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후각의 메카니즘 : 형태설

후각 : 인식기작
- 후각메카니즘 : 형태설, 약의 형태
- 후각메카니즘 : 진동설

분자 형태의 인식
- 효소 특이성
- 약의 인식
- 일부 : 후각의 인식기작


공기 중에 떠다니던 화학물질들이 인간의 들숨을 타고 코 안으로 들어오면 후각 수용체에 달라붙게 됩니다. 이때 화학물질과 수용체 사이는 마치 열쇠와 자물쇠 구조와 같아서 어떤 화학물질이 어떤 수용체에 달라붙을지는 그 화학물질과 수용체의 구조(예를 들어 ★ 모양의 화학물질은 ☆모양의 구멍이 뚫린 수용체에만 달라붙을 수 있다고 생각하면 됩니다)에 달려있습니다.    이렇게 하나의 화학물질이 특정한 수용체에 달라붙게 되면, 후각수용체는 활성화되어 후구(olfactory bulb)에 신호를 전달하게 됩니다. 후기는 대뇌의 앞쪽 아랫부분에 위치하는 납작한 타원체 모양의 기관입니다. 인간의 경우 길이 약 11mm 정도로 전체 뇌에서 차지하는 부분이 매우 적지만, 쥐 등의 하등동물의 경우 이 후구 부분이 상당히 발달해 있답니다. 이 후구는 여러 개의 층상구조로 되어 있는데, 후각 수용체에서 온 신호는 후구의 사구체(glomerulus)부분으로 모여서 다시 대뇌로 전달됩니다. 그리고 대뇌에서 이 신호를 받아 냄새를 인식하고 어떤 냄새인지 구별하는 역할을 하는 것이지요.  위의 두 박사는 이 과정의 매커니즘을 규명하고, 인간의 유전자를 조사해 인간에게는 약 1천여 개의 후각 유전자를 가지고 있어서, 1천 가지 종류의 후각 수용체를 만들 수 있다는 것을 밝혀냈던 것입니다. 그러나, 인간은 실제로는 이보다 더 많은(약 3천~1만 가지) 종류의 냄새를 인식할 수 있답니다.  그리하여, 인간의 후각 유전자는 1개가 2~3가지의 냄새를 맡을 수 있으며(예를 들면 □ 모양의 구멍 안에, ■ 모양 뿐 아니라, ▤, ▥, ▨ 모양도 들어갈 수 있다는 뜻입니다), 2~3개의 후각 유전자가 연합한 것은 또다른 냄새로 인식될 수도 있기 때문에 유전자의 종류보다 훨씬 더 많은 냄새를 인식할 수 있다는 것입니다. 리차드 액설 박사와 린다 벅 박사는 평생을 이 연구를 위해 바쳤으며, 삶의 질에 매우 중요한 역할을 하는 후각의 매커니즘을 밝혀 취맹(냄새를 맡지 못하는 사람)의 원인과 치료방법을 가능케 하는 역할을 했기 때문에 노벨상 위원회는 그들에게 기꺼이 노벨상의 영예를 안긴 것입니다.  





몸에 이물질이 되는 작은 분자를 인간의 몸에 주입하면 예방접종, 곧 그것에 대한 항체가 몸속에서 이루어 진다. 항체는 외래 분자에 달라붙어 그것이 해를 입히지 않도록 해준다. 그런데 그것에 어떻게 결합하는 것일까? 분자 내 원자 사이에서 볼 수 있는 것과 같은 강한 이전자 결합에 의한 것은 아니다. 대신 항체와 분자 사이의 상호점착이 일어나는 것으로, 이것은 본래의 결합을 결혼이라 한다면 이것과는 다른 일종의 바람 피우기이다. 점착이 일어나는 것은 분자가 점착성 있는 작은 부분을 가지고 있기 때문이다. 예를 들어 작은 분자 속에 있는 질소원자가 큰 분자의 OH기에 부착하는 경우도 있고, 두 벤젠고리가 싸여있는 접시처럼 서로 달라붙거나, 작은 분자의 플러스 전하가 큰 분자의 마이너스의 전하와 결합하는 경우도 있다. 어떤 경우에도 작용하고 있는 힘은 궁극적으로는 정전기력이지만 범위나 세기에서 서로 약간씩 다르다. 그래서 각각의 이들 힘은 거리와 방향에 따라 선호가 꽤 강하다. 정확히 꼭 맞게 향하고 있지 않으면 분자들은 결합하지 못한다. 그 작용은 자석과 매우 비슷하다. 즉 서로의 거리가 가깝고 또 방향이 적절한 경우에만 작용하는 자석이다. 그러므로 요약해 보면 분자 인식의 문제는 적절한 장소와 방향으로 정확히 배치된 자석을 열쇠와 열쇠 구멍 양쪽에 가지고 있는가의 문제이다. 적절히 달라붙은 자석이 많으면 많을수록 큰 분자와 작은 분자 사이에 작용하는 힘은 그만큼 강하게 된다 힘이 강하면 결합도 그만큼 튼튼해질 것이다. 튼튼한 결합이라는 것은 어떤 의미일까? 그 의미는 몇 가지가 있다. 우선 열쇠가 열쇠구멍에서 빠져버리지 않는다는 것을 의미한다. 앞에서 서술했듯이 열은 모든 것을 계속 흔들어 떨어지게 하려고 한다. 각각의 분자를 구성하는 각각의 원자들은 모든 방향으로 항상 움직이고 있고, 이웃과 충돌하고 있다. 실온이나 체온에서 그 요동은 분자 내의 결합을 깰 정도로 충분히 강하지는 않지만 두 개의 분자를 연결해 주고 있는 자석을 흔들어 주어 확실히 느슨하게 만들 것이다. 떨어진 분자들은 열 운동에 의해 점착성이 있는 부분끼리 다시 가까워지면 또 다시 달라붙으려고 한다. 그래서 잠시 동안의 간격을 두고 붙고 또다시 떨어지기를 반복한다. 몇 개의 자석이 함께 작용하여 열쇠가 열쇠 구멍에 달라붙어 있다면 분리될 빈도는 당연히 낮아지게 된다. 왜냐하면 열쇠가 흔들려서 떨어지기 위해서는 적어도 복수개의 자석이 동시에 떨어지지 않으면 안되기 때문이다. 이것은 열쇠가 열쇠구멍에 붙어 있는 시간의 비율이 크게 되고, 열쇠구멍을 찾아 방황하는 시간이 더 짧게 된다는 것을 의미한다.
결함이 지나치게 견고한 것은 좋지 않다. 달라붙은 물질이 결코 떨어지지 않으려고 한다는 것을 의미하기 때문이다. 비오틴이라는 비타민은 계란 흰자에 있는 아비딘이라는 단백질 열쇠구멍에 정확히 꼭 들어맞는 열쇠이다. 비오틴과 아비딘은 아주 완벽하게 맞고 모든 자석이 아주 잘 정렬되어 있기 때문에 아비딘 열쇠구멍으로부터 열쇠인 비오틴이 떨어져 나오는 것은 실온에서 평균적으로 19년에 한번밖에 안 된다. 그러므로 메신저로써의 역할도 하지 못하고 맛과 냄새의 분자로써도 중요하지 않다. 만일 비오틴의 단(Sweet)분자이고, 혀 위에 있는 단맛 수용체가 아비딘이라면 어떻게 될지 상상해 보자. 비오틴을 약간 맛본 것 때문에 정년퇴직 할 때까지 밤낮으로 계속해서 단맛을 맛보게 될 것이다.

작용약과 결항약의 핵심은 아주 비슷한 분자지만 다른 작용을 한다는 것이다. 작용약과 결항약이 아주 비슷한 이유는 On 수용체와 Off 수용체의 구조가 조금밖에 다르지 않기 때문이다 .최고의 만족감을 보여 주기 위해서 한쪽 눈썹을 치켜 올리는 로져 무어처럼, 수용체는 완전히 On으로 되었을 때는 거의 움직이지 않는다. 약물이 결합하는 부위도 한 상태로부터 다른 상태로 될 때 거의 움직이지 않고, 그러므로 각각에 특징적 내지는 선택적으로 결합하는 약물도 형태가 서로 비슷하다. 의약화학에서는 둘 중의 한 상태에 꼭 맞는 분자 형태를 만든다. 오랜 기간 동안 그것은 경험적으로 되어 온 것이지만, 현재에는 수용체에 관한 지식이 증가함에 따라 신약을 디자인하는데 확실히 논리적인 방법이 취해지고 있다.
경험적인 접근법에 의해 얻어진 On-Off쌍의 전형적인 예는 베타 아드레날린 작용약인 이소프로테레놀과 그것의 결항약인 디클로로 유도체인 디클로로이소프로테레놀이다. 분자를 둘러싸는 매끄러운 전자구름의 경계만을 그려놓았는데 정면에 있는 호박형태 같은 것은 벤젠고리로 왼쪽 분자에서는 4시 방향과 6시 방향 위치에 두 개의 OH기가 붙어 있고, 오른 쪽 분자에서는 그 OH기가 염소로 치환되어 있다. 이 예에서 눈에 띄는 것은 다른 많은 경우와 마찬 가지로 강한 작용약과 강한 차단제 사이에는 구조가 약간 다르다는 차이밖에 없다는 것이다. 냄새의 화학에서의 연구도 약물에서만큼이나 분자 주제의 변주곡을 끊임없이 만드는 것에 초점을 두는 경향이 있다. 예를 들어 베타-산탈롤의 골격구조는 보다 달고 크리미하고 더 강력한 샌달우드 향료를 찾아 수천 번의 화학적 외과수술을 해왔다. 이것을 위해 화학자들은 수많은 시간과 노력을 투입하였고, 수십종의 훌륭한 발견이 샌달우드의 향료 원료로써 제품화되었다. 그러나 샌달우드의 안타고니스트는 한번도 발견되지 않았다. 즉 샌달우드와 유사하고 그 자체가 거의, 또는 전혀 냄새를 내지 않고, 다른 샌달우드가 냄새를 내는 것을 방해하는 분자를 만들어낸 화학자는 아직까지 아무도 없다. 덧붙여 말하면 이것은 모든 냄새의 카테고리에 있어서 사실이다. 향료화학이 시작된 지 150년이 지났지만 아직까지 냄새의 수용체를 차단하는 것은 단 한 개도 만들어 지지 않았다.