[1927 노벨화학상] 하인리히 오토 빌란트 : 담즙산의 구조를 풀어 스테로이드 화학의 문을 열다

1927년 12월, 스톡홀름.

하인리히 오토 빌란트가 노벨화학상 수상자로 발표되었을 때, 그것은 한 과학자의 수십 년에 걸친 인내와 집요함에 대한 보상이었습니다.

담즙산 — 이 이름을 들으면 많은 사람들이 의아해할 것입니다. 담즙? 그게 뭐가 그리 대단하다고 노벨상을?

그러나 담즙산의 구조를 밝히는 것은 단순히 소화를 돕는 물질의 화학식을 알아내는 것이 아니었습니다. 그것은 콜레스테롤, 비타민 D, 스테로이드 호르몬(테스토스테론, 에스트로겐, 코르티솔 등)이 모두 공유하는 기본 구조 — 스테로이드 고리계 — 의 비밀을 처음으로 풀어내는 작업이었습니다.

빌란트가 담즙산의 구조를 연구하면서 축적한 지식은, 이후 수십 년간 스테로이드 화학 전체의 발판이 되었습니다. 그의 연구 없이는 코르티손의 합성도, 경구 피임약의 개발도, 스테로이드 계열 약물의 발전도 훨씬 더 느렸을 것입니다.

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🏆 수상 이유 — 담즙산 구조 연구

 

 

 

"for his investigations of the constitution of the bile acids and related substances"

 

 

담즙산과 관련 물질의 구조에 관한 연구 — 이 수상 이유는 빌란트가 수십 년에 걸쳐 담즙산의 복잡한 고리 구조를 체계적으로 분석했음을 인정한 것입니다.

담즙산은 간에서 콜레스테롤로부터 합성되어, 담낭에 저장되었다가 소장으로 분비되는 물질입니다. 지방의 소화와 흡수를 돕는 역할을 합니다. 콜산, 데옥시콜산, 케노데옥시콜산 등 여러 종류가 있으며, 모두 스테로이드 고리계를 기본 구조로 가집니다.

빌란트는 1912년부터 담즙산 연구를 시작하여, 수많은 산화, 환원, 분해 실험을 통해 담즙산의 탄소 골격 구조를 단계적으로 밝혀냈습니다. 이 과정에서 그는 담즙산이 네 개의 고리(A, B, C, D 고리)가 융합된 스테로이드 구조를 가지고 있음을 최초로 확인했습니다.

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📜 포르츠하임의 화학자 — 빌란트의 생애

 

하인리히 오토 빌란트는 1877년 6월 4일, 독일 포르츠하임에서 태어났습니다.

아버지 테오도어 빌란트는 약학자였고, 삼촌도 화학자였습니다. 과학에 대한 관심이 집안의 분위기이기도 했습니다.

하이델베르크와 뮌헨 대학교에서 공부했고, 1901년 뮌헨 대학교에서 박사 학위를 취득했습니다. 지도 교수는 유명한 유기화학자 요하네스 티엘레였습니다.

박사 학위 후 뮌헨 공과대학에서 교수 생활을 시작했고, 1913년에는 프라이부르크 대학교로 옮겼다가 1917년에 뮌헨 공과대학으로 다시 돌아왔습니다. 1925년에는 뮌헨 대학교의 유기화학 교수가 되어 노벨상 수상 후에도 이 자리를 지켰습니다.

 

질소 산화물 연구에서 출발

 

빌란트의 초기 연구는 질소 화합물에 관한 것이었습니다. 그는 유기 질소 화합물, 특히 산화 질소 라디칼의 반응성에 관한 연구로 화학계에 처음 이름을 알렸습니다.

그러나 그의 과학적 경력을 결정짓게 된 것은 담즙산과의 만남이었습니다.

 

아돌프 빈다우스와의 경쟁과 협력

 

빌란트와 거의 같은 시기에 같은 분야를 연구한 화학자가 있었습니다. 바로 다음 해인 1928년 노벨화학상 수상자가 되는 아돌프 빈다우스입니다.

빌란트와 빈다우스는 각자 독립적으로 스테롤과 담즙산의 구조를 연구하면서, 때로는 경쟁하고 때로는 협력하는 관계였습니다. 두 사람의 연구 결과들이 서로를 보완하면서, 1920년대 말에는 스테로이드 고리계의 전체 구조가 서서히 모습을 드러냈습니다.

흥미롭게도 두 사람이 처음 제안한 구조에는 오류가 있었습니다. 1932년 X선 결정학 연구를 통해 스테로이드 고리계의 정확한 구조가 확정되었는데, 빌란트와 빈다우스의 초기 구조 제안과는 세부적인 면에서 달랐습니다. 그럼에도 불구하고 그들의 연구가 스테로이드 구조 이해의 토대를 마련했다는 공헌은 인정받습니다.

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⚗️ 담즙산 구조 분석 — 유기화학의 퍼즐 풀기

 

1900년대 초반, 유기 화합물의 구조 결정은 고도의 기술과 인내를 요구하는 작업이었습니다.

X선 결정학은 아직 걸음마 단계였고, 분광 분석 방법도 초보적이었습니다. 화학자들이 의존할 수 있는 것은 주로 화학 반응이었습니다 — 여러 가지 산화제, 환원제, 분해 시약을 이용해 화합물을 더 작은 조각들로 자르고, 그 조각들의 구조를 파악하여 원래 분자의 구조를 역추적하는 방법이었습니다.

 

담즙산의 복잡한 구조

 

담즙산은 24개의 탄소 원자와 여러 개의 수산기, 카복실기를 가진 복잡한 분자입니다. 대표적인 콜산의 분자식은 C₂₄H₄₀O₅입니다.

이 분자 속에는 네 개의 고리가 융합된 구조 — 이것이 스테로이드 고리계 — 가 있습니다. 이 고리들이 어떻게 연결되어 있는지, 수산기와 카복실기가 고리의 어느 위치에 붙어 있는지를 밝히는 것이 구조 결정의 핵심이었습니다.

 

체계적인 분해와 분석

 

빌란트는 담즙산을 다양한 방법으로 분해하면서 생성되는 조각들을 분석했습니다.

특히 그는 크롬산 산화 등의 방법으로 담즙산의 측사슬과 고리 부분을 단계적으로 제거하면서, 핵심 고리 구조에 무엇이 남는지를 확인했습니다.

수년간의 이 작업을 통해 빌란트는 담즙산이 콜레스테롤과 공통된 스테로이드 고리 골격을 가지고 있다는 것을 파악했습니다. 그리고 이 스테로이드 고리 구조는 여러 다른 생리 활성 물질들에서도 공통적으로 발견된다는 것도 알게 되었습니다.

 

담즙산과 콜레스테롤의 연결

 

빌란트의 가장 중요한 발견 중 하나는 담즙산이 콜레스테롤과 밀접하게 관련되어 있다는 것을 밝힌 것입니다.

콜레스테롤은 동물 세포막의 주요 성분이며, 담즙산의 전구체이기도 합니다. 간에서 콜레스테롤이 산화·분해되어 담즙산이 만들어집니다. 빌란트는 이 전환 경로를 화학적으로 추적하면서, 두 물질이 같은 스테로이드 고리 구조를 공유한다는 것을 확인했습니다.

이 발견은 이후 스테로이드 생화학의 기초가 되었습니다. 콜레스테롤, 담즙산, 비타민 D, 코르티솔, 테스토스테론, 에스트로겐 — 이 모든 물질들이 같은 스테로이드 고리 구조를 기반으로 만들어진다는 사실이 차례로 밝혀지면서, 스테로이드 호르몬 화학이라는 거대한 분야가 열렸습니다.

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🔬 나치 치하의 빌란트 — 양심을 지킨 화학자

 

빌란트의 생애에서 과학 못지않게 중요한 부분이 있습니다. 그것은 나치 독일 치하에서 그가 보여준 도덕적 용기입니다.

1933년 히틀러가 권력을 잡은 후, 나치는 유대인 과학자들을 대학에서 추방하기 시작했습니다. 뮌헨 대학교에서도 유대인 교수와 학생들이 쫓겨나는 일이 벌어졌습니다.

빌란트는 이에 강하게 저항했습니다. 그는 자신의 연구실을 유대인 연구자들의 피난처로 제공했고, 유대인 동료들을 공개적으로 지지했습니다.

특히 그는 유대인 화학자들이 발표한 논문에 공동저자로 이름을 올려, 그 연구가 게재되고 인정받을 수 있도록 도왔습니다. 나치 치하에서 유대인의 이름이 실린 논문은 외면당하거나 억압받을 수 있었기 때문입니다.

또한 훗날 노벨화학상(1967년)을 수상하는 게오르크 위티히가 유대인으로 몰릴 위기에 처했을 때, 빌란트가 그를 보호했다는 기록도 있습니다.

이런 행동은 당시 독일에서 매우 큰 개인적 위험을 감수하는 것이었습니다. 빌란트는 그 위험을 감수하면서 양심을 지켰습니다.

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🌍 스테로이드 화학의 현대적 의미

 

빌란트가 열어준 스테로이드 화학의 문 너머에는 엄청난 세계가 기다리고 있었습니다.

 

코르티손과 류마티스 관절염 치료

 

1950년 필립 헨치와 에드워드 켄들은 코르티손을 류마티스 관절염 치료에 사용하는 데 성공하여 노벨생리의학상을 수상했습니다.

코르티손은 스테로이드 호르몬입니다. 빌란트와 빈다우스의 스테로이드 구조 연구가 없었다면, 코르티손의 화학적 본질을 이해하고 합성하는 것은 불가능했을 것입니다.

 

경구 피임약

 

1960년에 미국 FDA가 최초의 경구 피임약을 승인했습니다. 이것도 스테로이드 호르몬의 화학적 이해와 합성 기술에 기반한 것입니다.

에스트로겐과 프로게스테론 — 이 스테로이드 호르몬들의 구조와 생합성 경로는 빌란트 이후의 스테로이드 화학 연구들이 차례로 밝혀낸 것입니다.

 

콜레스테롤과 심혈관 질환

 

오늘날 심혈관 질환의 주요 위험 인자로 알려진 콜레스테롤 — 그 구조와 대사 경로를 이해하는 것도 빌란트의 연구에서 출발했습니다.

스타틴 계열 약물(심바스타틴, 아토르바스타틴 등)은 콜레스테롤 합성 경로의 핵심 효소를 억제하여 혈중 콜레스테롤을 낮추는 약물입니다. 이 약물들의 설계는 콜레스테롤 생화학에 대한 깊은 이해 위에서 이루어졌습니다.

하인리히 오토 빌란트 — 그는 소화를 돕는 담즙이라는 소박한 출발점에서 시작하여, 생명 현상의 핵심 분자들을 아우르는 스테로이드 화학이라는 광대한 영토를 개척한 탐험가였습니다. 그리고 그 탐험의 길 위에서 과학적 업적뿐 아니라 도덕적 용기까지 보여준 과학자였습니다.

1957년 8월 5일, 빌란트는 뮌헨에서 80세의 나이로 세상을 떠났습니다. 담즙산에서 시작하여 스테로이드 세계를 열었던 그의 긴 여정이 끝났습니다.