『생명의 기원』읽기-4(제3장: 최초의 단백질의 발생)

 19세기 초 1810년경 까지만 해도 유기물은 오직 생물에서만 분리할 수 있고, 인공적으로 만드는 것은 도저히 불가능한 것으로 잘못 확신하고 있었습니다. 실험실에서 이 물질들을 합성하는 것은 불가능한 것이며, 유기물은 생체 안에서의 특수한 ‘생명력’의 영향으로만 만들어진다고 생각하고 있었습니다. 그러나 19세기 및 20세기의 유기화학자들의 연구에 의해 이 편견은 타파되었습니다. 오늘날 우리들은 생물에 특유한 물질, 예를 들면 당, 지방, 다양한 식물색소, 알리지린, 인디고 등 꽃이나 종자나 열매에 색을 주는 것, 맛이나 방향(芳香)에 관계하는 물질, 다양한 테루펜, 탄닌, 알카로이드, 고무, 기타 여러 가지 것을 화학적으로 만들 수 있습니다. 최근에는 중요한 물질을 합성할 수 있습니다. 이리하여 과학의 영역으로부터 ‘생명력’은 추방당해서, 동물이나 식물체를 구성하고 있는 모든 물질은 원칙적으로는 생체 밖에서 생명과는 관계없이 만들어지게 됩니다.

확실히 자연현상에 의해 유기물이 만들어지는 것과 같은 것은 거의 예외 없이 생체 내에 한정되어 있지만, 이것은 우리들 지구에서 현재 일어나고 있는 물질진화 기간만의 특징입니다. 앞장에서 보았듯이 간단한 유기물-탄화수소와 그것의 간단한 유도체-은 주변 천체에서도 전혀 생명과는 무관하게, 절대적으로 생명이 나타날 가능성이 없는 조건에서 만들어지고 있습니다. 마찬가지로 지구에서도 생명이 발생하기 직전에 무기물질의 상호작용에 의해서 이들 화합물이 먼저 만들어졌습니다.

탄화수소나 그 간단한 유도체는 위대한 화학적 능력을 그 속에 감추고 있습니다. 실로 이것들은 현재 유기화학자들이 실험실 안에서, 앞에 든 것과 같은 다양한 생체 내 유기물을 인공적으로 만드는 원료로 쓰입니다.

화학자들이 합성할 때 생체 내에서 일어나는 반응과는 다른 방법을 사용하고 있다는 사실에 주의하지 않으면 안됩니다. 유기물을 급속하게 어떤 목표를 향해서 서로 반응시키기 위해서는 화학자는 종종 강산, 알칼리, 고열, 고압 등을 작용시킵니다. 화학자는 많은 기구를 자유롭게 사용할 수 있으며, 이것으로 다양한 반응을 실험할 수 있습니다. 자연조건, 즉 생체 내에서는 다양한 유기물의 합성이 전혀 다른 방법으로 일어납니다. 여기에서는 앞에서 이야기한 강한 시약이나 고열, 고압도 없이, 반응 환경은 거의 중성에 가까운데, 그럼에도 불구하고 여기에서는 많고도 극히 복잡한 많은 물질이 생깁니다.

동물이나 식물의 몸에서 뽑아낸 이렇게 많은 물질을 보고 옛날 연구자들은 살아있는 세포 속에서도 막대한 양의 다양한 화학 반응이 일어나는 것이 아닐까 하고 생각했습니다. 그러나 자세하게 살펴보면 그렇지 않다는 것을 알 수 있습니다. 생체 속으로 들어가 보면 물질이 놀라울 만큼 다양한 것임에도 불구하고 비교적 단순하고 대체로 같은 반응에 의해서 만들어졌다는 사실이 증명됩니다. 살아있는 세포내 유기물 변화의 기초에는 세 가지 중요한 반응형이 있습니다. 이것은 첫째로 축합(縮合) 즉 탄소 고리의 연장, 그리고 그 역의 과정-두가지 탄소 원자 결합의 파괴, 둘째로는 중합(重合)-산소 또는 질소의 다리에 의한 두 가지 유기분자의 결합 및 그 역의 과정 - 가수분해, 그리고 셋째로는 산화와 환원의 과정(산화, 환원반응). 이 밖에 인산, 아미노기, 메칠기 등의 기(基)가 하나의 분자에서 다른 분자로 전환되는 반응이 생체 내에서 널리 이루어지고 있습니다.

생체 내에서의 모든 화학과정. 수많은 다양한 화합물의 형성을 가져오는 모든 물질변화는 결국 이 간단한 반응형으로 분해하고 귀결시킬 수 있습니다. 호흡, 발효, 동화, 다양한 물질의 합성이나 분해를 연구하면 이들 현상의 기초에는 각각 화학변화의 긴 고리가 있으며, 이 하나 하나의 고리는 앞에서 이야기한 반응이라는 것을 알 수 있습니다. 모든 것은 어떤 한가지 형의 반응이 앞에 있던 반응과 치환되는 순서로 귀착하는 것입니다. 만약 예를 들어 최초의 반응이 축합이고, 그 뒤에 산화가 오고, 다음에 다시 축합이 이어진다면 어떤 화합물, 어떤 변화 산물을 얻게 됩니다. 만약 축합 뒤에 중합이 있고, 중합 뒤에 산화 또는 환원 등이 있다면 다른 물질을 얻게 됩니다.

이리하여 생체내에서의 물질의 복잡성이나 다양성은, 앞에서 이야기한 간단한 반응형의 조합의 복잡성이나 다양성의 결과에 지나지 않습니다. 그러나 이들 반응을 주의 깊게 보면 거기에는 공통된 특색이 있고, 이것들은 물 분자가 직접 반응에 가해질 때에 일어납니다. 물 분자는 유기물 분자의 탄소원자와 결합하거나, 혹은 역으로 그것으로부터 유리됩니다. 이 물 분자와 유기물의 상호작용은 모든 생명과정의 기초가 되고 있습니다. 이로 인해 생물 속에서 현재 보통 이루어지고 있는 것과 같은, 유기물의 무수한 변화가 존재합니다. 여기에서 이들 반응은 뒤에서 이야기할 특수한 조건이 있는 덕분에 굉장한 빠르기로 정확하게 정해진 순서대로 진행됩니다. 그러나 이러한 조건이 없는 곳, 즉 생체 외에서도 물과 유기물의 상호작용이-매우 느리기는 하지만-일어납니다.

다양한 유기물을 잠시 동안 수용액으로 만들어 놓아두면 이러한 상호작용에 의해서 많은 합성이 일어나는 것을 화학자들은 상당히 이전부터 알고 있었습니다. 이리하여 탄화수소나 그 유도체의 소수의 원자로 이루어진 단순하고 작은 분자가 여러 가지 방법으로 서로 결합하여 점점 크고 복잡한 구조의 분자를 만듭니다. 이미 1861년에 소비에트의 위대한 학자 A. M. 브톨레로프는 포르말린(탄소 1원자, 수소 1원자, 수소 2원자로 된 분자)을 석회수에 용해시켜 이 용약을 따듯한 곳에 두면 잠시 후 단맛이 난다는 것을 발견했습니다. 그 이후에 알게 된 것이지만, 이러한 조건에서 포르말린의 6분자는 서로 결합하여 하나의 커다랗고 복잡한 구조의 당(糖)분자를 만드는 것입니다.

소비에트 생화학의 창시자이며 아카데미 회원인 A. N. 바하는 포르말린과 시안 수용액의 혼합물을 오랫동안 놔두었다가 이 혼합물에서 단백질과 비슷한 성질의 물질을 석출했습니다.

보통 자연의 조건에서는 단백질에서 생기는 부패균이, 이렇게 해서 얻어진 산물을 정제한 것

 

■복잡한 유기화합물의 생성

맨처음 이 화합물들은 탄소, 수소, 산소, 질소의 소수 분자로 된 것이었습니다. 그러나 원시 바다의 물속에서 이 분자들은 서로 화합하여 점점 크고 복잡하게 되어 여러 가지 물질을 이루었습니다.

 

 

 

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포르말린 수용액을 오랫동안 놔두면 그 6분자가 서로 결합하여 큰 분자-당-를 만듭니다. 이와 같이 원시 바다의 물속에서, 동물이나 식물의 몸을 이루고 있는 물질(유기화합물)이 다양하게 완성되었습니다.

 

■여러가지 유기화합물의 구조 모형

 

 

 

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의 용액 속에서는 배양기에서와 마찬가지로 증식합니다.

이러한 반응의 예는 수십, 수백 가지가 있는데, 간단한 유기물이 단지 수용액으로 만들어 두는 것만으로 고분자 화합물이 된다고 하는 놀랄만한 성질에서 분명하게 나타나고 있습니다.

우리들이 현재 연구하고 있는 원시시대의 바다에서 이 유기물이 만들어진 조건은 우리들의 실험실에서 다시 만든 조건과 그다지 차이가 없었을 것입니다. 그러므로 브톨레로프의 고르벤, 바하의 비이커나 그 밖의 똑같은 실험에서 만들어졌던 많은 복잡한 화합물이 그 당시 바다의 모든 부분에서, 그리고 모든 간석지와 바짝 마른 웅덩이에서도 만들어지고 있었음에 틀림없습니다.

물론 간단한 유기물의 용액인 원시 바다에서는 어떤 정해진 순서나 규칙도 없이 반응이 일어났습니다. 이것들은 꽤 불규칙적이고 혼란된 성질을 가지고 있었습니다. 유기물은 동시에 몇가지 화학변화를 받아 다양한 순서로 많은 다양한 산물을 만듭니다. 그러나 맨 처음부터 복잡한 고분자화합물을 만든다고 하는 일정한 공통된 경향이 있습니다. 이리하여 원시 지구상의 태평양의 따뜻한 물속에서 이제 우리들이 동식물의 몸 속에서 볼 수 있는 것과 비슷한 고분자화합물이 생겼습니다.

다양하고 복잡한 유기화합물이 지구의 수층(水層)에서 출현하는 것을 관찰하기 위해서는, 이 조건에서의 단백질 형성에 특별한 주의를 기울이지 않으면 안됩니다. 단백질은 ‘살아있는 물질’에 있어서 극히 결정적인 역할을 하고 있습니다. 동물이나 식물 또는 세균의 몸을 만들고 있는 물질적 본체인 원형질은 언제나 반드시 상당한 양의 단백질을 함유하고 있습니다. 엥겔스는 이미 “생명이 발견되는 곳에서는 어디에서나 그것이 단백체와 관계가 있다는 것을 알 수 있으며, 또 분해과정에서 들어가고 있지 않은 단백체가 발견되는 곳에서는 어디서나 예외없이 생명현상이 발견된다” (『반듀링론』)는 것을 지적하고 있습니다.

엥겔스의 이 명제는 현재 학자들의 연구에 의해서 완전히 지지받고 있습니다. 단백질은 이전에 생각하고 있던 것과 같은 원형질의 활발치 못하고 단순한 구성물이 아니라, 물질대사나 그 밖의 많은 생명현상에 직접 활발하게 참가하고 있다는 것이 증명되었습니다. 이와 같이 단백질의 생성은 생물의 발생을 이끌어 온 물질 발전과정의 극히 중요한 고리입니다.

19세기 말과 금세기 초, 아직 단백질의 화학이 거의 연구되고 있지 않던 때에 이미 몇몇 학자들은 단백질 속에-특별한 기원-생명의 담지자인 무언가 특수한 원자군이 있다는 것을 예상하고 있었습니다. 이러한 사고방식에서 보면 단백질이 최초로 생성하는 것은 완전히 불가사의한 일이며, 오히려 믿을 수 없는 일이었습니다. 그런데 단백질 분자에 대한 현재의 화학적 개념으로부터 이 문제에 접근하면, 그 일은 완전히 다른 조명 아래 비춰지기 시작합니다.

현재의 단백질 화학에 의해 세워진 모든 성과를 대략 살펴보기 전에 우선 강조해 두어야 할 것은, 모든 단백질의 분자를 구성하고 있는 ‘벽돌’은 화학자에게 잘 알려진 물질-아미노산입니다.

 

■단백질의 출현

유기화합물의 분자가 서로 결합하여 가장 복잡하고 생물에 가장 중요한 분자-단백질-를 만듭니다. 이 분자에는 수만개의 원자가 엄밀하게 일정한 순서로 몇 개의 가지를 가진 긴 사슬 모양으로 연결되어 있습니다.

 

 

 

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단백질의 분자에 이 사슬이 모여, 복잡하기는 하지만 일정한 방법으로 실꾸리를 만듭니다.

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단백질 분자 중에서 아미노산은 서로 특유한 화학결합을 해서 긴 사슬을 만들고 있습니다. 이 사슬에서 보이는 아미노산 분자의 수는 단백질의 종류에 따라 수백에서 수천에 이릅니다. 그렇기 때문에 이 사슬은 무척 긴 것입니다. 대체로 이것은 둘둘 감겨져 복잡하면서도 법칙에 따른 구조의 공을 만듭니다. 이것이 실제로 단백질의 분자입니다.

각각의 단백질 속에 다양한 아미노산이 발견되는 것은 극히 본질적인 사항입니다. 단백질 분자는 다양한 종류의 ‘벽돌’로 만들어져 있습니다. 오늘날 우리들은 자연의 단백질 분자 중에 있는 30종 가까운 다양한 아미노산을 알고 있습니다. 어떤 단백질은 우리가 알고 있는 아미노산 대부분을 포함하고 있는데, 또 한편으로는 이 점에서 빈약한 것도 있습니다. 이 경우 이러한 단백질의 화학적, 물리적 성질은 그 아미노산의 조성에 의해 근본적으로 좌우됩니다.

그러나 아미노산이 단백질의 사슬 중에서 무언가 멋대로, 그리고 우연하게 결합하고 있는 것이 아니라, 일정한 단백질에 특유한 순서로 결합하고 있다는 사실에 주의하지 않으면 안됩니다. 이 단백질의 물리적·화학적 성질-일정한 화학반응을 하는 특성, 용해도, 기타-은 이 분자에서 발견되는 아미노산의 수나 종류만이 아니라, 이 사슬에 차례차례 연결되어 있는 아미노산의 순서에 의해 결정되는 것입니다.

이러한 성질의 구조에 따라 단백질은 무수한 종류가 존재할 수 있습니다. 잘 알려져 있는 계란의 흰자는 하나의 대표적인 예로서, 비교적 간단한 단백질의 하나입니다. 우리들의 피나 근육이나 뇌는 상당히 복잡한 구조를 가지고 있습니다. 어떤 생물이나 어떤 기관에도 수백, 수천 종류의 단백질이 있습니다. 예를 들어 인간 혈액의 단백질은 말이나 소나 토끼의 혈액과는 크게 다릅니다.

이와 같이 단백질은 매우 종류가 많기 때문에, 실험실에서 인공적으로 만든다는 것은 극히 곤란한 일입니다. 오늘의 과학으로는 탄수화물과 암모니아로부터 아미노산을 곧바로 만들 수 있습니다. 마찬가지로 이들 아미노산으로부터 아미노산을 상호 결합시켜 단백질 분자의 기본에 있는 긴 사슬을 만들어 실제로 단백질과 유사한 물질을 만들 수 있습니다. 그런데 자연에서 만들어진 단백질, 예를 들어 우리들 혈액의 단백질이나 완두콩 같은 종류의 단백질을 인공적으로 만드는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 그러기 위해서는 여러 가지 종류의 수백, 수천의 아미노산을 완전히 일정한 순서, 즉 그 단백질에서 발견할 수 있는 그러한 순서로 상호 결합시켜 사슬을 만들어야 합니다.

만약 전부 500개의 고리로 되어 있는 사슬을 선택해서 이 고리가 20종류 있다고 하면, 이 고리의 다양한 순서의 결합에 의해서 헤아릴 수 없을 정도의 사슬을 얻을 수 있습니다. 이러한 고리의 배열이 서로 다른 사슬의 수는, 일찍이 계산된 바에 의하면 영(零)이 48개 붙은 단위, 즉 10억에 10억을 곱하고 거기에 다시 10억을 곱하는 식으로 다섯 번을 곱한 데다 다시 천을 곱해야 합니다. 어쨌든 천문학적 숫자가 아니면 표현할 수가 없습니다. 이것들이 가리키는 크기의 줄을 엮으면 전 우주를 가로질러 은하수의 끝에서 끝까지 늘어뜨릴 수 있습니다.

그런데 중간 정도 크기의 단백질 가운데 있는 아미노산의 사슬은 50개가 아니라 수백개의 고리로 되어있고, 20이 아니라 30종류의 아미노산을 포함하고 있습니다. 그 때문에 여기에서 조합시킬 수 있는 수는 몇 번이고 천조(千兆)를 헤아릴 수 있는 수가 됩니다.

어떤 자연의 단백질을 인공적으로 만들어내기 위해서는, 이 무수한 조합 속에서 하나를 선택해서 이 단백질의 실제 아미노산의 배열도 알아야만 합니다. 물론 아미노산이 우연히 서로 연결되어 단백질의 사슬을 만들어내는 것은 가능하지 않습니다. 이는 마치 28종으로 된 활자를 부려서 그것이 저절로 유명한 시를 조립할 것을 예상하고 기대하는 것과 똑같은 일입니다.

이 시를 구성하는 글자나 단어의 배열을 알아야 비로소 우리들은 이것을 다시 쓸 수 있습니다. 어떤 단백질 속의 고리인 아미노산 배열을 앎으로서 실험실에서 이것을 인공적으로 만드는 것을 예상할 수 있습니다. 그러나 유감스럽게도 아미노산의 순서를 정하는 데 성공했던 것은 참으로 적은, 가장 간단한 단백체에 한정되어 있습니다. 그 때문에 복잡한 자연의 단백체는 아직 인공적인 조건에서는 만들지 못하고 있습니다. 그러나 그것은 시간문제입니다. 원칙적으로는 이러한 단백질의 형성이 가능하다는 것은 이미 의심할 나위가 없습니다. 단백질이 원시의 물속에서 구성되는 데에는 어떤 특수한 조건도 필요하지 않았다는 사실을 보여주기 위해서 우리들은 여기에서 단백질화학을 몇가지 자세하게 서술했습니다. 현재 화학 자료에 의하면 원시시대에 단백질 합성이 일어났다고 확신할 수 있습니다. 예를들면 최근 암모니아 및 탄화수소의 유도체에서 단백질의 조성인 각종 아미노산이 쉽게 나올 수 있다는 것이 학자들에 의해서 확인되고 있습니다. 이들 아미노산이 단백질의 사슬을 만드는 결합은 원시의 바닷속에서 일어났던 것과 차이가 없습니다.

이와 같이 현대의 단백질화학은, 지구의 먼 옛날 우리 유성의 수권(水圈)에 단백질과 비슷한 물체가 생길 수 있었고 또 생겼음에 틀림없다는 사실을 발견하고 있습니다. 물론 이 ‘최초의 단백질’들은 현재 존재하고 있는 단백질과 완전히 일치하지는 않을 것입니다. 그러나 우리들이 알고 있는 단백질과 아주 비슷합니다. 이 분자 속에는 여러 가지 아미노산의 배열이 다르고 불규칙했던 것입니다.

그런데 이미 이들 ‘원시의 단백질’은 현재의 단백질과 마찬가지로 거대한 분자량을 갖고, 화학적으로 커다란 능력을 갖고 있습니다. 이들의 능력이야말로 유기물질의 앞으로의 발전에 특별한 지위를 차지하고 있습니다.

별의 대기중의 탄소원자는 아직 유기물은 아니었지만, 이 원소가 수소, 산소, 질소가 화합하는 특별한 성질을 갖고 있으며, 어떤 일정한 존재 조건에서는 유기물을 형성할 가능성이 포함되어 있습니다. 이와 마찬가지로 원시 단백질의 능력 속에는 물질 진화의 어떤 일정 조건에서는 불가피하게 생물의 발생을 가져올 가능성이 놓여 있었습니다.

이렇게 우리들의 유성, 지구의 진화과정에서 원시의 바닷속에는 단백질과 유사한 무수한 화합물이나 그 밖에 현재의 생물 성분과 같은 복잡한 유기물이 만들어지고 있었음에 틀림없습니다. 그러나 물론 아직 간단한 구성물질에 지나지 않았습니다. 말하자면 이것은 건물을 세우기 위한 벽돌이나 시멘트에 지나지 않으며, 건물 자체는 아닙니다. 대양의 수중 유기물은 단지 용액으로 되어 있으며, 그 작은 조각, 분자는 뿔뿔이 흩어져 있습니다. 여기에는 모든 생물에게 특유한 구성, 조성은 아직 없었습니다.