는 것은 신비로운 일이다.
세포의 각 성분은 다른 성분들로부터 오는 신호에 반응한다. 이 모든 성분들은 드넓은 광장에 수많은 사람들이 모여 있는 것처럼 서로 부딪히고 뒤엉키곤 한다. 하지만 놀랍게도 이 모든 무작위 운동들로부터 매끄럽고 조화로운 활동이 출현하면서 우리를 움직이는 존재로 살아있게 한다. 세포 속 전체에서만이 아니라, 우리 개인의 우주인 몸의 각 부위에서도 세포들은 서로 의사소통을 하면서 몸 전체를 조화롭게 움직인다.
기억해야 할 것은 진핵세포 하나는 근원적인 움직임을 가지며 뒤에 이야기하겠지만(내면화된 움직임, 마음), 이 움직임이 ‘의식의 근원(The Origin of consciousness)’이기도 하다. 한 마디로 의식이 있는 생명은 움직임이며, 우주와 삶 그리고 몸의 본질은 결국 '움직임'에 있는 것이다. 그런데 37조 개의 세포가 조직을 이뤄 우리 몸을 이루지만, 몸속엔 세포만 있는 게 아니다. 몸은 미지의 생명체와 공생하는 관계다. 이들이 없다면 우리는 하루도 살아갈 수 없다.
원문: [운동 안내서] 몸 전체를 뇌처럼 사용하는 세포와 세포막
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참고 문헌
[1] p313, 에른스트 패터 피셔의《또 다른 교양: 교양인이 알아야 할 과학의 모든 것》
[2] 저자 주: 원자 내부에 존재하는 전자는 서로 동일한 에너지 준위상태를 가질 수 없다는 원리이다. 따라서 원자 내부에 존재하는 각 전자껍질에는 일정한 개수의 전자만이 존재할 수 있으며, 같은 전자껍질에 있는 전자라도 각각의 준위 상태는 모두 다르다.
[3] p456, 브루스 H. 립튼, 스티브 베어맨의《자발적 진화》
[4] p90, 전자책, 모리 다쓰야의《이상하고 거대한 뜻밖의 질문들》
[5] p111, 브루스 H. 립튼의《당신의 주인은 DNA가 아니다》
[6] p117, 브루스 H. 립튼의《당신의 주인은 DNA가 아니다》
[7] <운동은 DNA도 변화시켜: 건강한 DNA를 가지려면 운동해야> 사이언스타임즈, 2012.4.10
By 푸샵 이종구: <남자들의 몸 만들기, 2004> 저자
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