[1970 노벨생리의학상] 줄리어스 액설로드, 버나드 카츠 경, 울프 폰 오일러 : 신경 전달 물질의 저장, 방출, 그리고 침묵

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🕰️ 신경 세포 간의 대화가 시작되기까지

 

뇌에는 약 860억 개의 뉴런이 있다. 이들은 서로 연결되어 거대한 정보 네트워크를 형성한다. 하지만 두 뉴런은 서로 직접 연결되어 있지 않다. 그 사이에는 시냅스 틈이라는 좁은 공간이 있다. 이 공간을 정보가 어떻게 건너가는가.

20세기 초, 화학적 전달이라는 개념이 등장했다. 1920년대 오토 뢰비가 개구리 심장 실험을 통해 신경이 화학 물질을 분비해 다른 기관에 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 그와 헨리 데일은 이 공로로 1936년 노벨상을 받았다. 하지만 이것은 단지 시작이었다. 신경 전달 물질이 어디에 저장되는지, 어떻게 방출되는지, 그리고 작용이 어떻게 끝나는지는 여전히 베일에 싸여 있었다.

1970년 노벨생리의학상은 이 세 가지 질문에 각각 답한 세 과학자에게 돌아갔다. 울프 폰 오일러는 무엇이 전달되는지를, 버나드 카츠 경은 어떻게 전달되는지를, 줄리어스 액설로드는 어떻게 그 작용이 끝나는지를 밝혔다. 이 세 개의 답이 합쳐지면서 시냅스 전달의 완전한 그림이 완성되었다.

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🖊️ 서로 다른 세 인생, 같은 목표

 

줄리어스 액설로드는 1912년 뉴욕 이스트 사이드에서 가난한 유대인 이민자 가정에서 태어났다. 의대에 진학하고 싶었지만 당시 많은 의과대학에 만연했던 반유대주의 입학 제한으로 뜻을 이루지 못했다. 뉴욕 대학교에서 학사 학위를, 이후 석사 학위를 받고 제약회사와 연구소에서 일했다. 정식 박사 학위 없이 연구자 경력을 쌓아가다 마흔이 넘어서야 조지 워싱턴 대학교에서 박사 학위를 취득했다. 늦은 출발이었지만 그의 연구는 이후 가장 중요한 발견 중 하나를 이끌어냈다.

버나드 카츠 경은 1911년 독일 라이프치히에서 태어났다. 유대인이었던 그는 나치 집권 후 1935년 영국으로 망명했다. 런던대학교 유니버시티 칼리지에서 생리학을 공부하며 당대 최고의 생리학자들과 함께 연구했다. 2차 세계대전 중에는 호주로 건너가 연구를 이어가다 전후에 런던으로 돌아와 생물물리학 교수로 자리를 잡았다. 정밀한 전기생리학 실험 기술과 뛰어난 이론적 통찰을 결합한 그의 연구 스타일은 신경근 접합부 연구에서 빛을 발했다.

울프 폰 오일러는 1905년 스웨덴 스톡홀름에서 태어났다. 아버지 한스 폰 오일러-켈핀이 1929년 노벨 화학상을 받은 과학자 가문 출신이다. 카롤린스카 연구소에서 의학을 공부하고 1930년에 박사 학위를 받았다. 이후 런던에서 헨리 데일과 함께 연구하며 신경 전달 물질에 대한 관심을 키웠다. 스웨덴으로 돌아온 후 그는 교감 신경계의 전달 물질을 밝히는 데 집중했다.

세 사람 모두 전쟁과 차별, 이동의 고난을 겪었다. 하지만 그것이 그들의 과학을 막지는 못했다.

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🔬 노르아드레날린: 교감 신경의 화학 언어

 

울프 폰 오일러의 가장 중요한 업적은 1946년에 이루어졌다. 그는 교감 신경에서 분비되는 전달 물질이 아드레날린(에피네프린)이 아니라 노르아드레날린(노르에피네프린)이라는 것을 밝혀냈다.

당시까지는 부신에서 분비되는 아드레날린이 교감 신경계의 주된 전달 물질로 여겨졌다. 하지만 폰 오일러는 정교한 생화학적 분석을 통해 교감 신경 말단에서 실제로 분비되는 물질이 아드레날린보다 구조가 약간 다른 노르아드레날린임을 증명했다. 아드레날린의 메틸기 하나가 없는 형태였다.

더 중요한 발견은 노르아드레날린이 신경 말단에 저장되어 있다가 신경 자극에 의해 방출된다는 것이었다. 폰 오일러는 교감 신경 조직에서 노르아드레날린이 소포 형태로 신경 말단에 농축되어 있음을 보여주었다. 이 소포들이 신호를 받으면 세포막과 융합하며 내용물을 시냅스 틈으로 쏟아낸다.

이 발견은 교감 신경계가 어떻게 심장 박동, 혈압, 소화관 운동, 스트레스 반응 등을 조절하는지 이해하는 분자적 기초를 제공했다. 오늘날 고혈압 치료에 쓰이는 베타 차단제, 스트레스 반응을 조절하는 약물들이 모두 이 발견에 기반한다.

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🔬 양자 방출: 카츠의 놀라운 발견

 

버나드 카츠는 신경근 접합부를 연구했다. 신경근 접합부는 운동 뉴런의 말단이 근육 세포와 만나는 지점이다. 여기서 뉴런이 아세틸콜린을 방출하면 근육이 수축한다.

카츠는 1950년대 초에 놀라운 관찰을 했다. 신경이 자극을 받지 않은 평상시에도 근육 세포에서 작은 전기적 변화들이 무작위적으로 나타났다. 이를 미세 종판 전위(Miniature End-Plate Potentials, MEPPs)라고 명명했다. 이 신호들은 모두 크기가 비슷했다. 마치 일정한 크기의 양동이로 물을 붓는 것처럼.

카츠의 해석은 통찰적이었다. 아세틸콜린이 일정한 수량의 묶음, 즉 양자(quanta) 단위로 자발적으로 방출되기 때문이라는 것이다. 각 양자는 하나의 소포 안에 들어 있는 수천 개의 아세틸콜린 분자에 해당한다. 소포 하나가 세포막과 융합하면 양자 하나가 방출된다. 그것이 MEPPs를 만든다.

신경 자극이 오면 수십에서 수백 개의 소포가 동시에 융합하며 훨씬 큰 신호가 만들어진다. 근육이 수축하기 충분한 신호다. 신경 전달 물질의 방출은 이진법이 아니었다. 양자의 수에 따라 신호의 강도가 조절되는 아날로그 시스템이었다.

카츠의 양자 방출 이론은 처음에는 논쟁적이었다. 소포의 존재 자체는 전자현미경이 발달하면서 시각적으로 확인되었다. 신경 말단에 무수히 많은 소포들이 쌓여 있는 모습은 카츠의 이론을 확증했다.

이 발견이 의미하는 바는 깊다. 뇌는 정보를 단순히 켜고 끄는 것이 아니라, 방출되는 양자의 수를 조절해 신호의 강도를 정밀하게 제어한다. 학습, 기억, 주의 집중 등 뇌의 고등 기능이 이 정밀한 조절에 의존한다.

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🔬 재흡수: 액설로드의 발견이 바꾼 약리학

 

줄리어스 액설로드는 신경 전달 물질이 방출된 후 어떻게 그 작용이 끝나는지를 연구했다. 당시에는 효소 분해가 주된 불활성화 방법이라고 생각했다. 분비된 신경 전달 물질이 MAO(모노아민 산화효소)나 COMT(카테콜-O-메틸전이효소) 같은 효소에 의해 분해된다는 것이었다. 액설로드는 이 효소들을 연구하는 과정에서 예상치 못한 것을 발견했다.

표지된 노르아드레날린을 주입하고 그것이 어떻게 사라지는지 추적했을 때, 효소 분해로 설명하기에는 너무 빠르게, 그리고 너무 효율적으로 신호가 꺼졌다. 액설로드는 방출된 노르아드레날린의 상당 부분이 분해되는 것이 아니라, 분비한 신경 말단으로 다시 능동적으로 흡수된다는 것을 발견했다. 재흡수(reuptake)였다.

이 재흡수 메커니즘은 단순한 청소 수단이 아니었다. 방출된 신경 전달 물질을 회수해 다시 소포에 저장함으로써, 다음 신호 전달을 위한 전달 물질을 재활용하는 효율적인 시스템이었다. 동시에 재흡수 속도가 조절됨으로써 시냅스 틈에서 전달 물질의 농도가 정밀하게 조절된다.

재흡수 메커니즘의 발견은 약리학에 혁명을 가져왔다. 만약 재흡수를 차단하면 시냅스 틈에 신경 전달 물질이 더 오래 남아 그 효과가 강화된다. 이 원리를 이용한 약물이 바로 재흡수 억제제다.

세로토닌의 재흡수를 차단하는 선택적 세로토닌 재흡수 억제제(SSRI)는 현재 가장 많이 처방되는 항우울제다. 프로작, 졸로프트, 렉사프로. 이름은 달라도 원리는 같다. 세로토닌이 시냅스 틈에 더 오래 머물게 함으로써 우울증의 생화학적 원인을 교정한다. 이 약물들의 작동 원리는 완전히 액설로드의 발견에 의존한다.

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🎬 논쟁과 이름 없는 기여

 

1970년 노벨상의 이면에는 수십 년에 걸친 논쟁과 인정받지 못한 기여들이 있다.

신경 전달이 화학적이냐 전기적이냐 하는 논쟁은 1930년대 뢰비와 데일의 발견 이후에도 쉽게 가라앉지 않았다. 전기 시냅스의 존재가 1950년대 후반에 확인되면서 논쟁은 더욱 복잡해졌다. 카츠의 양자 방출 이론도 처음에는 회의론에 부딪혔다. 하지만 전자현미경으로 시냅스 소포가 직접 확인되면서 이론은 검증되었다.

액설로드의 재흡수 발견 이면에는 아세타닐리드와 페나세틴의 대사 연구가 있었다. 진통제의 부작용을 연구하다 신경 전달 물질의 대사에 관심을 갖게 된 그의 독특한 연구 경로는, 예상치 못한 방향에서 혁명적 발견이 나올 수 있음을 보여준다.

도파민, 세로토닌, 가바 같은 다른 중요한 신경 전달 물질의 발견과 기능 규명에 기여한 수많은 과학자들의 노고도 이 시기에 쌓였다. 아르비드 칼손은 도파민 연구로 2000년에야 노벨상을 받았다. 1970년의 수상이 모든 것을 담을 수는 없었지만, 그들의 발견이 훗날 더 큰 그림의 조각이 되었다는 점은 과학의 누적적 특성을 보여준다.

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📱 정신 의학의 혁명, 그리고 일상의 약들

 

울프 폰 오일러, 버나드 카츠 경, 줄리어스 액설로드의 발견은 오늘날 수억 명의 삶에 직접 영향을 미치고 있다.

항우울제는 액설로드의 재흡수 연구 없이는 탄생하지 못했다. 우울증이 단순히 의지의 문제가 아니라 시냅스에서의 세로토닌이나 노르에피네프린 부족과 관련될 수 있다는 이해, 그리고 재흡수를 차단해 이를 교정할 수 있다는 통찰이 현대 항우울제의 기초다. 불안 장애, 강박증, 외상 후 스트레스 장애 치료에도 같은 원리가 적용된다.

파킨슨병 치료도 이 연구들과 긴밀히 연결된다. 도파민 뉴런의 손상이 파킨슨병의 핵심이라는 이해, 도파민의 전구체인 레보도파로 결핍을 보충한다는 전략. 이 모두가 신경 전달 물질의 저장, 방출, 불활성화 메커니즘에 대한 이해를 바탕으로 한다.

보톡스는 카츠의 양자 방출 연구와 직결된다. 보툴리눔 독소는 아세틸콜린이 담긴 소포의 융합을 차단해 방출을 막는다. 근육이 수축하지 못하게 하는 이 메커니즘이 미용 시술에서부터 편두통, 근육 경직 치료까지 다양하게 활용된다.

고혈압, 심부전 치료약들도 노르아드레날린 시스템을 표적으로 한다. 베타 차단제는 노르아드레날린 수용체를 차단해 심박수와 혈압을 낮춘다. 이는 폰 오일러의 발견이 임상으로 이어진 직접적 사례다.

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📝 시냅스의 대화가 말해주는 것

 

줄리어스 액설로드, 버나드 카츠 경, 울프 폰 오일러가 밝혀낸 것을 하나의 이야기로 엮으면 이렇다.

교감 신경 말단에는 노르아드레날린이 소포 안에 가득 저장되어 있다. 신경 자극이 오면 소포들이 세포막과 융합하며 노르아드레날린을 양자 단위로 방출한다. 방출된 노르아드레날린은 시냅스 후 세포의 수용체에 결합해 반응을 일으킨다. 그 후 일부는 COMT나 MAO에 의해 분해되고, 상당 부분은 재흡수 수송체를 통해 신경 말단으로 다시 흡수되어 소포에 재저장된다. 다음 자극을 위한 준비다.

이 순환이 전신의 수백억 개 시냅스에서 매 순간 반복된다. 우리가 발걸음을 내딛을 때, 음식을 소화할 때, 위험 앞에서 심장이 빠르게 뛸 때, 사랑하는 사람을 볼 때 느끼는 따뜻함까지. 모두 이 정교한 화학적 대화의 산물이다.

세 과학자는 이 대화의 세 가지 측면, 즉 무엇을 말하는가, 어떻게 전달되는가, 어떻게 끝나는가를 각각 밝혀냄으로써 뇌의 가장 기본적인 언어를 해독했다. 그것은 단순한 생화학 지식이 아니라, 우리가 느끼고 생각하고 움직이는 근본 원리를 이해하는 열쇠였다.