0. 목차
- 피부, 털, 손발톱 등을 만드는 단백질
- 뼈를 만드는 단백질
- 몸의 형태를 만드는 단백질
- 기억과 학습에 필요한 단백질
- 망막에 있는 단백질
- 혀에 있는 단백질
- '위(胃)'에서 분비되는 단백질
- 세포 밖에서 작용하는 단백질
- 사람 이외의 생물에 있는 단백질
1. 피부, 털, 손발톱 등을 만드는 단백질
가장 먼저 소개할 것은 '케라틴(keratin)'이라는 단백질이다. 피부의 표면에 있는 각질층이나, 털, 손발톱은 색깔이나 형태, 단단함 등의 성질이 모두 다르다. 하지만 이들은 모두 '케라틴'이라는 단백질로 되어있으며, 똑같은 메커니즘을 통해 만들어진 것이다.
케라틴은 세포 안에 머무르는 단백질로, 그 성질은 물에 잘 녹지 않고 단단한다. 그래서 각질층이나 손발톱 등 몸의 바깥쪽에서 몸을 보호하고 있는 조직의 주요 성분이 된다. 각질층이나 손발톱이 되는 세포는 세포 안에 케라틴을 축적하면서 각질층이나 손발톱에 다가간다. 이 세포는 최종적으로 케라틴으로 채워지고, 서로 접착해서 각질층이나 손발톱이 된다.
케라틴은 50종 이상이나 된다고 알려져 있다. 각질층이나 털, 손발톱은 각각 다른 케라틴으로 구성된 것이다. 그리고 이 차이에 의해, 같은 케라틴으로 이루어져 있어도 피부와 손발톱과 털에서는 서로 빛깔이나 모양, 단단함 등이 달라진다.
1-1. 소프트 케라틴
케라틴은 섬유 모양의 단백질로, 세포의 '뼈대'를 이루고 있다. 그중 표피에 있는 케라틴은 '소프트 케라틴(soft keratin)'이라고 한다. '소프트 케라틴'은 20종이 넘으며, 세포의 종에 따라 만들어지는 케라틴이 서로 다르다. 만일 본래와 다른 케라틴이 생기면, 피부에 수포나 염증 등의 질환이 나타난다.
1-2. 하드 케라틴
털에 포함된 케라틴은 단단해서 '하드 케라틴(hard keratin)'이라고 한다. 하드 케라틴은 15종으로 알려져 있다. 털이 만들어지는 메커니즘과 각질층이 만들어지는 메커니즘은 아주 비슷하다. 왜냐하면 털은 근원을 따지면, 표피 세포에서 만들어진 것이기 때문이다.
2. 뼈를 만드는 단백질
몸에 있는 대부분의 대부분의 뼈가 만들어지는 방식은 처음 거푸집이 될 작은 연골이 생기는 것으로부터 시작된다. (사실은 연골도 수분을 제거하면, 콜라겐 등의 단백질이 주성분임) 그것이 '파골 세포(osteoclast)'에 의해 녹고, 거기에서 뼈가 만들어지는 것이다. 연골이 파골 세포에 의해 파괴되면, 조골 세포라는 세포가 뼈의 근원이 되는 '기질(substrate)'을 분비하기 시작한다. 이 '기질'의 주성분이 바로 '콜라겐'이라는 단백질이다. 콜라겐으로 이루어져 있는 기질은 시멘트처럼 서서히 굳는다. 콜라겐의 기질에는 빈틈이 있어, 그 사이를 인산칼슘의 결정이 자라면서 메워 나간다. 이 현상을 '석회화(石灰化)'라고 부르며, 이에 따라 뼈의 단단한 부분이 완성된다. '뼈=칼슘' 이라는 이미지는 이 '석회화'의 과정에서 나온 것이다. 하지만 처음에 뼈는 '단백질'이었다.
콜라겐은 뼈가 생기는 현장 이외에도 몸의 곳곳에 있다. 하지만 그것이 모두 '석회화' 되는 것은 아니다. 뼈가 석회화되는 이유는 '조골 세포'가 콜라겐과 함께, 콜라겐을 석회화시키는 특수한 단백질도 분비하기 때문이다. 머리뼈, 턱뼈, 빗장뼈 등의 경우에는 연골을 거푸집으로 하지 않고 바로 뼈가 만들어진다. 분화 전의 조골 세포가 모여 차츰 분화하고, 연골을 거치지 않고 뼈가 만들어진다.
3. 몸의 형태를 만드는 단백질
원래 우리의 몸은 좌우나 전후가 없는 1개의 수정란이었다. 하지만 발생이 진행되면서 머리와 꼬리의 차이가 생기고 심장이나 위가 왼쪽에 자리 잡는다. '발생' 과정에서 전후나 좌우가 비대칭이 되는 것이다. 도대체 이런 일이 어떻게 가능한 걸까? 사실은 이 과정에서도 단백질이 중요한 역할을 한다.
3-1. 노들, 레프티
포유류의 경우 발생과 정에서 '노들(Nodal)'과 '레프티(Lefty)'라는 단백질이 좌우에서 비대칭으로 분비되어 주위 세포에 작용함으로써 비대칭적인 몸이 완성된다. 'Lefty'라는 이름은 왼쪽을 의미하는 'left'라는 단어에서 비롯되었다. '노들'은 왼쪽을 정하는 신호로, '레프티'는 '노들'이 작용하는 장소와 시간을 제한하는 브레이크라고 할 수 있다. 만약 '노들(Nodal)'이 반대로 오른쪽으로 작용하면 내장이 보통의 경우와 좌우가 역전되는 셈이다. 몸속의 좌우를 구분하기 위해 단백질이 관계하고 있는 것이다.
이들 단백질을 만드는 유전자가 사람에게도 발견되기 때문에, 사람의 발생 초기에도 똑같은 단백질이 위나 심장을 왼쪽으로 치우치게 한다고 생각된다. '레프티(Lefty)'는 수정 후 3.5일째 정도부터 몸속에서 만들어지기 시작하며, 몸의 앞뒤를 만들 대도 앞뒤에서 비대칭적으로 작용한다는 사실이 알려졌다. '레프티(Lefty)'는 좌우뿐만 아니라 몸의 앞뒤를 만드는 데도 중요한 역할을 하는 단백질이었다.
현재 Lefty가 '왜' 비대칭적으로 만들어지는지에 대해서도 규명이 이루어지고 있다. 세포에서 생긴 가느다란 섬모가 회전해 만드는 물의 흐름에 의해 좌우의 비대칭성이 생긴다고 알려져 있다. 회전하는 털이 왜 생기는지, 왜 회전 방향이 정해지는지에 대해서도 규명해 나갈 예정이다.
4. 기억과 학습에 필요한 단백질
단백질은 몸을 만들 뿐만 아니라, 그 외의 일에도 관여한다. 예컨대 '키네신(Kinesin)'이라는 단백질 무리는 '기억하는 일'에 관계한다.
뇌는 신경 세포가 모여 네트워크를 만드는 기관이다. 이 신경 세포 사이에서 '글루탐산' 등의 신경 전달 물질을 복잡하게 주고받으면서 기억이나 감정이 만들어진다. 지금까지 신경 전달 물질을 받아들이는 '수용체'라는 단백질이 늘어나면 기억 능력이나 학습능력이 높아진다는 사실이 알려져 있었다. 신경 세포는 가늘고 긴 돌기를 가진 구조를 하고 있는데, 수용체는 핵 부근에서 만들어진 뒤 핵에서 떨어진 이 돌기까지 수송된다. 이 수용체의 수송을 담당하는 것이 키넥신의 하나인 'KIF17'이다.
4-1. KIF17
유전자 조작에 의해 KIF17을 많이 만들게 된 생쥐와 일반적인 생쥐를 비교한다. 만약 'KIF17'이 단순한 짐받이라면 짐받이인 'KIF17'의 양이 변해도 수용체가 세포 안에서 만들어지는 양은 변하지 않을 것이다. 하지만 어떻게 된 것인지 이 생쥐에서는 '짐'인 수용체가 만들어지는 양도 늘어나고 있었다.
먼저 'KIF17'이 늘어나 많은 수용체가 운반되면 신경 전달 물질을 받아들였을 때의 자극이 증강된다. 그러면 이 자극이 바탕이 되어 'CREB'라는 단백질이 작용한다. 이 단백질은 만들어지는 단백질의 양을 제어하는 작용을 하며, 이 자극에 따라 더 많은 'KIF17'과 수용체를 만들게 한다. 즉, 공부를 해서 CREB를 자극하면 수용체와 KIF17이 증가한다. 그러면 수용체가 늘어나서 자극이 증가되어 CREB가 더욱 수용체와 KIF17을 늘리는 순환이 가능하다. 즉, 공부를 할수록 실제로 머리가 좋아지는 셈이다.
5. 망막에 있는 단백질
외부로부터 오는 빛이나 냄새, 맛 등의 자극은 눈, 코, 혀 등의 기관에서 받아들인다. 이들 감각도 단백질이 담당한다. '본다'라는 감각은 물체로부터 반사되는 빛을 포착하는 데서 시작된다. 그 빛이 전기 신호로 바뀌고, 그 신호가 신경 세포를 통해 뇌로 전해지면 시각이 생긴다. 그러면 우리는 빛을 어떻게 포착해서 전기 신호로 바꾸고 있을까?
빛을 포착하는 것은 안구 내부의 망막에 있는 '시각 세포'인 '막대 세포와 '원뿔 세포'라는 2종의 세포이다. 시각 세포의 막에는 빛을 흡수하는 저분자인 '레티날(retinal)'과 이것을 내부로 끌어들여 결합시키는 단백질 분자인 '옵신(opsin)'으로 이루어지는 시각 물질이 있다. 감도 높은 시각 세포인 막대 세포가 가지고 있는 시각 물질을 특히' 로돕신'이라고 한다.
레티날에 빛이 닿으면 레티날의 변형에 의해 옵신도 변형된다. 그러면 전령 역할을 하는 단백질인 'G 단백질'을 토해, 세포막에 있는 단백질에서 생긴 이온을 보내는 구멍(이온 채널)에 변화가 일어난다. 그 결과 세포에서 전기의 균형이 바뀌어, 시각 세포에서 전기 신호가 발생한다.
6. 혀에 있는 단백질
맛을 느끼는 데에는 혀의 '미뢰(taste bud)'라는 기관에 있는 세포의 단백질이 관여한다. 미각은 '단맛', '쓴맛', '짠맛', '신맛', '감칠맛'이라는 5종의 기본적인 맛을 감지한다. 미뢰는 미각 세포의 그것을 지탱하는 지지세포, 미각세포와 결합하는 신경세포로 이루어져 있다. 미각 세포의 맨 앞에 '미각모'는 혀 표면에 노출되어 있으며, 미각모의 세포막이 맛을 느낀다.
- 짠맛, 신맛: 이중 '짠맛'과 '신맛'은 나트륨 이온과 수소이온이 미각 세포의 표면에 있는 이온 채널(이온이 지나가는 구멍)을 지나감으로써 느껴진다. 이온 채널은 단백질로 이루어져 있다. 신맛은 '수소 이온(H⁺)', 짠맛은 '나트륨 이온(Na⁺)'에 의한 것이다.
- 단맛, 쓴맛, 감칠맛: 나머지 '단맛', '쓴맛', '감칠맛'은 미각 세포 표면에 있는 수용체에서 각각의 맛 분자를 받아들임으로써 느껴진다. 이들의 미각 분자는 미각모의 세포막에 존재하는 'G단백질 공역형 수용체'라는 단백질에 의해 받아들여진다. 이 수용체에 맛 분자가 결합하면 G 단백질(GTP 결합형 단백질)이 수용체를 벗어나 다른 단백질을 자극한다. 최종적으로 그 정보가 미각 신경으로 전달된다.
7. '위(胃)'에서 분비되는 단백질
기본적인 욕구인 '식욕'도 단백질의 작용에 의한 것이다. 식욕의 조절에는 여러 요소가 관계하고 있다. 식욕을 증진하거나 억제하는 단백질, 혈중의 포도당 농도를 유지하는 간, 뇌에 있는 생물 시계 등이 그것이다.
그중 식욕을 증진시키는 단백질은 '오렉신(orexin)', '그렐린(ghrelin)'이 알려져 있고 식용을 억제하는 단백질은 '렙틴(leptin)'이 알려져 있다. 이 단백질이 균형을 이루면서 식욕을 조절한다.
간은 언제나 혈액 속의 포도당의 농도를 일정하게 유지하려고 한다. 혈액속의 포도당 농도가 내려가면 식사를 통해 보급하기 위해 식욕이 증진된다. 밤에 자는 동안에는 식사를 하지 않는다. 이때는 당 농도를 유지하기 위해 간은 당을 새로 만들어 혈액 속에 방출한다. 반대로 낮에는 혈액 속에서 당을 거두어들인다.
7-1. 그렐린
'그렐린(Ghrelin)'은 주로 위에서 만들어진다. 위에서 분비된 그렐린이 주위의 신경을 자극하면, 그 신호는 뇌에 전달되고 식욕이 증진된다. 그렐린을 분비하는 세포는 주로 '위체부'의 '위저선'에 있다. 위저선에서 분비되는 세포의 약 20%가 그렐린 분비 세포이다. 그렐린은 28개의 아미노산으로 이루어진다. 그렐린처럼 약 50개보다 적은 수의 아미노산이 연결된 것을 '펩티드'라고 한다. 세 번째의 아미노산에 '옥타노 일화(octanoylated)'라는 특징적인 지방산 수식이 이루어져 있다.
8. 세포 밖에서 작용하는 단백질
세포는 세포 안에서 머무르면서 작용하기도 하지만 세포 밖에서 작용하는 것도 많이 있다. ;예컨대 세포 사이의 정보 전달을 담당하는 '호르몬'이라는 단백질과, 몸속에 침입한 세균 등의 이물질에 달라부터 몸을 지키는 작용을 하는 '항체'라는 단백질, 기억에 관계하는 신경 전달 물질로서 작용하는 단백질 등이 모두 세포 밖에 분비되어 작용하는 단백질이다.
세포 밖에 분비되는 이런 단백질은 합성이 시작될 떄부터 이미 세포 밖으로 나오는 경로에 위치해 있다. 분비 단백질이 되는 아미노산의 사슬이 리보솜에서 생기기 시작하면, 이 리보솜은 소포체로 이동해 그 안에 단백질을 만든다. 그다음에 단백질은 골지체를 지나 세포 밖으로 나간다.
9. 사람 이외의 생물에 있는 단백질
자연에는 사람이 가지고 있는 단백질 말고도 굉장히 많은 종류의 단백질이 있다. 그중에는 단백질이라고 생각하지 못한 것 중에서도 단백질이 많다. 우리 주위에서 살아가는 생물들은 실로 다양한 단백질을 만들어 이용하고 있다. 서로 다른 유전자를 가진 다양한 생물이 각각 개성적인 단백질을 지니고 있다. 사람 이외의 생물에게 있는 단백질을 몇 가지 알아보자.
9-2. 글리시닌
콩의 씨에는 영양분을 저장하는 '글리시닌(Glycinin)'이라는 단백질이 가득 차 있다. 싹이 튼 콩이 '본엽(본잎)'을 펴고 광합성을 해서 영양분을 만들게 되기까지 성장에 필요한 영양분의 주요 공급원이 된다.
9-3. 바이러스의 껍질
바이러스의 껍질도 단백질로 되어 있다. 이들 바이러스의 핵산은 '캡시드(capsid)'라는 단백질로 싸여 있다. 바이러스는 스스로 단백질을 만들 수 없으며, '캡시드'도 감염시킨 세포에게 만들도록 한 것이다. 바이러스 껍질의 예쁜 공 모양인 것, 다각형인 것, 원통형인 것 등의 기하학적 구조는 복수의 단백질이 '자기 조직화'라는 성질에 의해 만든 것이다.
9-4. 동물의 비늘
동물의 비늘도 단백질로 되어 있다. 다만, 물고기의 비늘과 뱀 등 파충류의 비늘은 그 구성이 다르다. 물고기의 비늘은 사람의 뼈와 마찬가지로 콜라겐이 석회화해서 생기는데 비해, 파충류의 경우에는 사람의 피부나 손발톱, 머리카락과 마찬가지로 케라틴이 축적되어 죽은 세포가 겹쳐 생기는 것이다.
9-4. 부동 단백질
인간을 살아갈 수 없을 듯한 가혹한 환경에서 살아가는 생물을 조사하면 뜻밖의 단백질이 발견되는 경우가 있다. 이런 단백질은 그 특수한 성질을 살려 뭔가에 이용할 수 있을지도 모른다.
그중 부동 단백질은 '얼지 않는 단백질'로 실제로 이미 우리 생활에 이용하고 있는 단백질이다. 부동 단백질은 얼음 결정이 성장할 때 얼음 주위에 결합함으로써 결정의 성장을 방해한다. 극한의 남극해에서 헤엄치는 물고기는 어는 점 아래의 수온 속에서 헤엄치고 있어도 얼지 않는다. 이것은 얼음의 결정이 크게 성장하는 것을 막는 단백질이 몸속에 있기 때문이다. 이것이 바로 부동 단백질이다. 이 단백질은 물고기 외에도 겨울 채소, 곤충, 버섯 등에서도 발견된다. 이 단백질은 아이스크림이 입속에서 녹는 것을 향상시키는 첨가물로 이미 이용되고 있다. 이 부동 단백질을 첨가한 냉동식품에서는 냉동에 의한 맛의 역화가 억제된다고 한다.