빛 한 개를 생물은 어떻게 감지할까? 로돕신과 광자의 관계

빛이 거의 없는 밤에도 우리는 희미한 물체를 볼 수 있습니다.

그런데 더 놀라운 사실이 있습니다. 척추동물의 눈에 있는 간상세포는 조건이 맞으면 광자 한 개가 로돕신 한 분자를 활성화했을 때 생기는 반응까지 감지할 수 있습니다. 실제로 단일 간상세포에서 단일 광자에 해당하는 전기적 반응이 측정됐습니다.

그렇다면 빛이라는 아주 작은 에너지 덩어리가 어떻게 전기 신호로 바뀌는 걸까요?

빛을 처음 받는 분자가 로돕신이다

어두운 환경에서 중요한 역할을 하는 것이 망막의 간상세포입니다.

이 세포 안에는 로돕신(rhodopsin)이라는 빛 감지 단백질이 들어 있습니다. 로돕신은 옵신이라는 단백질과 11-cis-retinal이라는 작은 빛 감지 분자가 결합한 구조입니다.

비유하면 로돕신은 빛을 기다리고 있는 아주 작은 스위치입니다.

광자 하나가 닿으면 모양이 바뀐다

광자가 로돕신에 흡수되면 가장 먼저 일어나는 일은 레티날의 구조 변화입니다.

11-cis-retinal이 매우 빠르게 all-trans-retinal 형태로 바뀝니다. 로돕신은 어둠에서는 안정적으로 꺼져 있지만, 이 변화가 일어나면 단백질의 구조까지 변하면서 활성 상태로 전환됩니다.

작은 열쇠 하나가 거대한 기계를 작동시키는 것과 비슷합니다.

작은 변화가 어떻게 큰 신호가 될까?

활성화된 로돕신은 트랜스듀신이라는 G단백질을 작동시키고, 이어 PDE6라는 효소가 활성화됩니다.

그러면 세포 안의 cGMP 농도가 감소하고, 평소 열려 있던 이온 통로가 닫힙니다. 결국 간상세포의 전기적 상태가 변하고 그 변화가 망막 신경회로를 통해 전달됩니다.

광자 하나의 에너지를 그대로 뇌에 보내는 게 아니라, 작은 신호를 생화학적 연쇄반응으로 증폭하는 셈입니다.

그렇다면 광자 한 개도 사람이 볼 수 있을까?

여기서는 표현을 조심해야 합니다.

간상세포 하나가 광자 하나에 반응할 수 있다는 것과 사람이 광자 하나를 의식적으로 본다는 것은 같은 의미가 아닙니다.

빛은 각막과 수정체를 지나며 일부가 사라지고, 망막 신경계에는 자체적인 잡음도 있습니다. 고전적인 인간 시각 실험에서는 최적의 암순응 조건에서 여러 간상세포에 흡수된 소수의 광자가 있어야 빛을 인식할 수 있는 것으로 나타났습니다.

생물의 눈은 양자 수준의 빛을 이용한다

로돕신의 놀라운 점은 우리가 매일 사용하는 시각이 결국 광자와 분자의 상호작용에서 시작된다는 사실입니다.

광자 하나가 레티날의 모양을 바꾸고, 그 변화가 단백질을 움직이고, 다시 전기 신호로 변해 뇌까지 전달됩니다.

밤하늘의 희미한 빛을 바라보는 순간에도 우리 눈 안에서는 양자 수준의 사건이 생물학적 신호로 바뀌고 있는 것입니다.