분자 나노 생체 머신매카니즘
제가 이전 글에서 그림과 동영상으로 간단히 보여 드렸듯이,
헤아릴 수 없이 많은 극히 복잡하고 불안정한 생체고분자들로 이루어진 단세포 원핵생물인
박테리아(세균)의 운동기관인 편모의 세부구조는 그야말로 지극히 정교하고 섬세하여 그것
을 보는 이로 하여금 감탄을 금치 못하게 합니다.
그런데, 최근 생화학과 분자생물학의 발전에 힘있어 이러한 원핵세포와 진핵세포 속에 숨어
있는 많은 메카니즘들의 비밀들이 풀리면서, 살아있는 세포의 원형질유동과 세포내 물질이동
의 핵심인 일종의 단백질 기계인 분자모터(molecular motor)라는 너무나도 정교하여 초월
적 지성에 의하여 설계되었다고 밖에는 달리 말하기 어려운 Nano-machine들이 세포 내에서
속속 발견되어, 미국에서는 지적설계론(창조론자)들과 진화론자들간의 논쟁이 다시 격렬하게
점화되고 있습니다.
초창기의 진화론자들은 박테리아가 단 하나의 세포로 이루어져 있어 굉장히 단순한 구조
이므로 박테리아야말로 생명의 원시형태일것이라고 무작정 단정짓고 거기서부터 생물진화론
을 전개했지만, 기술과 생화학이 고도로 발달하여 막상 그 세부적 분자구조를 자세히 들여다
보게 된 요즘에 와서는 "이거 웬걸! 무지하게 복잡하고 그 복잡성과 정교함이 진핵세포와 별반
차이도 없다"는 결론이 나옵니다.
왜냐면, 진화론들이 더 복잡하고 진화된 것이라고 주장하는 진핵세포 내의 핵막과 세포골격을
통한 물질 수송을 일으키는 여러 분자모터들이 본질적인 개념상, 원핵세포인 세균의 편모운동
이나 DNA와 RNA의 전사나 복제, 리보솜을 통한 단백질 중합과 수송방식과 거의 같은 개념이기
때문입니다.
따라서, 생체세포 내에서 생체고분자의 운반(transport)이나 운동(locomotion)이나 수축,팽창
같은 변위(displacement) 등 기계적 역할을 수행하는 기능성 단백질들인 분자모터들은 원핵세
포냐 진핵세포냐 바이러스냐에 상관없이 다음과 같이 분류되어 있습니다.
1. 세포골격 모터(Cytoskeletal motors)
Myosin(마이오신) - 근육수축을 담당한다.
Kinesin(카이네신) - 미세소관을 따라 핵에서 세포로 물질수송을 담당한다. Dynein(다이네인) - 미세소관을 따라 핵쪽으로의 물질 수송을 담당하고 진핵 섬모와 진핵편모의 운동(beating)을 담당한다.
2. 중합 모터(Polymerisation motors)
Actin(액틴) - 액틴중합시 가속력이 나와 추진력을 제공한다.
Microtubule - 미세소관 중합시에도 추진력이 발생한다.
Dynamin - 원형질막에서 소포체(vesicle)가 형성되게 한다.
3. 회전 모터(Rotary motors)
ATP synthase(ATP 중합효소) - 미토콘드리아 내에서 아데노신이인산과 무기인산을 결합 시켜 생체에너지원인 아데노신삼인산을 만들어 내는 이 효소는 회전식 모터구조로 빙빙 돌아가면서 ATP를 생산 해 낸다. ADP + Pi → ATP
Bacterial flagellum(세균편모) - 분당 1만번의 초고효율, 초고속 회전(rotating) 분자모터이다.
4. 핵산 모터(Nucleic acid motors)
RNA polymerase(RNA 폴리머레이즈:중합효소) - DNA에서 mRNA등 으로 전사를 담당한다.
DNA polymerase(DNA 폴리머레이즈) - DNA 한가닥을 DNA 이중나선가닥으로 만들어준다.
Helicase(헬리케이즈) - 전사나 복제 바로 전에 DNA 이중나선을 풀어준다.
Topoisomerase(토포이조메레이즈) - 전사나 복제시의 DNA의 과중꼬임(Supercoiling)을 방지해 준다.
Viral DNA packaging motor(바이러스 DNA 팩킹 모터) - 바이러스의 유전정보인 DNA 를 새로 만들어진 단백질 외피 안으로 잘 정돈해서 넣어준다. 들어간 DNA pack은 다시 원형을 회복한다.
등등
위와같이 말로만 하면 어려우므로 아래에
세포골격을 이루는 microtubule과 세포내 물질수송을 담당하는 kinesin과 박테리오 파지
바이러스의 복제 팩킹과정 동영상을 유튜브에 있는 것으로 올리겠으니 잘 감상해 주시기
바랍니다. 이러한 고도의 단백질 기계장치가 과연 저절로 진화될 수 있을까요? <Inner structure of cell>
위의 동영상은 혈관 속에서 혈류의 흐름과 함께 수동적으로 떠내려가는 적혈구와는 달리
혈관내피세포들과 상호작용하면서 교묘하게 움직이는 백혈구의 예를 들면서, 그렇게 조그만
백혈구가 어떻게 그런 기능을 수행하는가를 백혈구내외의 세포골격과 단백질의 생산,수송이란
여러가지 분자모터들의 예를 든 것인데, 중간 쯤에 보면 마치 큰 건물의 철골구조같은 복잡한
세포골격과 이를 고속도로삼아서 cargo를 운반하는 kinesin의 놀라운 모습이 잘 나와있습니다.
그 부분만 잘라서 보면 다음과 같습니다.
<Kinesin walking and transporting vesicle>
<T4 phage infecting bacteria>
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