단백질과 생체
생물은 생명을 지닌다. 생명은 살아있는 현상이나 힘을 뜻하며 그것은 생체 내에서 끊임없이 일어나는 생화학적 반응에 이상이 없다는 뜻이다. 생명을 유지하는 생화학적 반응의 핵심은 단백질인데, 단백질은 중요한 신체적 기능의 대다수를 관리하여 생명을 지탱하는 물질이며 생물의 몸 속에서 다채로운 활동을 한다. 어떤 일을 하는 어떤 세포가 될 것이며 어떤 생물이 될 것인지는 세포가 어떤 단백질을 만드느냐에 달려 있다.
세포의 역할 중에서 가장 중요한 것은 어떤 단백질을 만들어 내느냐 하는 것인데, 세포에서 일단 제조된 단백질은 서로 어우러져 특정 세포를 만들어내기도 하고 전체 유기체가 잘 살아갈 수 있도록 스스로 알아서 일을 해낸다.
단백질은 100만개를 늘어놓으면 길이가 2～3mm정도 되며 신체는 1초에 수십 억 개의 단백질을 제조해 낸다. 인체에는 약 10만 개의 유전자가 10만 가지의 단백질을 만든다. 10만 가지의 단백질이 어우러져 올바른 곳에서 올바른 양만큼 올바른 일을 해야만 건강하게 살 수 있다. 눈, 코, 귀, 입을 만드는데 필요한 단백질을 만드는 유전자, 손가락, 발톱, 이, 머리를 만드는데 필요한 단백질을 위한 유전자, 피부, 머리색깔을 결정하는데 필요한 단백질을 위한 유전자가 존재한다. 세포는 그 모든 단백질을 만들어내는 비법을 유전자에 담고 있는데, 단백질은 에너지도 되고 세포가 일을 하는 도구도 되고 적을 무찌르는 항체도 되며 세포간 신호를 전달하는 물질로 되고 접착제가 되기도 한다. 단백질은 종류에 따라 어디서 어떤 일을 해야 할지 정해져 있다. 세포 속의 세포기관들도 단백질로 만들어진다. 단백질과 세포기관은 수많은 환상적인 일을 수행하는 것이다.
가장 대표적인 단백질은 효소다. 효소는 몸 속에서 일어나는 화학반응의 촉매 구실을 한다. 생물의 몸 속에선 섭취한 음식과 물, 공기로부터 신체의 유지와 성장에 필요한 물질을 만들어내고 에너지를 제조하며 불필요한 것을 분해하는 등 수많은 화학반응이 쉼 없이 일어나고 있다. 생체 내 화학반응의 비밀은 효소 단백질에 존재한다. 생물의 몸 속에서 일어나는 화학반응의 수만큼 즉 수천 종류의 효소 단백질이 필요하다. 그 외에도 혈액 속의 산소를 운반하는 헤모글로빈 단백질, 근육을 움직이게 하는 단백질인 액틴이나 마이오신, 뼈나 피부를 형성하는 구조 단백질, 호르몬 등의 신호 전달 단백질, 신체를 침입한 세균이나 이물을 제거하는 항체 단백질, 유전자를 깨우거나 잠재우는 단백질 등이 있다.
단백질은 세포와 유기체가 만들어지는데 필수적 도구이기도 하고 일꾼이기도 한데, 그 종류에 따라 생김새와 하는 일이 다르다. 유전자를 복사하는 일을 돕는 단백질도 있고 케라틴처럼 세포의 뼈대가 되는 단백질도 있다. 털(=케라틴), 손톱, 헤모글로빈, 항체도 모두 단백질이다. 치아의 에나멜도 콜라겐이라는 단백질에 칼슘이 혼합된 것이다.
단백질은 세포의 기능을 수행하는데 필수적 물질이다. 단백질이 세포의 모양과 색깔을 결정한다. 세포 중량(重量)의 약 20%가 단백질, 70%가 물이다. 대장균 세포에는 약 5000종류의 단백질을 함유하지만 인간세포는 이보다 훨씬 더 많다. 생물의 종류가 다르면 단백질의 종류도 다르며, 지구상에 존재하는 모든 생물체의 단백질은 100억-1조 종류나 된다.
단백질은 아미노산으로 만들어지며 아미노산은 20종류가 있어 이들이 어떤 순서로 결합되느냐에 따라 단백질의 종류가 결정된다. 평균적인 단백질은 아미노산이 500개쯤 연결되어 있기 때문에 가능한 종류는 20의 500승 개 정도이다.
생체 내에선 음식, 물, 공기로 몸의 유지와 성장에 필요한 물질을 만들고 에너지를 끌어내고 또 불필요한 쓰레기를 분해하는 등 많은 화학 반응이 중단 없이 일어난다. 37도의 낮은 온도에서 온화한 조건의 물 속에서 일어나는 생체 내 화학반응의 비밀은 효소의 존재이다. 화학반응을 매개하는 효소가 없다면 생물체는 생명을 유지할 수 없다. 따라서 생체 내에서 일어나는 화학 반응의 수만큼 수천 종류의 효소가 존재하는데 이것이 효소 단백질이다.
그 외에도 헤모글로빈처럼 혈 중에서 산소를 수송하는 단백질을 운반 단백질, 근육을 수축시키는데 필요한 수축 단백질, 뼈나 피부를 형성하는 구조 단백질, 세균이나 독성 이물질의 침입에 대항하는 항체 등의 방어 단백질이 있다.
어떤 생물의 어떤 세포가 특정구조를 하며 특정 역할을 하고 있는 것은 어느 일정한 종류와 일정한 수의 단백질이 있기 때문이다. 생물에서 특정 아미노산을 특정 순서로 어김없이 결합하여 틀림없는 단백질을 만드는 일이 매우 중요하며 생명에 있어서 본질적인 일이다. 단백질의 아미노산 배열 순서의 기본 틀이 바로 유전자 DNA에 존재하는데, DNA의 매우 가늘고 긴 두 줄의 띠에 담긴 유전자가 단백질 제조를 유도하고 각양각색의 단백질을 만들어내는 총사령관이다.
단백질의 합성
단백질은 아미노산 구슬로 꿰어 만든 긴 목걸이다. 유전자의 지시대로 아미노산 구슬을 줄에 꿰어 단백질을 만든다. 모두 동일한 DNA를 가지고 있는 동일 개체의 세포라도 단지마다 모양새와 하는 일이 다른 것은 특정한 DNA로부터 자신에게 필요한 단백질을 만들어내기 때문이다.
모든 단백질은 20종류의 아미노산으로 만들어진다. 단백질은 대개 100개 이상의 아미노산으로 구성되며 수천 개의 아미노산으로 이루어진 단백질도 있다. 보통 단백질은 백만 개쯤 늘어놓아도 길이가 2mm 정도에 불과하다. 그러나 구조가 매우 복잡해서 세포만이 그 걸 만들 수 있다. 같은 종류의 단백질은 생김새나 하는 일이 같은데, 생김새가 작은 공 같기도 하고 막대나 실같기도 하고 대롱 같기도 하다. 단백질의 크기, 생김새, 기능은 20가지 아미노산의 배열 순서에 달려있다.
단백질 제조 방법
세포의 단백질 합성에는 RNA라는 또 다른 핵산이 등장한다. RNA(Ribonucleic acid)도 DNA처럼 뉴클리오타이드라는 구슬을 연결하여 만들지만 DNA의 염기 T(Thymine)가 U(Uracil)로 바뀐 DNA의 4촌 친척이다. 전령 RNA는 DNA의 지시에 따라 단백질에 대한 유전 정보를 전달하는 수행 비서 역할을 하고 운반 RNA는 세포질에 깔려있는 아미노산 벽돌을 단백질 제조 공장인 리보솜까지 수송해 준다. 핵 안에 감금되어 자유롭지 못한 DNA는 RNA를 매개체로 이용하여 단백질 제조를 지휘하는 것이다. RNA는 DNA와 달리 두 가닥이 아니라 한 가닥으로 이루어진다.
RNA의 종류에는
1)DNA에 새겨져 있는 단백질 제조 설계도를 인쇄하여 핵을 빠져 나와 세포질내의 리보솜에서 단백질을 만들어내는 금형(주물) 역할을 하는 전령 RNA(mRNA)
2) 단백질이라는 건물을 짓는데 필요한 아미노산 벽돌을 세포질에서 리보솜 공장으로 운반하는 도우미 역할을 하는 운반 RNA(tRNA)
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3) 리보솜이라는 단백질 공장의 골조 역할을 하는 RNA(rRNA), RNA의 특정 서열을 인지하여 그 부위를 자르거나 붙여주는 효소 즉 분자 가위나 분자 풀의 기능을 가지고 있는 RNA인 리보자임(Ribozyme : Ribonucleic acid + enZyme의 합성어)이 있다.
단백질 제조의 비법을 제공하고 단백질 종류를 결정하는 등 단백질 제조를 지휘하는 총사령관, DNA는 세포핵이라는 감옥에 쇠사슬로 묶여있다. 리보솜이라는 단백질 제조 공장은 세포질에 위치하기 때문에 핵내의 유전자들은 자신의 단백질 제조 정보를 어떤 방법으로도 세포질에 전달해야 한다. DNA 지령을 전달하는 메신저가 바로 전령 RNA이다. RNA 중합 효소라는 복사기로 DNA지령을 그대로 복사(전사 : Transcription)한 것이 바로 전령 RNA이며 전령 RNA가 핵막의 구멍을 빠져 나와 세포질 내의 단백질 제조공장인 리보솜에 전달한다. 리보솜에 전달된 전령 RNA를 해석한 운반 RNA는 세포질에 산재해있는 단백질 재료인 각종 아미노산을 운반하여 유전자의 지시대로 아미노산 벽돌을 쌓아올려 단백질이라는 건물을 축조한다.
이러한 단백질 제조 과정은 1분에 수백만 번씩 일어난다. 이제 막 제조된 단백질은 아미노산 성질에 따라 저절로 접히기 시작하여 제 모습을 갖고, 새로 만들어진 단백질은 세포 속의 제자리를 찾아간다. 대부분의 단백질은 혼자 일을 하는 게 아니라 종류가 같거나 다른 여러 단백질과 함께 일을 한다.
어떤 유전자가 작동한다는 것은 그 유전자가 복사된다는 뜻이다. 예컨대 적혈구 세포의 헤모글로빈 단백질을 만드는 유전자를 작동시키면 Hb 유전자가 복사된 전령 RNA가 만들어진다. 피부 세포는 Hb 단백질이 필요 없기 때문에 그 유전자를 복사하지 않는다. 피부세포는 피부세포만을, 간세포는 간세포만을 만들어 낸다. 이런 세포를 전문화(분화)된 세포라고 하는데, 그러나 사람이든, 돼지든 나무든 새로운 아기가 태어나려면 전문화되지 않은 세포가 필요하다. 이런 비전문화(미분화)된 세포는 모든 종류의 전문화된 세포를 만들어 낼 수 있다. 수정란 세포가 바로 미분화세포다.
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