경이롭게 설계된 헤모글로빈 분자

“호흡은 아주 간단해 보인다. 하지만 생명체가 살아 있다는 기본적인 증거인 호흡이 이루어지려면 매우 복잡한 고분자 안에서 다양한 종류의 원자가 상호 작용을 해야 하는 것 같다.”—헤모글로빈 분자를 연구해서 1962년에 노벨상을 공동 수상한 맥스 F. 퍼루츠.

호흡은 아주 자연스러운 현상이기 때문에 사람들은 대부분 그에 대해 거의 생각하지 않습니다. 하지만 창조주가 설계한 놀라울 정도로 복잡한 헤모글로빈 분자가 없다면 사람은 호흡을 하더라도 생명을 유지할 수 없을 것입니다. 30조 개의 적혈구 각각에 들어 있는 헤모글로빈은 산소를 폐에서 체내 구석구석에 있는 조직들로 운반합니다. 인체에 헤모글로빈이 없다면 우리는 한시도 살아 있지 못할 것입니다.

헤모글로빈 분자는 적절한 시점에 미세한 산소 분자를 실어서 적절한 때까지 안전하게 가지고 있다가 적절한 순간에 내보냅니다. 이러한 일이 어떻게 가능합니까? 분자들 간에 여러 가지 놀라운 상호 작용이 일어나기 때문입니다.

조그만 분자 “택시”

적혈구 속에 있는 개개의 헤모글로빈 분자는 네 개의 문이 달려 있고 네 명의 “승객”만 태울 수 있는 조그만 택시에 비할 수 있습니다. 이 분자 택시는 적혈구 안에서 적혈구와 함께 이동하기 때문에 운전자가 필요 없습니다. 적혈구는 헤모글로빈 분자를 가득 실은 수송용 컨테이너와 같습니다.

헤모글로빈 분자의 여행은 폐 안에 있는 폐포에 적혈구가 도착하면서 시작됩니다. 우리가 들이마신 공기가 폐로 들어가면, 방금 도착한 미세한 산소 분자들이 택시를 잡으려고 몰려듭니다. 이 분자들은 순식간에 “컨테이너” 즉 적혈구 안으로 들어와 사방으로 흩어집니다. 그런데 각 적혈구 안의 헤모글로빈 택시는 모두 문이 닫혀 있습니다. 하지만 얼마 지나지 않아 산소 분자 하나가 혼잡한 무리를 뚫고 헤모글로빈 택시 안으로 비집고 들어갑니다.

그러자 매우 흥미로운 일이 일어납니다. 적혈구 안에 있는 헤모글로빈 분자의 모양이 바뀌는 것입니다. 첫 승객이 들어오자 헤모글로빈 택시의 문이 모두 저절로 열리면서 나머지 승객이 쉽게 탑승할 수 있게 됩니다. 협동 결합이라고 불리는 이 과정은 매우 효율적이어서 한 번 숨을 들이마시는 동안 적혈구에 있는 모든 택시의 “좌석” 가운데 95퍼센트가 채워집니다. 적혈구 하나에 들어 있는 2억 5000만 개가 넘는 헤모글로빈 분자는 모두 합쳐 약 10억 개의 산소 분자를 운반할 수 있습니다! 곧이어 헤모글로빈 분자를 실은 적혈구는 귀중한 산소를 필요로 하는 신체 조직에 산소를 공급하기 위해 출발합니다. 이제 다음과 같은 의문이 생길지 모릅니다. ‘적혈구 속에 있는 산소 원자들이 너무 일찍 빠져나오지 않는 이유는 무엇인가?’

그 이유는 헤모글로빈 분자 안으로 들어간 산소 분자가 기다리고 있던 철 원자와 결합하기 때문입니다. 하지만 수분이 있는 곳에서 산소와 철이 만나면 어떤 일이 일어나는지 본 적이 있을 것입니다. 대부분의 경우 산화철 즉 녹이 생깁니다. 철에 녹이 슬면 산소는 결정 속에 영구적으로 갇히게 됩니다. 그러면 헤모글로빈 분자는 수분이 많은 적혈구 속에서 어떻게 녹이 생기지 않게 하면서 철과 산소를 결합하고 분리합니까?

헤모글로빈의 구조

그에 대한 답을 얻기 위해 헤모글로빈 분자를 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 헤모글로빈 분자는 네 개의 철 원자 주위에 정밀하게 모여 있는 1만 개가량의 수소, 탄소, 질소, 황, 산소 원자로 이루어져 있습니다. 네 개밖에 안 되는 철 원자 주위에 그렇게 많은 원자가 있는 이유는 무엇입니까?

우선, 네 개의 철 원자는 전하를 띠고 있으므로 철저히 통제되어야 합니다. 전하를 띤 원자 즉 이온이 고정되지 않은 채 이리저리 돌아다니면 세포 내부에 큰 손상을 입힐 수 있습니다. 따라서 네 개의 철 이온은 각각 단단한 평면체의 중앙에 안전하게 고정되어 있습니다.a 또한 이 네 개의 평면체는 헤모글로빈 분자에 정밀한 방식으로 끼워져 있는데, 그 방식 덕분에 산소 분자는 철 이온에 닿을 수 있지만 물 분자는 그렇지 못합니다. 이처럼 수분이 닿지 못하기 때문에 녹 결정이 형성되지 않는 것입니다.

헤모글로빈 분자 안에 있는 철은 스스로 산소와 결합하거나 떨어질 수 없습니다. 하지만 전하를 띤 네 개의 철 원자가 없다면 헤모글로빈 분자의 나머지 부분은 무용지물에 지나지 않을 것입니다. 철 이온들이 헤모글로빈 분자에 정확히 끼워져 있어야만 혈류를 통해 산소가 공급될 수 있습니다.

산소를 내보내는 일

적혈구는 동맥을 떠나 신체 조직 깊숙한 곳에 있는 미세한 모세 혈관에 도착하면서 새로운 환경을 접하게 됩니다. 이곳은 폐보다 따뜻하고 산소가 적으며, 주위에 이산화탄소가 많아서 산성도가 높습니다. 적혈구의 헤모글로빈 분자는 그러한 변화를 감지하면 소중한 승객인 산소를 내려 줄 때가 되었다는 것을 알게 됩니다.

헤모글로빈 분자는 산소 분자를 내보내고 나서 다시 한 번 모양이 달라집니다. 그러한 변화를 통해 헤모글로빈 분자의 “문이 닫히고” 산소는 필요한 곳에 남게 됩니다. 또한 문이 닫혀 있기 때문에 헤모글로빈은 폐로 돌아가는 길에 산소를 싣지 않게 됩니다. 그 대신 신속히 이산화탄소를 싣고 돌아갑니다.

얼마 후, 산소가 빠져나간 적혈구는 다시 폐에 도착합니다. 그곳에서 헤모글로빈 분자는 이산화탄소를 내보내고 생명에 필수적인 산소를 싣습니다. 적혈구는 평균 약 120일을 살면서 이 과정을 수없이 반복합니다.

헤모글로빈이 생명을 유지시켜 주는 특별한 분자라는 데는 의문의 여지가 없습니다. 기사의 서두에서 언급한 것처럼 헤모글로빈은 “매우 복잡한 고분자”입니다. 분명 우리는 창조주가 만드신 이 놀랍고 섬세한 걸작품을 통해 외경심을 느끼며 감사하는 마음을 갖게 됩니다!

[각주]

[28면 네모와 도표]

헤모글로빈을 잘 관리하세요!

일부 지역에서는 흔히 “철분이 부족한 피”라는 표현을 사용하지만, 실제로는 헤모글로빈이 부족한 피라고 해야 정확합니다. 헤모글로빈 안에 필수적인 네 개의 철 원자가 없다면 다른 1만 개의 원자는 제 기능을 발휘하지 못합니다. 그러므로 몸에 좋은 식품을 통해 철분을 충분히 섭취해야 합니다. 철분이 풍부히 함유된 몇 가지 식품이 우측에 나와 있습니다.

철분이 풍부한 음식을 먹는 것에 더해 이러한 제안을 따르도록 하십시오. 1. 정기적으로 적절한 운동을 한다. 2. 담배를 피우지 않는다. 3. 간접 흡연을 피한다. 담배 연기가 그토록 위험한 이유는 무엇입니까?

담배 연기에는 자동차 배기가스에 들어 있는 유해 성분인 일산화탄소가 다량으로 함유되어 있기 때문입니다. 일산화탄소는 예기치 않게 사람의 목숨을 앗아 가며 자살할 때 사용되기도 합니다. 일산화탄소는 산소보다 200배 이상 빠른 속도로 헤모글로빈의 철 원자와 결합합니다. 따라서 담배 연기는 산소 공급을 방해하여 단시간에 좋지 않은 영향을 미칩니다.

[표]

식품 양 철분(mg)

당밀 1테이블스푼 5.0

두부 1/2컵 4.0

렌즈콩 1/2컵 3.3

목정 85그램 3.2

감자 1개(큰 것) 3.2

건 복숭아 2.5개 2.6

강낭콩 1/2컵 2.6

엿기름 28그램(1/4컵) 2.6

브로콜리 1개(중간 크기) 2.1

건포도 1/2컵 1.6

닭고기(다리 부분) 85그램 1.0

[26면 도해와 삽화]

(온전한 형태의 본문을 보기 원한다면, 출판물을 참조하십시오)

단백질 구조

산소

철 원자

헴

헤모글로빈은 산소가 풍부한 폐에서 산소 분자와 결합합니다

헤모글로빈은 첫 산소 원자와 결합한 뒤에 모양이 약간 달라지며, 그로 인해 또 다른 산소 분자 세 개와 신속히 결합하게 됩니다

헤모글로빈은 폐에서 체내의 필요한 부분으로 산소를 운반합니다