세포가 헴을 처리하는 방법. 생명에 필수적인 독! : 창조 설계-생명 [한국창조과학회 자료실]

미디어위원회

2023-07-23

세포가 헴을 처리하는 방법.

생명에 필수적인 독!

(How cells handle heme. A poison that’s vital to life!)

by Philip Bell

당신은 헤모글로빈(hemoglobin or haemoglobin)에 대해 배운 기억이 있을 것이다. 헤모글로빈은 적혈구에 색을 부여하는 색소 단백질(pigmented protein)이다. 헤모글로빈은 폐에서 산소(oxygen)를 흡수하여, 신체의 모든 세포로 운반하는 역할을 한다. 짧게 살펴보겠지만, 적혈구의 핵심 성분인 붉은 색소 헴(heme or haem)에 관한 최근의 발견은 진화론에 실질적인 문제를 제기하고 있다.

실제로 헴이 너무 많으면 세포에 독성을 일으키지만, 이것은 문자 그대로 지구상의 생명체에 필수적이다. 이는 인간뿐만 아니라, 거의 모든 동물과 식물, 심지어 박테리아, 효모, 곰팡이 같은 간단한 생물에게도 마찬가지이다. 따라서 헴을 생산하는 과정은 절대적으로 필수적인 생물학적 과정이지만, 엄격하게 통제되어야 한다.

실제로 헴이 너무 많으면, 세포에 독성을 일으키지만, 이것은 문자 그대로 지구상의 생명체에 필수적이다.

다목적 분자

생물에는 여러 가지 헴 분자의 변형(variations)들이 존재하지만, 기본 구조는 동일하다. 헴은 포르피린 고리(porphyrin ring)라고 불리는 사각형 모양의 구조에 철이 결합되어 있다.(그림 1 참조).

헤모글로빈은 헴과 그 철이 한 단백질 성분에 결합된, 여러 종류의 '헤모단백질(hemoprotein)' 중 하나이다. 따라서 이들 유형은 모두 '금속단백질(metalloproteins)'이라고 불려진다. 다른 유형의 금속단백질들은 구리, 아연, 코발트 등 다양한 금속들을 포함하며, 녹색 식물의 엽록소(chlorophyll)에는 마그네슘이 포함되어 있다. (엽록소는 광합성에 필수적이며, 여기서는 햇빛, 물, 이산화탄소로부터 고에너지 식품이 생성된다.)

그림 1. 철(Fe)을 둘러싼 고리 구조를 보여주는 헴 분자.

헴은 세포 내에서 다양한 조절 및 신호 전달 역할을 하는, 다용도 세포 장치(versatile cellular gizmo)라고 생각하면 된다. 헴은 헤모글로빈 내에서 중요한 역할을 하고 있을 뿐만 아니라, 다음과 같은 것들의 주요 구성 요소이다 :

∙ 다른 색소 단백질들(예: 근육에 붉은색을 부여하는 미오글로빈(myoglobin)).

∙ 다양한 퍼옥시다제 효소들(peroxidase enzymes).

∙ 세포의 주요 대사 경로에 관여하는 단백질인 시토크롬(cytochromes).

최근 연구에 따르면, 헴은 세포의 발전소인 미토콘드리아(mitochondria)의 활동을 조절하는 데도 도움이 된다는 것이다. 헴은 미토콘드리아 에너지 공장에서 만들어지는 ATP(adenosine triphosphate, 아데노신삼인산)의 양에 직접적인 영향을 미치는 것으로 보인다.[1] ATP는 생명체를 움직이는 '연료(fuel)'로서, ATP를 생성하는 일은 하나님의 경이로운 분자 모터들이 수행하는 놀라운 업적으로 잘 알려져 있다.[2]

주문형 공급

저명한 학술지인 미국국립과학원회보(PNAS) 지에 실린 최근 논문에서, 저자들은 이 재능 있지만 까다로운 헴 분자가 어떻게 생성되고, 필요한 때와 장소에 적절한 양으로 동원되는 지를 설명하고 있었다.[3] 헴이 너무 많으면 자유 라디칼(free radicals, 유리기, 자유기, 활성산소)이 생성되므로, 미세한 제어가 필수적이다. 이들 자유 라디칼은 수명은 짧지만, 반응성이 매우 강한 원자 또는 분자로서, 세포막, DNA 및 세포의 다른 부분을 손상시킨다. 자유 라디칼의 과부하를 방치하면, 암, 심장 및 혈관 질환, 모든 종류의 퇴행성 질환, 노화의 원인이 된다.[4]

자유 라디칼은 사실 일상적인 신진대사(metabolism)의 한 부산물이다. 하지만 담배 연기와 같은 환경 독소, 여러 발암물질, 방사선(예: 자외선)에 노출될 때도 발생한다. 따라서 이러한 자유 라디칼을 파괴할 수 있는, 다양하고 강력한 항산화 분자가 중요한데, 이를 ‘자유기 제거제(free radical scavengers)’라고 한다. 이들 중 일부는 체내에서 발견되며, 건강한 식단에도 많은 항산화 물질(antioxidants, 항산화제)이 포함되어 있다.[5]

흥미롭게도 연구자들은 세포의 어떤 구획에도 헴 분자가 한 번에 하나 이상 존재하지 않는다는 사실을 발견했다.[4] 헴은 필수적인 성분이지만, '다루기 힘든' 성질을 갖고 있다는 것이 알려져 있다. 그렇다면 세포는 수요 발생 시 즉시 공급할 수 있도록, 어떻게 충분한 양의 헴을 유지하는 것일까? 이러한 물질을 비축하는 것은 (자유 라디칼의 위험성 때문에) 위험하다. 따라서 답은 매우 간소화된 제조와 효율적인 분배 시스템을 결합하는 것일 것이다. 실제로 연구팀의 실험 결과는 아주 똑똑한 ‘완충‘ 시스템을 가리키고 있었다[6]. 즉, '자유(free, unbound)’ 상태(결합되지 않은)의 헴은 독성이 있기 때문에, 대부분의 이용 가능한 헴 분자는 특수한 '완충' 단백질에 약하게(가역적으로) 결합되어 있다가, 필요할 때 즉시 방출되고 있었다.

이번 PNAS 지의 연구에서 확인된 대로, 이것은 극소량의 자유 헴(free heme)을 설명하고 있다. 대신에 세포는 이 ‘변하기 쉬운 헴(labile heme)’(자유 헴으로 쉽게 변할 수 있는 '불안정한‘ 상태이기 때문에)의 저장소를 갖고 있었던 것이다. 이 논문의 저자들은 이것을 "교환 가능한 헴의 공급을, 즉 고도로 조절된 방식으로 필요한 헴의 공급을 가능하게 해준다“라고 말하고 있었다. 또한 "이러한 정교한 조절은 헴 의존적 신호전달 및 조절 메커니즘을 제공하여, 헴이 단일 분자 단계에서 단백질의 스위치를 켜서 별개로(discretely) 공급될 수 있게 해준다"라고 덧붙이고 있었다[3].

동력학적 설계

정말로 현명하다! 이것은 세포가 결코 단순하지 않다는 사실을 보여주는 또 하나의 증거인 것이다. 여기서 우리는 세포가 ’물류 전문가‘처럼 복잡한 시스템의 균형을 맞추는데 관여하고 있다는 것을 알 수 있다. 이 경우에서 절대적으로 필수적이지만, 잠재적으로 치명적일 수 있는 '물품'인 헴의 공급과 수요를 완벽하게 조절하고 있다는 것을 의미한다.

열렬한 무신론자들도 마음속으로 알고 있듯이, 이러한 훌륭한 시스템은 지적이고 목적을 가진 주체의 개입 없이는 발생하지 않는다는 것을 알고 있다.

연구자들이 "고도로 통제된", "정교한 제어“, "신호 및 조절"이라는 단어들을 사용하고 있다는 것에 주목해야 한다. 이러한 단어들은 바로 지적설계에서 사용되는 단어들이다. 물론이다! 가장 열렬한 무신론자들도 마음속으로 알고 있듯이, 이러한 훌륭한 시스템은 지적이고 목적을 가진 주체의 개입 없이는 결코 발생한 적이 없다. 예상대로, 그러한 시스템이 오작동하기 시작하면 (타락한 세상에서) 다양한 질병들이 불가피하게 발생한다.

어떻게 이러한 최상급의 제어가 진화론자들이 주장하는 것처럼, 아무런 지시도 없고, 계획이나 목적도 없는, 무작위적 과정을 통해 단계적으로 진화할 수 있었을까? 헴이 만들어지는 복잡한 화학적 경로에는 8개 이상의 효소적 단계들이 있으며, 그중 일부는 놀라운 미토콘드리아에서, 일부는 세포질 내에서 일어난다. 헴 생성은 결코 간단하지 않다![7]

그리고 헴은 사실상 모든 생명체에서 발견된다는 사실을 기억해야 한다. 세포 생명의 자연주의적 기원이 타당하려면, 진화론자들은 먼저 무작위 돌연변이를 통해서 이러한 단계가 어떻게 생겨날 수 있었는지를 시연해야 한다. 그리고 이러한 돌연변이가 '매우 초기'의 원시 세포 단계에서 발생했다고 믿어야 한다.[8]

이러한 완전히 공상적인 무신론적 진화 개념은 사실상 죽은 자연(lifeless nature)에서 기적을 기대하는 것과 다를 바 없다. 세포 내에서의 경이로운 수준의 복잡성을 갖고 있는 헴의 생성과 조절은, 우리가 창조주 하나님을 인정해야 한다는 것을 말해준다.

"그분은 우리가 측량할 수 없는 큰 일을 하시며, 우리가 헤아릴 수 없는 기이한 일을 하신다" (욥 5:9, 새번역).

References and notes

1. Li, Y. and 13 others, MFSD7C switches mitochondrial ATP synthesis to thermogenesis in response to heme, Nature Communications 11(1):7837, 24 Sep 2020.

2. Thomas, B., ATP synthase: majestic molecular machine made by a mastermind, Creation 31(4):21–23, 2009; creation.com/atp-synthase.

3. Leung, G.C.-H. and 6 others, Unravelling the mechanisms controlling heme supply and demand, PNAS 118(22):e2104008118, 1 Jun 2021.

4. Pham-Huy, L.A., and 2 others, Free radicals, antioxidants in disease and health, Int. J. Biomed. Sci. 4(2):89–96, 2008.

5. Examples of antioxidants in the body are glutathione and alpha lipoic acid, but many foods (fruits, vegetables, whole grains, nuts, herbs, spices, and more) plus drinks (e.g. green tea, herbal teas, fruit juice, etc.) are significant sources of antioxidants. Vitamin C is a well-known antioxidant.

6. In computing, a buffer is an area of temporary storage of data while it is being transferred from A to B, e.g. in print spooling.

7. Phillips, J.D., Heme biosynthesis and the porphyrias, Mol. Genet. Metab. 128(3):164–177, 22 Apr 2019.

8. “Designed for [a] purpose”—heme production defeats evolution, evolutionnews.org, 28 Jun 2021.

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