d라이브러리

생명체는 환경의 변화에 적절히 반응해 적응하고, 광합성을 하거나 음식물을 섭취해 에너지를 얻고, 자손을 퍼뜨려 종족을 유지한다. 과학자들은 오랜 세월 동안 생명체가 생명활동을 영위할 수 있는 것은 생명체를 이루고 있는 물질이 생명 없는 무기물이 아닌 신비한 힘('생기'라고도 함)을 가진 물질이기 때문이라고 생각해왔다.

그러나 유기물인 요소가 실험실에서 무기물로부터 합성되므로써 생체 물질도 무기물과 마찬가지로 일반적인 물리-화학 법칙을 따르는 분자로 구성돼 있다는 사실이 밝혀졌다.

그렇다면 세포를 구성하는 핵산, 지질, 탄수화물, 단백질 등의 분자들은 과연 어떤 과정을 통해 생명 현상에 기여할까? 생화학은 바로 이러한 의문에 답하려는 학문 분야로 '살아 있는 세포의 화학'이라고 할 수 있다. 생화학의 궁극적인 목표는 생물학적 과정을 분자 개념에서 설명하려는 것이다.

이 때문에 생명현상을 이해하기 위해서는 우선 분자의 구조에 대한 정확한 이해와 이들이 세포 내에서 어떤 화학적·생물학적 기능을 수행하는지를 알아야한다.

이런 의미에서 막스 페루츠(Max F. Perutz: 1914∼)와 존 켄드루 경(Sir John C. Kendrew: 1917∼1997)은 현대 생화학을 연 선구자로 평가된다. 이들은 1962년 공모양 단백질(기능성 단백질)의 3차원 구조를 최초로 밝힌 업적으로 노벨화학상을 수상했다. 이들은 생화학의 한 축인 생체 분자 구조 연구에 획기적 전기를 마련했던 것이다.
 

단백질은 만능 재주꾼

과거 어려웠던 시절에 충분한 단백질 섭취는 국민 대다수의 염원일 만큼 단백질은 음식물의 중요한 영양소로서 매우 친숙한 물질이다. 하지만 단백질은 음식물로서 뿐만 아니라 생체의 중요한 구성 성분으로 다양한 기능을 수행한다.

유전정보를 담고 있는 핵산을 인간의 뇌라고 하면 단백질은 몸 전체라고 할만큼 그 기능이 광범위하고 정교하다. 머리카락을 이루는 α-케라틴 같은 단백질은 생체 구조물을 지탱하고, 음식물 소화 효소는 공장 근로자와 같은 생산 요원으로 활동한다.

또한 인슐린처럼 신호를 전달하는 전령사의 역할을 해 주변 환경 변화에 적절히 대응하도록 하거나, 항체와 같이 침입자를 퇴치하는 방어군의 역할을 수행하기도 한다. 산소를 운반하는 헤모글로빈은 물자 보급을 담당하고, 근육 세포를 이루는 액틴과 미오신은 운동에 관여한다. 이 밖에 단백질은 에너지 저장 등 생명활동의 전 분야에 관여해 완벽하게 임무를 수행하는 만능 재주꾼이다.

저마다 다른 얼굴

단백질은 보통 수십에서 수백개의 아미노산이 펩티드 결합에 의해 연결된 선형 고분자이다. 아미노산은 중심 탄소(이를 α-탄소라 함)에 아미노기와 카르복실기, 수소, 그리고 곁사슬(R)이 결합된 일반 구조를 갖는 화합물로 곁사슬의 종류에 따라 성질이 결정된다.

α-탄소에 결합된 4개의 기가 서로 다르면 오른손과 왼손의 관계와 같은 D-형과 L-형의 거울상 이성질체를 갖는다. 자연에 존재하는 20가지의 전형적인 아미노산은 극히 일부를 제외하고는 L-형 입체 구조를 갖고 있다.

펩티드 결합은 한 아미노산의 카르복실기와 인접한 아미노산의 아미노기 사이에서 물분자가 떨어져 나가면서 형성되는데, 이러한 방법으로 아미노산이 계속적으로 결합해 만들어진 분자를 폴리펩티드라고 한다. 단백질 또한 폴리펩티드로 -Cα-CO-NH-가 반복되는 골격이 꼬이면서 3차원 구조를 이룬다.

단백질의 구조는 흔히 네 단계로 나누어 설명된다. 1차 구조는 단백질 사슬의 아미노산 순서를 말하는데, 이것이 기본적으로 단백질의 구조와 기능을 결정한다. 2차 구조는 α-나선 구조( 과학동아 98년 6월호 '노벨상 따라잡기' 참조)와 α-판상 구조가 대표적인데, 이들은 전기적으로 극성을 띠는 골격 원자들인 아미노기의 수소와 카르보닐기의 산소가 수소결합을 형성해 극성을 효율적으로 중화시키고, 새로운 비공유성 작용을 극대화해 생겨난 부분 구조다.

곁사슬에 있는 원자들이 다른 원자들과 반발하거나 끌어당기는 것에 영향을 받아, 아미노산의 배열 순서에 따라 2차 구조의 종류가 달라진다. 3차 구조는 2차 구조들이 3차원 공간상에서 배열된 상태로 비로소 단백질로서의 기능을 갖는 최소 단위의 구조가 된다. 마지막으로 4차 구조는 헤모글로빈과 같이 분자(폴리펩티드)가 두 개 이상 모여서 하나의 기능성 단백질을 이룰 때의 구조를 가리킨다. 결론적으로 서로 다른 아미노산 배열 순서를 갖는 단백질은 서로 다른 종류 및 크기의 2차 구조를 갖고, 이들을 공간상에 뭉쳐 놓은 3차 구조도 당연히 다르게 된다. 모든 단백질은 아미노산의 개수와 조성 및 순서가 서로 다르다. 따라서 모든 단백질은 서로 다른 3차원 구조를 갖는다.
 

기능 차이는 구조 차이

세포 내에서 화학적 과정은 분자간의 접촉을 통해 이루어진다. 이러한 만남은 분자간에 서로 인식할 수 있는 어떤 '약속'이 전제돼야 한다. 마치 자물통과 열쇠가 구조적으로 요철이 잘 맞는 것처럼 단백질과 이와 접촉하는 분자는 구조(특히 표면의 특정한 부분의 구조)와 전하 분포가 서로 꼭 맞게 돼 있어 수많은 분자들 중에서 궁합이 잘 맞는 짝을 선택적으로 찾아낼 수 있다.

결합하는 두 분자의 상보적 구조가 서로를 인식할 수 있는 '약속'인 셈이다. 이 약속은 매우 엄격해 입체 이성질체도 정확하게 인식한다. 서로 만난 분자는 구조를 변화시키거나 분자의 일부를 주고받으면서 목적을 완수하게 된다.

헤모글로빈(페루츠에 의해 구조가 밝혀짐)은 허파에서 산소와 결합해 혈액을 통해 조직으로 이동해 산소를 내놓고 대신 이산화탄소와 결합해 허파로 운반한다. 반면 펩신은 단백질의 펩티드 결합을 깨뜨려 분해시킨다. 이 두 단백질은 어떤 차이로 서로 다른 기능을 수행할까? 쉽게 말해서 '그렇게 생겼기 때문'이다. 같은 재질로 만들어진 낫과 호미는 각각 풀을 베고 김을 매는데 적합하도록 설계된 구조를 갖고 있다. 마찬가지로 자연은 아미노산의 개수와 조성 및 순서를 적절히 조절해 헤모글로빈과 펩신이 각각의 기능에 적합한 구조를 갖도록 설계한 것이다. 각 단백질의 고유한 기능은 그것이 가진 고유한 구조에 의해 정해지기 때문에 단백질의 구조를 밝히는 것은 기능을 이해하는데 매우 중요하며 이것이 생화학 연구의 핵심이 된다.
 

분자를 보는 눈, X선 결정학

원자는 크기가 수Å(옹스트롬: 10-8cm) 정도이고, 단백질 분자는 크기가 수십에서 수백Å 정도다. 이 정도의 크기는 광학현미경은 물론이고, 배율이 훨씬 뛰어난 전자현미경으로도 관찰할 수 없다. 그래서 과학자들은 시료에 일정한 파장의 빛을 쬐어 흡수되는 파장을 조사하거나 혹은 분자로부터 나오는 빛의 파장을 분석하는 방법으로 분자 구조를 알아낸다. 이를 분자분광법이라고 하는데, 여기에는 적외선 분광법을 비롯한 여러 가지 기법들이 쓰이고 있다. 그러나 이 방법도 수백에서 수천 개 혹은 그 이상의 원자로 이루어진 복잡한 단백질의 3차원 구조 연구에는 이용될 수 없다. 다만 최근에 핵자기공명법을 이용한 단백질 구조 연구가 가능해져 이용 빈도가 증가하는 추세다.

단백질과 같은 복잡한 3차원 분자 구조의 연구에 가장 널리 활용되는 방법은 X선 결정학적 방법(X-ray crystallographic method, 그림3)이다. 이 방법은 X선(1Å 전후 파장)을 시료 결정(그림4)에 쬐어 회절된 X선의 세기를 측정 분석함으로써 결정을 이루고 있는 물질의 구조를 밝히는 것이다. 이는 1913년 로렌스 브랙과 그의 아버지 헨리 브랙(1915년 노벨 물리학상 공동수상)에 의해 결정 구조 연구에 이용되면서 각광을 받기 시작했다.

결정은 구성 분자(혹은 원자 또는 이온)가 3차원 공간상에서 규칙적으로 배열돼 있는 상태인데, 분자의 종류와 배열 방법에 따라 결정 내의 전자 분포가 다르다. 결정에 X선을 쬐어 주면 X선이 결정 내의 전자와 작용해 산란된다. 산란된 X선은 상호 간섭에 의해 관찰하는 방향에 따라 세기가 달라진다. 액체와 같은 무정형 시료를 사용할 경우 시료 내의 분자가 무질서하게 배치돼 있으므로 전자 분포는 규칙성이 없으며, 회절 문양도 또렷한 점들이 나타나지 않고 달무리 같이 분산된 모양으로 관찰된다.

반면 결정 시료를 사용하면 많은 점들로 이루어진 회절 문양을 볼 수 있다(그림5). 이 문양은 사람의 지문과 같이 결정에 따라 서로 다른 독특한 양상을 띤다. 마치 투명한 유리상자에 전시된 금관을 여러 각도에서 찍은 사진들이 같은 방법으로 도자기를 찍은 사진들과 구별되는 것과 마찬가지다. 회절 문양에서 보는 점들은 각각 여러 각도에서 찍은 사진이라고 할 수 있다.

사진들을 적절한 과정을 거쳐 재조합하면 금관의 3차원 영상을 얻을 수 있다. 마찬가지로 회절 문양에 나타난 점들을 해석하면 시료 결정내의 전자 분포를 알 수 있고, 전자 분포로부터 시료 결정을 이루고 있는 분자의 모양과 배열 상태를 밝힐 수 있다. 물론 결정학적 방법에 의해 분자 구조의 3차원 영상을 얻는데는 단순히 사진들을 재조합하는 것과는 다른 훨씬 복잡하고 심오한 이론이 필요하다.

최초로 밝혀진 단백질 구조

처음에 과학자들은 단백질이 3차원 구조가 명확하게 갖춰지지 않는 콜로이드 형태의 구조를 이룬다고 짐작했다. 그러나 단백질 중의 하나인 우레아제가 결정화되고, 이어서 1934년 버날과 크로푸트(후에 호지킨으로 개명. 1964년 생체분자 구조 결정에 관한 공로로 노벨 화학상 수상)가 펩신 결정의 X선 회절 문양을 얻어냄으로써 단백질이 일정한 구조를 갖고 있음이 확실해졌다.

어떤 물질이 결정화됐다는 것은 같은 모양을 갖는 구성 분자가 공간상에 규칙적으로 배열된 상태에 있다는 것을 의미한다. 따라서 단백질이 결정화됐다는 사실은 구성 단백질이 잘 정의된 '같은 모양'으로 존재함을 뜻한다. 이에 따라 학자들은 새장 모양, 지그재그 형태, 평행한 막대들의 배열과 같은 규칙성과 대칭성을 갖는 여러 가지 단백질 구조 모형을 제안했다.

1936년 페루츠는 케임브리지 대학 카벤디시 연구소에서 버날의 학생으로 합류했다. 이때 버날은 펩신 결정의 X선 회절 실험으로 단백질 구조에 관한한 가장 앞선 지식을 갖고 있었다. 페루츠는 이듬해인 1937년 헤모글로빈의 구조를 X선 회절에 의한 방법으로 밝히기 위한 연구에 착수했다. 당시 X선 결정학은 작은 유기분자의 구조를 겨우 밝히는 정도로 낮은 수준이었기 때문에 페루츠의 이러한 도전은 무모하다고 할만큼 획기적인 일이었다.

1946년에 페루츠는 새로이 합류한 켄드루와 함께 영국 의학연구소 분자생물학 연구부 창립 요원으로 임명됐고, 1948년에 켄드루는 근육에서 산소를 저장하고 공급하는 기능을 하는 단백질인 미오글로빈의 구조 연구를 시작했다. 회절 데이터를 수집하고 분석하는 일이 많은 노력과 시간을 필요로 하는 과정이고, 분석하는 방법 또한 명확하게 정립되지 않은 상황에서 이들은 뚜렷한 성과도 없이 오랜 세월을 보내야 했다.

1953년 마침내 페루츠는 원자번호가 큰 중원자를 이용한 '동형 치환법'이 단백질 결정 분자 구조를 알아내는데 이용될 수 있음을 헤모글로빈 결정 연구를 통해 확인했다. 원래의 헤모글로빈 결정과 헤모글로빈의 특정 부분에 중원자를 결합시킨 결정으로부터 각각 회절 데이터를 수집해 두 데이터를 비교하면 결정 내의 중원자 위치를 알 수 있다.

이 중원자의 위치를 이용해 전체 단백질 분자 구조를 밝히는 방법을 동형 치환법이라고 한다. 이때 두 결정은 모든 상태가 같고, 단지 중원자의 결합 유무만 다를 뿐이다. 이 방법의 도입은 헤모글로빈과 미오글로빈의 구조 연구가 성공적으로 수행될 수 있는 전환점이 됐다.

1958년 드디어 켄드루는 낮은 해상도(원자의 위치까지 볼 수는 없으나, 분자 전체의 모양을 확인할 수 있는 정도)의 미오글로빈 구조를 발표했다. 이 구조는 그때까지 제시됐던 여러 가지 모델, 특히 대칭성이 강조됐던 구조들과는 매우 다르게 대칭성도 없고 어떤 규칙성도 발견할 수 없는 '멋대로 생긴' 모습이었다. 심지어 페루츠는 '끔찍하고 창자처럼 보이는 구조'라고 표현했다.

후에 보다 자세한 구조가 밝혀져 단백질 구조에도 일정한 규칙성(예를 들면 α-나선구조)이 있다는 것이 밝혀졌지만 당시에는 의외의 결과임에 틀림없었다. 이어서 페루츠에 의해 헤모글로빈의 구조가 밝혀짐으로써 마침내 단백질 3차원 구조를 원자 수준에서 볼 수 있는 시대가 열렸다(그림 6).

미오글로빈과 헤모글로빈은 주로 α-나선 구조로 이루어졌기 때문에 결정학적으로 구조 분석이 상대적으로 쉬운 단백질이었다는 점은 페루츠와 켄드루에게는 행운이었다. 그러나 그들이 이룩한 업적은 결코 우연이 아니었다. 그들의 주변에는 버날과 브랙 같은 유능한 결정학자들이 있었다. 또한 당시 케임브리지에는 가장 최신의 컴퓨터가 설치돼 계산에 활용됐다. 무엇보다도 불가능해 보였던 헤모글로빈 구조 연구에 착수한 페루츠의 의지가 가장 중요한 성공의 요인이었다고 할 수 있다.
 

미오글로빈과 헤모글로빈 이후

조가 밝혀진 단백질의 개수가 1980년 이전에는 수십 개에 불과했으나 그후 기하 급수적으로 증가해 현재 7천여 개에 이른다. 이것은 분자생물학이나 컴퓨터 등 관련 분야의 발달로 구조 결정이 보다 쉬워진 원인도 있지만 분자 구조가 그만큼 중요하게 인식되고 있다는 것을 반증한다. 단백질의 구조 연구는 세포내 화학과정을 이해하는데 필수적일 뿐 아니라, 실생활에 도움이 되는 연구에도 상당한 기여를 한다.

대표적인 예가 신약 개발 분야에서의 이용이다. 감기는 바이러스의 감염에 의한 질병이다. 바이러스가 숙주세포에서 자손을 생산해 감염 세포로부터 나오는 과정에는 여러 단백질들이 관여한다. 이들 중 특정 단백질에서 기능적으로 중요한 역할을 하는 부분에 다른 분자를 결합시키면 기능이 무력화되고, 바이러스는 더 이상 증식하지 못해 감기가 치유된다.

우리가 복용하는 다수의 의약품은 이러한 원리로 작용한다. 단백질에 선택적으로 결합하는 분자, 즉 의약품은 우연히 발견되거나 많은 화합물 중에서 검색해 찾아내기도 한다. 최근에는 질병에 관련된 단백질의 구조를 바탕으로 이에 맞는 결합분자를 설계하는 기법이 새로운 의약품 개발에 활용되고 있다.

또 다른 예로 구조 변형을 통해 기능이 향상된 단백질을 설계하고 생산하는 단백질 공학에서 3차원 구조가 활용되고 있다. 발효 식품 또는 술 제조에 이용되는 산업용 단백질은 열에 의해 쉽게 변성돼 활성을 잃는 경우가 있다. 따라서 이 단백질 구조를 적절히 바꾸어 열에 내성을 갖도록 하면 보다 오랫동안 효소를 이용할 수 있으므로 경제적 효과를 거둘 수 있다.

구조를 변형시켜 이용하는 것에서 더 나아가 설계도면을 작성해 취향에 맞는 집을 짓는 것과 마찬가지로, 미래에는 특정 기능을 수행하는 단백질을 원하는 대로 만들어 이용하는 것도 가능해지리라 본다.

헤모글로빈과 미오글로빈 구조는 학술적으로 매우 중요하다. 하지만 두 구조의 진정한 중요성은 단백질 분자의 '설계도'를 갖고 기능을 이해할 수 있는 길을 열어 생화학을 한 차원 높이는 계기를 마련했다는데 있다. 이 점에서 페루츠와 켄드루는 노벨상 수상자가 된 것이다. 페루츠는 1936년 이래 현재까지 케임브리지 대학에 재직하면서 헤모글로빈 구조의 후속 연구에 큰 업적을 남겼다.

켄드루는 미오글로빈 구조를 발표한 이후 연구보다는 행정가로서의 탁월한 능력을 발휘했다. 그는 유럽 분자생물학회의 창립에 깊이 관여했고, 분자생물학회지의 편집위원장으로 활동하다 작년 8월에 영면했다.