육안으로 보이지도 않고 느낄 수도 없지만, 인체 에너지의 40% 정도가 아주 작은 나트륨-칼륨 펌프(sodium-potassium pump)가 필요로 하는 에너지 공급에 쓰인다. 이 펌프는 동물 그리고 동물의 각각의 세포 모두에서 지속적으로 작동된다. 이 펌프는 흡사 작은 배터리처럼 작동하여 나트륨 균형을 유지하는 데, 이 균형은 근육과 신경의 작동의 유지에 있어 핵심이 된다.

나트륨-칼륨 펌프는 일정한 주기로 나트륨은 세포 밖으로, 칼륨은 세포 안으로 수송한다. 이 과정 동안 펌프의 구조가 변한다. 이 펌프가 나트륨 결합과 칼륨 결합 형태를 존재한다는 것은 잘 확립되어 있으나, 이 두 형태 간의 구조적 차이는 수수께끼로 남아있었으며, 이 두 형태를 구별하기 위한 연구가 지속되어왔다.

<펌프의 구조로 의문이 해결>
그런데, 도쿄대학교와 오르후츠대학교의 공동 연구로 이 펌프에 나트륨이 결합된 유형의 구조가 기술되었다. 사상 처음으로, 이들 나트륨이온이 0.28나노미터의 높은 해상도에서 연구되었으며, 나트륨 이온이 실제로 보이고, 펌프의 어느 곳에 결합되어 있는지도 관찰되었다. 토요시마 (Chikashi Toyoshima) 교수 팀은 2000년 칼륨 펌프의 구조를 처음으로 기술했고, 2007년과 2009년 오르후스대학교와 토요시마 (Chikashi Toyoshima) 교수 팀이 나트륨-칼륨 펌프(sodium-potassium pump) 중 칼륨 결합 형에 대해 기술했다.

이번의 새로운 단백질 구조는 더 작은 나트륨 이온이 어떻게 결합되고, 그 후 세포 밖으로 수송되고, 한편 약간 더 큰 칼륨 이온의 결합은 차단되는지를 보여준다. 드디어, 이 펌프가 나트륨과 칼륨을 분자수준에서 어떻게 구별하는지가 이해된 것이다. 이 결과는 이온 펌프 분야에서의 커다란 진전이며, 한 유형의 파킨슨 증후군 그리고, 나트륨 결합에서 결함으로 인해 어린 시기에 나타나는 교대성 편마비(alternating hemiplegia)과 같이, 이 나트륨-칼륨 펌프의 돌연변이와 관련된 심각한 신경학적 상황을 이해하고 치료하는 데도 도움이 될 수 있다고 한다.

< 노벨상 수상자의 감탄>
이 생명의 펌프는 1957년 스코우(Jens Christian Skou) 교수가 발견한 것으로, 그는 이 발견으로 1997년 노벨상을 받았다. 그리고 이번 발견은 세포에서 이 핵심적인 모터가 작동되는 메커니즘을 목표로 한 5~6십년 동안의 연구의 정점인 것이다. 스코우 교수는 수년 전, 이 효소에 대한 최초의 전자 현미경 이미지가 25만 배 확대도로 얻어졌을 때, 이 효소의 구조의 규명이 가능하기는 한 걸까 생각했다고 한다. 이 펌프는 칼륨은 세포 안으로, 나트륨은 밖으로 수송하는 것으로, 펌프는 두 이온을 구별할 수 있어야 하는 것이다. 하지만, 이번 연구결과로 그것이 어떻게 가능한가에 대한 의문이 풀린 것이라고 한다.

이번 연구로 이 펌프가 나트륨을 알아보는 구조가 이해되었으며, 이 결과는 이 펌프가 작동하는 방법을 더 세밀하게 이해하는 초석이 될 것이라고 한다. 이번 연구 성과는 꿈도 꾸지 못했던 감동적인 성과라는 것이 노벨상 수상자인 스코우 박사의 결론이다.

 

출처 : KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-10-10