[1975 노벨화학상] 존 콘포스 & 블라디미르 프렐로그 : 분자의 왼쪽과 오른쪽, '입체화학'의 비밀을 풀다

 

 

✋ 거울 속의 나는 나와 겹쳐지지 않는다

 

여러분의 왼손을 거울에 비춰보세요. 거울 속에는 오른손이 보입니다. 왼손과 오른손은 얼핏 보면 똑같이 생겼지만, 장갑을 끼워보면 압니다. 왼손 장갑은 절대로 오른손에 들어가지 않습니다. 아무리 돌리고 겹쳐봐도 둘은 포개지지 않습니다.

이것을 '카이랄성(Chirality, 손대칭성)' 이라고 합니다. 놀랍게도 눈에 보이지 않는 분자의 세계에도 이런 '왼손잡이 분자' 와 '오른손잡이 분자' 가 존재합니다.

화학식(재료)은 똑같은데, 입체적인 모양만 거울상처럼 반대인 이들을 '거울상 이성질체' 라고 합니다. 문제는 우리 몸속의 효소들이 지독한 편식쟁이라는 점입니다. 효소는 자기 손에 맞는(입체 구조가 맞는) 분자만 골라잡습니다. 왼손잡이 효소에게 오른손잡이 분자를 주면? 아예 반응하지 않거나, 엉뚱한 독성 물질을 만들어냅니다.

오늘 소개할 1975년 노벨 화학상 수상자들은 이 미묘하고도 중요한 '입체화학(Stereochemistry)' 의 세계를 정복한 두 명의 마법사입니다.

듣지 못하는 침묵의 세계 속에서 효소의 입체적인 손놀림을 간파해 낸 호주의 천재 존 콘포스(John W. Cornforth). 그리고 복잡한 분자의 입체 구조를 명명하는 규칙을 만들어 화학의 지도를 완성한 스위스의 거장 블라디미르 프렐로그(Vladimir Prelog).

생명의 정교한 3차원 퍼즐을 맞춘 그들의 이야기를 시작합니다.

 

📜 존 콘포스 : 효소는 왼쪽과 오른쪽을 안다

 

존 콘포스는 10대 시절부터 청력을 잃기 시작해, 20대에는 완전히 소리를 듣지 못하게 되었습니다. 하지만 그는 "화학은 눈으로 하는 학문이다"라며 좌절하지 않았습니다. 그는 아내이자 동료인 리타의 입술을 읽으며(독순술) 소통했고, 누구보다 깊은 집중력으로 연구에 몰두했습니다.

그의 관심사는 '효소(Enzyme)' 였습니다. 효소는 레고 조립의 달인입니다. 아주 작은 부품(아세트산)들을 조립해서 거대한 구조물(콜레스테롤)을 뚝딱 만들어냅니다. 콘포스는 궁금했습니다. "효소가 부품을 끼울 때, 앞에서 끼울까 뒤에서 끼울까? 왼쪽으로 돌릴까 오른쪽으로 돌릴까?"

이것은 너무나 미세해서 알 방법이 없어 보였습니다. 수소 원자(H)는 구분이 안 가니까요. 여기서 콘포스는 기막힌 아이디어를 냅니다.

🏷️ 수소 삼형제 작전

그는 무게가 다른 수소 동위원소 3가지를 모두 사용했습니다.

1. 일반 수소 (H, 질량 1)
2. 중수소 (D, 질량 2)
3. 삼중수소 (T, 질량 3)

그는 아세트산의 메틸기(-CH3)에 있는 수소 3개를 각각 H, D, T로 바꿔치기해서 '비대칭 메틸기(Chiral Methyl Group)' 를 만들었습니다. 이렇게 하면 회전 방향을 추적할 수 있습니다.

그는 이 특수 제작된 아세트산을 효소에게 먹이고, 만들어지는 콜레스테롤을 분석했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 효소는 무작위로 갖다 붙이는 게 아니라, 매 단계마다 "이건 위에서, 저건 아래서, 요건 왼쪽으로" 라는 철저한 '입체 규칙(Stereospecificity)' 을 따르고 있었습니다.

"효소는 눈이 없지만, 분자의 왼쪽과 오른쪽을 완벽하게 구별한다."

콘포스는 소리를 듣지 못했지만, 효소가 분자를 조립하는 미세한 소리를 화학적으로 듣는 데 성공한 것입니다.

 

🧐 블라디미르 프렐로그 : 분자의 지도를 그리다

 

콘포스가 효소의 입체를 연구했다면, 블라디미르 프렐로그는 유기 분자 자체의 입체 구조를 체계화했습니다.

당시 화학계는 혼란스러웠습니다. 분자가 3차원으로 복잡하게 꼬여 있을 때, 이것을 글자로 어떻게 표현해야 할지 약속된 규칙이 없었기 때문입니다. "이쪽에 붙은 게 오른쪽이야, 왼쪽이야?" 사람마다 부르는 게 달랐습니다.

프렐로그는 영국의 칸(Cahn), 인골드(Ingold)와 함께 전 세계 화학자들이 공통으로 쓸 수 있는 '명명법' 을 만들었습니다.

이것이 바로 그 유명한 'CIP 규칙 (Cahn-Ingold-Prelog priority rules)' 입니다.

1. 원자 번호가 큰 놈이 우선순위가 높다. (I > Br > Cl > F > O > N > C > H)
2. 우선순위대로 번호를 매겨서 1→2→3 방향이 시계 방향이면 'R (Rectus, 오른쪽)'.
3. 반시계 방향이면 'S (Sinister, 왼쪽)'.

이 'R/S 명명법' 덕분에 화학자들은 아무리 복잡한 분자라도 "이건 R형이다, 저건 S형이다"라고 명확하게 소통할 수 있게 되었습니다. 이것은 현대 화학의 '표준어' 가 되었습니다.

프렐로그는 이 규칙을 이용해 항생제, 알칼로이드 등 수많은 복잡한 물질의 3차원 구조를 밝혀냈습니다.

 

⚡️ 탈리도마이드의 비극 : 입체화학의 중요성

 

이들의 연구가 왜 중요할까요? 바로 '안전' 때문입니다. 역사상 가장 끔찍한 약물 부작용 사건인 '탈리도마이드 비극(1950년대)' 이 바로 이 입체화학을 무시해서 발생했습니다.

임산부 입덧 방지제였던 탈리도마이드는 두 가지 거울상 이성질체가 섞여 있었습니다.

• R형: 입덧을 진정시키는 약효가 있음.
• S형: 태아의 팔다리 형성을 방해하는 치명적인 독성이 있음. (기형아 유발)

당시 제약회사는 이 둘을 분리하지 않고 섞어서 팔았고, 그 결과 수만 명의 기형아가 태어났습니다. 이 사건 이후, 프렐로그와 콘포스가 정립한 입체화학은 의약품 개발의 '제1원칙' 이 되었습니다. 지금은 약을 만들 때 반드시 R형과 S형을 분리해서 독성을 테스트해야만 허가가 납니다.

 

🏆 노벨상 : 장애를 넘은 집념

 

1975년, 스웨덴 왕립과학원은 존 콘포스와 블라디미르 프렐로그에게 노벨 화학상을 수여합니다.

• 존 콘포스: 효소 촉매 반응의 입체화학적 연구. (1/2)
• 블라디미르 프렐로그: 유기 분자와 반응의 입체화학 연구. (1/2)

콘포스의 수상은 장애를 가진 과학자들에게 큰 희망이 되었습니다. 그는 수상 소감에서 이렇게 말했습니다.

"화학은 청각이 아니라 지적 능력으로 하는 것입니다. 아내 리타가 내 귀가 되어주었기에 가능했습니다."

그의 아내 리타 콘포스 역시 훌륭한 화학자였으며, 남편의 평생 연구 파트너이자 통역사였습니다. (사실상 공동 수상이나 다름없다는 평을 듣습니다.)

 

📚 TMI : 유머러스한 화학자들

 

1. 프렐로그의 129명 제자

프렐로그는 스위스 취리히 연방 공대(ETH)에서 루지치카(1939년 수상자)의 뒤를 이어 교수가 되었습니다. 그는 유머 감각이 뛰어나고 인품이 훌륭해서, 전 세계에서 몰려든 129명의 제자를 박사로 키워냈습니다. 그는 "내가 발견한 최고의 화합물은 바로 내 제자들"이라고 말하곤 했습니다.

2. 콘포스의 테니스 실력

콘포스는 듣지는 못했지만 운동 신경이 뛰어났습니다. 그는 테니스 선수 수준의 실력을 갖추고 있었고, 체스도 아주 잘 두었습니다. 그의 집중력은 연구실뿐만 아니라 코트 위에서도 빛을 발했습니다.

3. 냄새를 맡지 못한 화학자?

화학자들은 보통 냄새로 물질을 구별하곤 하는데, 콘포스는 냄새를 잘 맡지 못했다고 합니다. 대신 그는 물질의 결정을 보거나 녹는점을 측정하는 등 다른 감각과 데이터를 200% 활용했습니다.

 

🌏 맺음말 : 비대칭의 미학

 

존 콘포스와 블라디미르 프렐로그는 우리에게 "자연은 비대칭을 사랑한다" 는 사실을 알려주었습니다.

우리 몸의 단백질은 모두 'L-형(왼손잡이)' 아미노산으로만 되어 있고, DNA의 당은 모두 'D-형(오른손잡이)'으로만 되어 있습니다. 생명은 이 엄격한 '편애(비대칭)' 를 통해 질서를 유지하고 효율을 극대화합니다.

그들이 밝혀낸 왼쪽과 오른쪽의 미세한 차이 속에, 생명의 탄생과 죽음, 약과 독의 갈림길이 숨어 있었습니다.