6. 단백질 입문

유전자의 역할 


유전자가 DNA 분자 안의 특정한 염기 서열로 되어 있다는 것만으로는 만족스러운 설명이 되지 않는다. 염기가 실제로 무엇을 어떻게 하는가는 설명되지 않기 때문이다. 예를 들어 우리는 일반적으로 유전자를 푸른 눈 또는 갈색 눈을 나타내게 하는 것 정도로 알고 있다. 그러면 DNA의 염기 서열이 어떻게 그렇게 만드는 것일지 의문점을 가지게 될 것이다. 실마리를 구하기 위해서 영국의 의사 개로드 (Archibald Garrod)와 그의 환자의 예를 살펴 볼 수 있다. 

1902년에 개로드는 알캅톤뇨증 (alkaptonuria)이라는 질병을 관찰하였는데, 이 환자는 소변 내의 특정한 산에 의해 소변이 공기에 노출될 때 검게 변하는 증상을 보였다. 이 병은 어떤 가족의 경우 여러 세대에 걸쳐 내려 오는 것으로 알려져 있었기 땜누에 분명하게 유전되는 것이고 또 유전자에 의해 조절되는 것이었다. 정상인에게서는 소변을 검게 하는 그 특정한 산이 화학 반응으로 인해 신체 안에서 분해된다. 개로드는 논리적으로 이 환자에게는 필요한 반응을 일으키는 그 무언가가 결핍되어 있다고 결론지었다. 자세히 말하면 이 환자에게는 특정한 효소 (특정한 단백질로서 신체의 내부 온도에서 화학 반응이 빨리 일어나도록 하는 생물학적 촉매)가 결핍되어 있었다. 이 병이 유전성을 나타내므로 개로드는 유전자가 효소를 만드는 명령을 구성한다고 추론하였고 또 유전자가 다른 단백질을 만드는 것과도 관련이 있다고 추측하였다. 그의 추측은 옳은 것이었다. 그러나 40년이 지난 후에야 독창적인 실험에 의해 이 추론이 옳다는 것을 완전히 증명할 수 있게 되었다. 

자세하게 이 병에 대해서 설명해 보겠다. 알캅톤뇨증은 티로신 (tyrosine)의 분해에 결함이 생겨 알캅톤을 소변으로 배출시키는 대사장애 일환이라고 할 수 있다. 상염색체의 열성으로 유전되는 질병으로, 티로신의 분해에 결함이 생겨서 알캅톤 (alkapton)을 소변으로 배출시키는 열성 유전성 대사장애 질병인 것이다. 호모겐티신산 산화효소 (homogentisic acid oxidase)의 선천성 결손에 의해 나타난다. 효소의 이상에 의하여 축적된 호모겐티신산은 공기 중에서 쉽게 산화되어 흑색의 멜라닌 모양의 물질이 되기 때문에 결합조직에 침착하여 조직이 갈색으로 변하는 조직갈변증이 나타난다. 소변은 방치하면 흑색으로 변화하는데, 알칼리를 첨가하면 더욱 빨리 흑색으로 변하게 된다. 성인의 경우에는 조직갈변증, 골관절염 등이 나타나며, 순환기 증세로는 심장판막장애, 동맥류를 합병하는 경우가 많다. 또한 동맥경화증과 심장판막에서 석회침착이 일어나며 심근경색증에 의하여 사망하는 경우가 많다. 

1941년에 스탠퍼드 대학의 유전학자 비들 (George Beadle)과 데이텀 (Edward Tatum)이 유전자와 효소는 의심할 여지 없이 관련되어 있다는 것을 증명하여 획기적인 돌파구를 마련하였다. 그 변이주는 정상적인 곰팡이가 자라는 데 필요한 여러 필수 영양소(아미노산이나 비타민) 중 어느 한 가지를 만드는 능력이 결핍되어 있었는데 그 결핍은 결국 필수 영양소를 만드는 효소의 결핍 때문이었다. 배양접시의 영양분 조성을 여러 조합으로 바꾸어 변종들에게 정확히 어떤 효소가 결핍되어 있는지 알아보았다. 이렇게 확인된 여러 종류의 변종은 다시 그 염색체를 조사하여 염색체 상의 어떤 위치에서 그 변이 현상이 일어나는가를 알아내었다. 여러 변종의 효소 결핍은 염색체 상의 각기 다른 위치와 관계되어 있음을 알게 되었는데 이는 서로 다른 유전자가 각각의 효소에 연계되어 있음을 의미하는 것이었다. 이제, 유전자는 어떤 일을 하는가 하는 질문에 대답할 수 있을 것이다. 그 답은 “유전자는 여러 종류의 단백질을 만드는 명령이다”라고 할 수 있다. 푸른 눈과 갈색 눈, 그리고 양과 사람의 차이가 단지 유전자의 차이에서 올 수 있는 것이다.






단백질 입문 


일반인들에게 단백질은 식품의 영양 서분 중의 하나이지만 분자생물학자에게 단백질은 살아 있는 심오한 시스템이다. 궁극적으로, 살아 있는 세포의 모든 반응과 그 산물은 단백질에 의존한다. 단백질이 수행하는 수많은 일의 예는 다음과 같다. 필수적인 화학 반응의 촉매, 세포간의 신호 전달 매개, 감염체와의 싸움, 세포의 막, 힘줄, 근육, 피, 뼈 및 그 밖의 다른 세포 구조물 형성 등을 들 수 있다. 

[참고; 단백질의 예 - 1) 구조 단백질 ① 콜라겐 (뼈와 피부에서 발견됨) ② 케라틴 (머리카락과 손톱 등을 만듬) ③ 피브린 (혈액 응고를 도움) ④ 엘라스틴 (인대의 주성분) 2) 기능 단백질 ① 호르몬 (신체의 기능을 조절함) ② 항체 (감염 물질을 공격함) ③ 효소 (신체 내의 화학 반응을 촉진함) ④ 헤모글로빈 (혈액에서 산소를 운반함)] 

그러므로 단백질은 모든 세포의 성질을 규정하게 된다. 즉 우리는 단백질이 생명체 그 자체를 만든다고 말할 수 있다. 췌장의 호르몬 분비세포와 사람의 팔근육세포, 눈의 신경세포, 갈비의 뼈세포 등 세포의 서로 다른 특성은 단백질로부터 온다. 또한 사람의 머리카락과 양의 털, 참새의 깃털, 금붕어의 비늘 등의 서로 다른 특성도 단백질 때문이다. 이와 같은 다양한 단백질의 기능에도 불구하고 모든 단백질 분자는 기본적으로 같은 방법으로 구성되어 있다. 단백질은 아미노산이라고 불리는 작은 분자가 길게 연결되고 접혀 있는 구조물이다. 

[참고; 20종의 아미노산 이름: G(glycine), A(alanine), V(valine), L(leucine), I(isoleucine), S(serine), T(threonine), F(phenylanine), Y(tyrosine), W(tryptophan), D(aspartate), E(glutamate), N(asparaginine), Q(glutamine), C(cysteine), M(methionine), K(lysine), R(arginine), H(histidine), P(proline)]

아미노산은 20종류인데 이를 조합하면 무한한 종류의 단백질을 만들 수 있게 된다. 예를 들어 아주 작은 단백질 중의 하나인 인슐린은 약 50여 개의 아미노산으로 구성되어 있다. 일반적으로 단백질은 수백에서 수천 개의 아미노산으로 구성되어 있는 큰 분자인 것이다. 아미노산의 수, 종류와 배열이 단백질의 구조를 결정한다. 그리고 그 구조는 생물체에서의 기능을 결정한다. 어떤 단백질의 경우 특정 아미노산의 배열에 의해 구조가 민감하게 달라지기도 한다. 마치 잘못된 철자로 인해 완전히 다른 단어가 되는 것처럼 한 아미노산의 변화는 미묘하고도 매우 중대한 영향을 끼치기도 한다. 

[참고; 인체에는 각기 다른 특성과 목적을 가진 3만 종류 이상의 단백질이 있다. 다른 생물체들도 사람에게 없는 단백질뿐만 아니라 사람과 같은 단백질도 가지고 있다. 효소는 가장 큰 단백질 중의 하나인데 포유동물의 세포는 평균 3,000종류의 효소를 가지고 있다.] 

앞에서 언급했던 알캅톤뇨증에서처럼 어떤 질환은 유전적 변이에 의하여 단백질이 잘못 만들어졌거나 단백질이 아예 없게 된 결과이다. 꼬이고 구부러지고 접히는 등의 복잡한 단백질의 3차원 구조는 우리가 실제로 볼 수 있는 세상에 놀랄 만큼 직접적인 영향을 미친다. 단백질의 물리적 구조가 단백질로 형성된 물질의 특성에 직접 영향을 끼치는 것이다. 예를 들면 머리카락과 근육을 만드는 케라틴 분자는 나선형과 스프링형이다. 뼈, 피부, 힘줄에서 발견되는 콜라겐 분자는 밧줄 모양의 구조이고, 비단 섬유에 있는 단백질 분자는 부드럽고 종이처럼 얇은 모양을 하고 있다. 어떤 단백질에 열을 가하거나, 화학 물질을 첨가하거나, 혹은 단순한 물리적인 방법을 가하면 그 모양을 바꿀 수도 있다. 케첩의 예를 들어보면 케첩이 가판대의 병에 들어 있을 때에는 마치 차가운 국수가 달라붙고 꼬여 있는 것과 같은 형태로 긴 단백질 분자가 서로 엉켜 있어서 걸쭉하고 잘 흐르지 않는다. 그러나 병을 흔들면 그 분자를 서로 떼놓을 수 있다. 그러면 떨어진 분자로 인해 케첩은 잘 흐르게 된다. 계란 흰자의 단백질은 반대의 경우다. 흰자를 거품기로 풀면 그 긴 사슬 모양의 단백질이 더욱 단단히 얽히고 서로 붙게 되어 처음에는 끈적거리고 반투명했던 액체가 서서히 굳은 흰 거품으로 변하게 된다.

[참고; 유전자와 단백질, 그리고 사람의 눈 - 사람의 눈동자 색은 그 부모로부터 물려받은 유전자에 의해 결정된다. 그러나 더 직접적이고 실제적으로 설명하면 효소의 작용으로 색이 결정되는 것이다. 눈동자의 색은 안구의 홍채색소의 양과 분포에 의해 좌우된다. 이 색소의 생산과 침착은 효소에 의한 여러 화학 작용으로 이루어진다. 예를 들어 푸른 눈을 가진 사람은 홍채에 색소를 침착시키는 효소를 가지고 있다. 다른 종류의 유전자는 다른 종류의 효소 작용을 일으키게 되고 다른 색소를 침착시켜 결국 다른 눈동자 색을 갖게 되는 것이다.]