몸속 신호 분자 (신경전달물질·호르몬)
분자량 150~240 사이의 작은 분자가 신경세포 사이의 좁은 틈과 혈관을 건너 수용체 단백질 주머니에 열쇠처럼 꽂히면, 심장 박동·하루 주기·몸의 움직임 같은 반응이 시작됩니다. 원자 몇 개의 차이가 어떤 신호가 될지를 가르는 신경전달물질과 호르몬의 3D 세계입니다.
1. 열쇠와 자물쇠 — 작은 분자가 거대한 수용체를 여는 방법
도파민(C₈H₁₁NO₂)·세로토닌·아드레날린·멜라토닌은 모두 분자량 150~240 사이의 작은 분자입니다. 이 분자들은 직접 일을 하지 않고, 받는 쪽 세포 표면에 박힌 거대한 수용체 단백질의 오목한 주머니에 3차원 모양이 맞아떨어질 때에만 신호를 전합니다. 이 묶음 분자들이 꽂히는 수용체는 대부분 세포막을 일곱 번 꿰매듯 드나드는 ‘G 단백질 결합 수용체(GPCR)’ 가족이며, 노벨위원회는 사람 유전자 약 1,000개가 빛·맛·냄새와 아드레날린·도파민·세로토닌 등을 받는 이런 수용체를 만든다고 설명합니다. 분자가 주머니에 들어앉으면 수용체의 모양이 살짝 바뀌고, 그 변화가 세포 안쪽의 G 단백질로 전해지면서 반응이 시작됩니다.
2. 아미노산 두 개에서 갈라져 나온 신호 분자 가계도
이 네 분자는 단백질을 이루는 아미노산 두 가지에서 출발합니다. 타이로신의 고리에 하이드록시기(-OH)를 하나 더 붙이면 L-도파, 여기서 카복실기(-COOH)를 떼어 내면 도파민, 곁사슬 탄소에 -OH를 달면 노르아드레날린, 7번 질소(N)에 메틸기(-CH₃)를 붙이면 아드레날린이 됩니다. 트립토판에서는 세로토닌이 만들어지는데 몸속 세로토닌의 대부분은 뇌가 아니라 장에 있고, 뇌 속 송과샘에서 세로토닌에 아세틸기와 메틸기가 붙으면 어두워질 때 분비가 늘어 몸에 밤을 알리는 멜라토닌이 됩니다. 아드레날린의 곁사슬 탄소는 거울상 중심이라 몸은 (R)형 한쪽만 만들며, 이렇게 원자 몇 개와 입체 방향의 차이가 맞는 수용체를 바꿔 같은 집안 분자끼리도 전혀 다른 신호를 맡게 합니다.
3. 틈을 건너는 신경 신호, 피를 타는 호르몬
신경전달물질은 신경세포 끝에서 풀려나 폭이 수십 나노미터(nm)에 불과한 틈(시냅스)을 건너 바로 옆 세포에 신호를 전하고, 호르몬은 혈액을 타고 멀리 떨어진 세포까지 갑니다. 아드레날린은 부신에서 혈액으로 나오는 호르몬이면서 일부 신경세포의 신호 분자이기도 해, 심장을 빨리 뛰게 하고 간에 저장된 글리코겐을 포도당으로 풀어 쓰게 합니다. 과거에는 노르아드레날린을 만드는 중간 재료로만 여겨졌던 도파민이 그 자체로 뇌의 신호 분자라는 사실은 1950년대 후반 아르비드 칼손이 밝혀 2000년 노벨 생리의학상으로 이어졌습니다. 2011년 브라이언 코빌카 연구팀은 아드레날린 수용체가 호르몬을 받아 세포 안으로 신호를 넘기는 순간의 3D 구조를 찍어 냈고, 코빌카는 이듬해 로버트 레프코위츠와 함께 G 단백질 결합 수용체 연구로 노벨 화학상을 받았습니다.
‘몸속 신호 분자 (신경전달물질·호르몬)’ 대표 3D 분자 (4종)
도파민
벤젠 고리에 OH 두 개와 짧은 아민 꼬리를 단 원자 22개짜리 분자로, 뇌에서 보상·의욕·움직임 신호를 전하는 신경전달물질
세로토닌 (5-하이드록시트립타민)
혈청(serum)에서 혈관을 조이는(tone) 물질로 발견되어 붙은 이름 그대로, 뇌보다 장에 더 많이 들어 있는 인돌 고리 신호 분자
아드레날린 (에피네프린)
도파민에 OH 하나와 메틸기 하나를 더 붙인 ‘비상 모드’ 호르몬으로, 위기의 순간 심장을 빨리 뛰게 하고 혈당을 끌어올리는 분자
멜라토닌
세로토닌의 OH를 메톡시기로, 아미노기를 아세틸아마이드로 바꾼 ‘밤의 신호’로, 어두워지면 솔방울샘에서 흘러나와 몸에 밤을 알리는 분자
이 주제 묶음에서 함께 알아두면 좋은 심화 분자 이야기
아세틸콜린 (처음으로 정체가 밝혀진 신경전달물질) (Acetylcholine)
C₇H₁₆NO₂⁺ (146.21 g/mol)7번 질소(N)가 탄소 4개와 결합해 늘 양전하(+)를 띠는 작은 분자로, 운동신경 끝에서 풀려나 골격근에 ‘수축하라’는 신호를 전합니다. 1921년 오토 뢰비가 개구리 심장 실험으로 신경이 화학 물질을 내보내 신호를 전한다는 것을 보였고, 헨리 데일과 함께 1936년 노벨 생리의학상을 받았습니다. 신호를 마친 아세틸콜린은 아세틸콜린에스터레이스 효소가 1,000분의 1초 단위의 짧은 시간 안에 분해해 다음 신호를 준비합니다.
티록신 (아이오딘 4개를 품은 갑상샘 호르몬 · T4) (Thyroxine (T4))
C₁₅H₁₁I₄NO₄ (776.87 g/mol)아드레날린·도파민의 출발 재료와 같은 아미노산 타이로신 두 개에서 나온 고리 두 개가 8번 산소(O) 다리로 이어지고, 여기에 53번 아이오딘(I)이 모두 4개 붙은 호르몬입니다. 분자 무게의 약 3분의 2가 아이오딘이며, 목 앞쪽 갑상샘(갑상선)에서 만들어져 혈액을 타고 온몸 세포의 기초 대사 속도 조절에 관여합니다. 세포막 수용체에 꽂히는 이 묶음의 분자들과 달리 세포 안으로 들어가 핵 속 수용체에 작용하며, 1914년 미국의 에드워드 켄들이 갑상샘에서 결정으로 분리했습니다.
의약·영양 분자 서술 원칙: 몸속 역할만 교과서 수준으로 설명하고 복용·효능·치료·식단 조언은 쓰지 않음.