냄새와 맛의 화학

1991년 봄, 뉴욕 컬럼비아 대학교 해머 보건과학센터의 위층에서 두 연구자가 젤을 들여다보고 있었다. 린다 벅과 리처드 액셀은 중합효소 연쇄반응의 기발한 변형을 수행했는데, 축퇴 프라이머(여러 관련 유전자에 한꺼번에 결합할 수 있도록 서열에 약간의 여유를 일부러 넣어 만든 짧은 DNA 탐침)를 쥐의 비강 조직에서 얻은 상보적 DNA에 사용한 것이다. 그 젤에서 나온 것은 후각 수용체, 즉 동물이 냄새를 맡게 해 주는 단백질 기계 장치를 만드는, 그때까지 알려지지 않았던 거대한 유전자군의 첫 모습이었다. 바로 그 순간, 냄새의 화학은 막연한 수수께끼이기를 멈추고 분자생물학에서 다룰 수 있는 문제가 되었다.

이 글이 다루는 것은 바로 그 전환이다. 우리는 냄새, 맛, 시각, 그리고 고추가 주는 화끈함을 서로 별개이며 조금은 신비로운 경험으로 여기는 경향이 있지만, 그 각각의 밑바탕에는 잘 이해된 화학의 한 조각이 깔려 있다. 바로 분자 하나, 또는 빛의 입자 하나가 단백질을 만나 그 모양을 바꾸는 일이다. 이 글이 답하려는 질문은 분자로 이루어진 세계가 어떻게 뇌의 전기적 언어로 번역되는가, 그리고 왜 그 답이 결국 같은 이야기를 네 가지 다른 방식으로 들려주는 것에 지나지 않는가이다.

감각 수용체가 실제로 하는 일

당신의 모든 감각은 감각 수용체라 불리는 특정한 종류의 단백질에 의존한다. 감각 수용체는 물리적 또는 화학적 자극을 뉴런 내부의 전기 신호로 변환하는 단백질이다. 그 자극은 콧속으로 떠오르는 커피 향의 분자일 수도 있고, 혀에 내려앉은 나트륨 이온일 수도 있으며, 눈 뒤쪽에 부딪히는 빛의 입자 하나일 수도 있다. 입력이 무엇이든 수용체가 하는 일은 똑같으니, 곧 신경 세포막을 가로지르는 전압의 변화를 만들어 내는 것이다. 전압이야말로 신경계가 거래하는 유일한 화폐이기 때문이다.

화학을 읽는 수용체들(냄새, 맛, 그리고 캡사이신의 화끈함을 담당하는 것들)은 결합으로 작동한다. 리간드라 불리는 분자가 수용체의 주머니에 들어맞아, 어떤 분자적 만남이든 지배하는 평범한 분자간 힘, 곧 수소 결합과 반데르발스 인력을 통해 잠시 그곳에 달라붙는다. 시각은 결합이 아니라 광화학을 통해 빛을 읽으므로 약간 다르게 작동한다. 그러나 두 경우 모두 그다음 단계는 본질적으로 동일하다. 결합 사건, 또는 광자의 흡수는 단백질이 자신의 3차원 모양을 바꾸게 만드는데, 이 과정을 형태 변화라 부른다. 그 모양의 변화가 곧 스위치다. 어떤 수용체에서는 그 변화가 이온 통로를 직접 당겨 열어, 전하를 띤 입자들이 막을 가로질러 쏟아져 들어오게 한다. 다른 수용체에서는 그것이 G 단백질 연쇄반응이라 불리는 중계를 작동시키는데, 이는 처음의 미세한 신호를 세포가 무시할 수 없을 만큼 크게 증폭하는 분자 전령들의 사슬이다. 어느 쪽이든, 화학적 사건이 전기적 사건이 된 것이다.

후각과 조합 부호

벅과 액셀이 1991년에 한 발견은, 2004년에 그들에게 노벨 생리의학상을 안겨 주었는데, 그 규모 때문에 놀라웠다. 그들은 냄새 수용체 한두 개가 아니라 그 전체 유전자군을 발견했다. 사람에게서는 이 유전자 중 약 400개가 기능을 하며, 후각 수용체를 유전체에서 가장 큰 유전자군 중 하나로 만든다. 각각은 특정한 종류의 단백질, 곧 7회 막관통 G 단백질 연결 수용체를 부호화하는데, 이는 단백질 하나의 사슬이 세포막을 일곱 번 오가며 꿰뚫고 안쪽의 G 단백질을 통해 신호를 보낸다는 뜻이다.

수백 개의 수용체가 그토록 많은 일을 해낼 수 있는 이유가 여기 있다. 어떤 특정한 냄새 분자도 자기만의 전용 수용체를 갖지 않는다. 그 대신 각 냄새 물질은 수용체들의 어떤 조합을 활성화하여, 한 줌의 수용체를 켜는 한편 나머지는 조용하게 둔다. 어떤 냄새는 12번, 88번, 301번 수용체를 밝힐 수 있고, 또 다른 냄새는 12번, 88번, 412번을 밝힐 수 있다. 뇌는 어떤 단일 수용체를 "장미"나 "휘발유"를 뜻하는 것으로 읽지 않는다. 뇌는 전체 배열에 걸쳐 울리는 특정한 화음, 곧 전반적인 패턴을 읽는다. 이것을 조합 부호라 부르며, 이것이 그토록 강력한 이유가 바로 조합론이다. 가능한 조합의 수가 수용체의 수에 따라 폭발적으로 늘어나기 때문이다. 현재의 추정에 따르면 사람의 코는 약 400가지 수용체 유형만으로 1조 가지에 이르는 서로 다른 냄새를 구분할 수 있다. 이는 수십 개의 글자가 한 언어의 모든 단어를 적게 해 주는 것과 똑같은 묘기다.

한 장의 종이에 그려진 네 가지 화학

이 화학의 한구석이 주는 조용한 즐거움 중 하나는, 네 가지 다른 감각을 단 한 장의 그림 위에 나란히 펼쳐 놓을 수 있다는 점이다. 그것들이 하나의 주제를 변주한 것이기 때문이다. 비강 상피, 곧 콧속 높은 곳을 덮은 막에는 후각 수용체가 자리한다. 혀에는 T1R과 T2R이라는 전문 용어로 불리는 두 계열로 나뉘는 맛 수용체가 자리한다. 눈 뒤쪽의 망막에는 시각 색소가 자리하니, 간상세포의 로돕신과 색을 담당하는 원뿔 옵신이 그것이다. 그리고 입을 포함한 여러 조직에 걸쳐 분포한, TRPV1이라 불리는 통로가 자리하는데, 이는 캡사이신과 열에 반응한다.

네 곳의 위치, 네 부류의 단백질, 그러나 하나의 밑바탕 논리. 각각의 경우에 자극이 도착하고, 단백질이 모양을 바꾸며, 전류가 흐른다. 이 넷을 모두 시야에 두는 것은, 우리가 보통 감각을 배우는 방식, 곧 한 번에 하나씩 따로따로, 마치 냄새 맡기와 보기가 서로 아무 상관도 없다는 듯이 배우는 방식에 대한 유용한 교정이다. 화학적으로 보면 그것들은 서로 아주 큰 관련이 있다.

맛: 다섯 가지 기본 양식, 여러 가지 기제

맛은 냄새보다 더 소박하다. 후각이 수백 개의 수용체를 다루는 반면, 맛은 단지 다섯 가지 기본 양식, 곧 단맛, 짠맛, 신맛, 쓴맛, 감칠맛만을 인식한다. 그중 마지막인 감칠맛은 글루탐산의 구수하고 진한 국물 같은 맛이며, 이 목록에 가장 최근에 추가된 것이다. 일본의 화학자 이케다 기쿠나에가 1908년에 이를 분리하고 이름 붙였는데, 그는 일본 요리에 그토록 많은 풍미를 더하는 다시마 국물에서 그 책임 화합물을 밝혀냈다. 우마미는 그저 기분 좋은 구수한 맛을 뜻하는 일본어이며, 서양에서 온전히 받아들여지기까지는 거의 한 세기가 걸렸다.

맛이 좋은 교육 사례가 되는 이유는, 그 다섯 가지 양식이 모두 같은 기계 장치를 쓰지는 않는다는 데 있다. 단맛과 감칠맛은 T1R 계열의 수용체가 감지하는데, 이것은 냄새 수용체와 매우 비슷한 G 단백질 연결 수용체로서 설탕이나 글루탐산의 분자 전체를 감지한다. 쓴맛은 T2R 계열이 처리하는데, 이는 약 스물다섯 개의 G 단백질 연결 수용체로 이루어진 집합이며, 이 숫자는 진화적으로 이치에 맞는다. 쓴맛은 흔히 독성 식물 화합물의 신호이고, 여러 가지 독소를 감지하는 것이 이롭기 때문이다. 반면 신맛과 짠맛은 G 단백질 기계 장치를 완전히 건너뛰고 이온 통로를 통해 직접 작동한다. 신맛은 산성의 감지이며, 수소 이온, 곧 산을 규정하는 바로 그 이온에 반응하는 통로가 이를 감지한다. 짠맛은 ENaC라 불리는 유형의 나트륨 감응성 통로가 감지하는데, 이는 나트륨 이온이 풍부할 때 그저 그 이온을 안으로 들여보낸다. 두 GPCR 계열과 몇 개의 이온 통로, 이들이 함께 당신의 혀가 맛볼 수 있는 모든 것을 설명한다.

시각: 한 분자가 광자를 붙잡다

시각은 자극이 빛임에도 화학적 감각에 관한 논의에 속하는데, 본다는 것의 첫 사건이 생물학에서 가장 빠른 것 중 하나인 진정한 화학 반응이기 때문이다. 모든 간상세포와 원뿔세포 안에는 비타민 A에서 유래한 레티날이라는 작은 분자가 있으며, 이것은 옵신이라는 큰 단백질에 공유결합으로 묶여 있다. 정지 상태에서 레티날은 11-시스 배열이라 불리는 모양으로 구부러져 있다. 광자가 그것에 부딪히면 분자는 그 에너지를 흡수하고 곧게 펴져, 전체-트랜스 배열로 탁 하고 넘어간다. 이것은 이성질화, 곧 원자에는 아무런 변화 없이 분자의 기하 구조가 바뀌는 일이며, 놀라운 속도로 약 200펨토초 만에 일어난다. 여기서 1펨토초는 10억분의 1초의 다시 100만분의 1이다.

분자가 그렇게 살짝 튕기는 것이 시각의 전체 방아쇠다. 레티날의 모양 변화는 그것을 둘러싼 옵신 단백질의 변화를 강제하고, 이는 G 단백질 연쇄반응을 작동시키는데, 이 경우에는 세포를 과분극시켜 그 전압을 음의 방향으로 밀어내고, 그렇게 빛이 도착했음을 알린다. 색각은 세 가지 형태의 원뿔 옵신을 갖는 데서 나오는데, 각각은 서로 다른 파장에서 가장 강하게 흡수하도록 조율되어 있으며, 그 정점은 약 420, 530, 560나노미터로, 대략 파랑, 초록, 빨강 빛에 해당한다. 생화학자 조지 월드는 1933년 망막에서 비타민 A를 발견한 때부터 1960년대에 이르기까지 오랜 경력에 걸쳐 이 화학을 밝혀냈고, 그 공로로 1967년 노벨상을 받았다.

매운맛이 곧 열일 때: 캡사이신과 TRPV1

이제 사실은 감각이 아닌 감각의 차례다. 고추를 베어 물 때 느끼는 화끈함은 결코 맛이 아니다. 혀의 다섯 가지 양식 가운데 "매운맛" 수용체는 없다. 그 책임 분자인 캡사이신은 그 대신 TRPV1이라 불리는 통로를 활성화하는데, 이는 비선택적 양이온 통로(단 한 가지만 골라내는 대신 여러 양이온을 통과시키는 통로)로서, 생리학자 데이비드 줄리어스가 1997년에 클로닝했고, 그 업적은 2021년 노벨상으로 인정받았다.

핵심을 드러내는 세부 사항은, 그 똑같은 통로를 또 무엇이 여는가이다. TRPV1은 무엇보다도 먼저 열 감지기다. 그것은 온도가 약 섭씨 43도 위로 오를 때 열리는데, 이는 정말로 뜨거운 것이 아프게 느껴지기 시작하는 바로 그 문턱 부근이다. 캡사이신은 이 통로에 달라붙어 평범한 체온에서도 열리도록 속여서 작동하므로, 당신의 뇌는 진짜 열과 통증에서 받았을 바로 그 신호를 받는다. 이것이 고추와 너무 뜨거운 커피 한 모금이 기묘하게 비슷하게 느껴질 수 있는 이유이며, 우리가 그 감각을 두 가지 의미 모두에서 "뜨겁다"라고 표현하는 이유다. 언어는 내내 옳았던 셈이니, 화학적으로 두 일을 모두 해내는 통로가 하나이기 때문이다.

한 세기에 걸친 풀이, 그리고 끈질긴 신화 하나

완전한 분자적 그림은 천천히, 우리가 감각 화학의 긴 20세기라 부를 만한 시간에 걸쳐 맞춰졌다. 이케다는 1908년에 감칠맛에 이름을 붙였다. 월드는 1933년에 망막에서 비타민 A를 발견했고 그 뒤 수십 년에 걸쳐 시각의 광화학을 풀어냈다. 벅과 액셀은 1991년에 후각 수용체군을 클로닝했다. 줄리어스는 1997년에 TRPV1을 클로닝했다. 그리고 T1R과 T2R 맛 수용체 계열은 2000년에서 2002년 사이에 밝혀져, 화학적 감각의 분자 명단을 불과 수십 년 전에야 완성했다.

한 가지 바로잡으며 끝내는 것이 좋겠다. 맛에 관해 가장 널리 가르쳐지는 "사실" 중 하나가 그냥 거짓이기 때문이다. 당신은 혀 지도, 곧 단맛은 혀끝에서, 짠맛은 앞쪽 가장자리를 따라, 신맛은 더 뒤에서, 쓴맛은 맨 뒤에서 감지된다고 주장하는 그림을 본 적이 있을 것이다. 그것은 교육상의 신화다. 그것은 자료가 빈약하고 잘못 읽히기 쉬웠던 1901년의 독일 연구에서 비롯되었고, 주로 심리학자 에드윈 보링의 1942년 오역 때문에 영어권 교과서에 퍼졌는데, 그는 잠정적인 지역적 차이를 단단한 구역으로 바꿔 버렸다. 실제로는 다섯 가지 기본 맛 모두 혀 전체에 걸쳐 감지될 수 있다. 솔직한 설명은 색칠된 지도보다 덜 깔끔하지만 옳으며, 그것을 받아들이는 일은 깔끔한 그림이 어떻게 그것을 죽였어야 할 증거보다 더 오래 살아남을 수 있는지를 보여 주는 작은 교훈이다.

핵심 요약

화학적 감각은 모두 하나의 논리로 작동한다. 자극이 단백질을 만나고, 단백질이 모양을 바꾸며, 전기 신호가 생기는 것이다. 이때 냄새, 단맛, 감칠맛, 쓴맛은 G 단백질 연결 수용체를 거쳐 가는 반면, 신맛, 짠맛, 그리고 캡사이신의 화끈함은 이온 통로를 통해 작동한다. 냄새는 그 대표작으로, 벅과 액셀이 1991년에 발견한(2004년 노벨상) 약 400개의 후각 수용체를 사용해, 냄새마다 수용체 하나가 아니라 조합 부호를 통해 약 1조 가지의 냄새를 구분한다. 맛은 다섯 가지 기본 양식, 곧 단맛, 짠맛, 신맛, 쓴맛, 감칠맛을 인식하며, 마지막인 감칠맛은 이케다가 1908년에 이름 붙였고, 이들은 T1R 계열과 약 스물다섯 개의 T2R 수용체 계열, 그리고 한 쌍의 이온 통로로 나뉘어 있다. 시각은 약 200펨토초 만에 일어나는 레티날의 11-시스에서 전체-트랜스로의 이성질화로 켜지는데, 이는 월드가 풀어냈으며(1967년 노벨상), 세 가지 원뿔 옵신이 약 420, 530, 560나노미터 부근에서 정점을 이룬다. 고추의 화끈함은 맛이 아니라, 열과 통증의 통로인 TRPV1(줄리어스가 1997년에 클로닝, 2021년 노벨상)이 정상적인 43도 문턱 아래에서 열리도록 속는 것이다. 그리고 익숙한 혀 지도는 1942년의 오역에서 태어난 신화인데, 모든 기본 맛은 혀 어디서나 감지될 수 있기 때문이다.