빛 한 개를 생물은 어떻게 감지할까?｜로돕신과 광자 하나가 전기신호가 되는 과정

밤에 방의 불을 모두 끄고 한동안 가만히 있어 보면 처음에는 아무것도 보이지 않던 공간에서 조금씩 물체의 윤곽이 보이기 시작합니다.

눈이 어둠에 적응하기 때문입니다.

그런데 우리 눈의 감도가 얼마나 높은지 끝까지 내려가 보면 꽤 놀라운 사실을 만나게 됩니다.

망막의 간상세포는 광자 하나가 로돕신 한 분자에 흡수되는 사건에도 측정 가능한 전기적 반응을 만들 수 있습니다.

광자 하나라니 조금 이상하게 느껴질 수 있습니다.

우리가 일상에서 보는 전등이나 햇빛에는 엄청난 수의 광자가 들어 있는데, 고작 빛 한 개가 어떻게 살아 있는 세포의 상태를 바꿀 수 있을까요?

답은 눈이 광자 하나를 그대로 뇌에 전달하기 때문이 아닙니다.

눈 안에는 아주 작은 빛 신호 하나를 여러 단계에 걸쳐 증폭하는 분자 장치가 있습니다.

그 시작점에 있는 것이 바로 로돕신(rhodopsin)입니다.

먼저 ‘빛 한 개’라는 말은 무슨 뜻일까?

빛은 파동처럼 행동하기도 하지만 에너지가 아주 작은 단위로 흡수되거나 방출되는 양자적 성질도 가지고 있습니다.

이 한 단위를 광자(photon)라고 부릅니다.

쉽게 말하면 빛을 계속 작게 나눴을 때 우리가 마음대로 반 토막 낼 수 있는 작은 공이 나온다는 뜻은 아니지만, 물질과 에너지를 주고받을 때는 특정한 양의 에너지 단위로 상호작용합니다.

광자가 가진 에너지는 파장에 따라 다릅니다.

짧은 파장의 빛은 광자 하나가 더 많은 에너지를 가지고 있고, 긴 파장의 빛은 상대적으로 적은 에너지를 가집니다.

그리고 눈이 빛을 감지한다는 것은 결국 이 광자의 에너지가 특정 분자에 흡수되는 것에서 시작합니다.

카메라로 비유하면 광자가 셔터를 누르는 손가락이고, 로돕신은 그 한 번의 클릭을 감지하는 센서라고 생각할 수 있습니다.

로돕신은 어떤 분자일까?

어두운 곳에서 특히 민감하게 작동하는 세포가 간상세포(rod cell)입니다.

간상세포의 바깥쪽 부분에는 수많은 막 구조가 겹겹이 쌓여 있고, 그 막에 엄청난 양의 로돕신이 들어 있습니다. 높은 로돕신 밀도와 간상세포의 독특한 구조는 지나가는 광자가 흡수될 확률을 높이는 데 중요한 역할을 합니다.

로돕신은 하나의 물질처럼 보이지만 실제로는 크게 두 부분으로 생각할 수 있습니다.

옵신(opsin)이라는 단백질과
11-cis-retinal이라는 작은 빛 흡수 분자가 결합돼 있습니다.

11-cis-retinal은 비타민 A와 관련된 분자입니다.

평소 어두운 상태에서는 이 분자가 특정한 휘어진 구조를 유지하고 있습니다.

그런데 광자 하나가 로돕신에 흡수되면 일이 시작됩니다.

11-cis-retinal이 all-trans-retinal 형태로 이성질화되면서 모양이 바뀝니다. 이 변화는 로돕신 전체의 구조 변화를 일으켜 활성 상태로 전환시키고, 이후 광신호전달 과정이 시작됩니다.

말이 어렵지만 지퍼로 생각하면 쉽습니다.

아주 작은 지퍼 손잡이를 한 번 당겼는데 그 변화가 옷 전체를 여는 시작점이 되는 것과 비슷합니다.

광자 하나가 직접 세포 전체를 움직이는 것이 아닙니다.

광자 하나가 아주 작은 분자 스위치 하나를 켜는 것입니다.

왜 11-cis-retinal의 모양 변화가 그렇게 중요할까?

분자에서 모양은 단순한 외형이 아닙니다.

단백질의 기능을 결정하는 중요한 요소입니다.

11-cis-retinal이 all-trans 형태로 바뀌면 로돕신 단백질의 구조도 연쇄적으로 변합니다.

여러 중간 상태를 거쳐 결국 메타로돕신 II(Meta II)라는 활성 상태가 만들어집니다.

이 활성 로돕신이 다음 단백질을 작동시키는 출발점입니다.

여기에서 생명체의 신호 전달 방식이 정말 재미있어집니다.

광자 하나는 끝났습니다.

이미 흡수됐으니까요.

그런데 광자의 역할이 사라진 뒤에도 로돕신이 켜져 있는 동안 다음 단백질 여러 개를 차례로 활성화할 수 있습니다.

그래서 작은 신호를 큰 신호로 바꿀 수 있습니다.

마치 성냥 한 개가 불꽃 자체는 작지만, 가스레인지의 불을 붙이면 훨씬 큰 불꽃으로 이어지는 것과 비슷합니다.

첫 번째 증폭: 트랜스듀신

활성화된 로돕신은 트랜스듀신(transducin)이라는 G단백질을 활성화합니다.

트랜스듀신은 평소에는 비활성 상태로 있다가 활성 로돕신을 만나면 GDP를 GTP로 바꾸면서 작동 상태가 됩니다.

중요한 것은 로돕신 하나가 트랜스듀신 하나만 켜고 끝나는 것이 아니라는 점입니다.

한동안 활성 상태를 유지하면서 여러 트랜스듀신을 활성화할 수 있습니다.

마우스 간상세포를 이용한 연구와 리뷰에서는 광자 하나로 활성화된 로돕신 한 분자가 짧은 수명 동안 여러 개의 트랜스듀신을 활성화하고, 그 결과 소수의 PDE 분자가 활성화돼도 단일 광자 반응을 만들 수 있다고 설명합니다. 정확한 숫자는 동물 종과 실험 조건에 따라 달라집니다.

그래서 여기서 중요한 것은

“로돕신 한 개가 수백 개를 무조건 켠다”

처럼 특정 숫자를 외우는 게 아닙니다.

핵심은

한 번의 광자 흡수가 G단백질 신호 전달을 통해 증폭된다

는 것입니다.

두 번째 단계: PDE6가 cGMP를 줄인다

활성화된 트랜스듀신은 다음으로 PDE6, 즉 phosphodiesterase 6라는 효소를 활성화합니다.

PDE6가 하는 중요한 일은 cGMP라는 분자를 분해하는 것입니다.

왜 cGMP가 중요할까요?

간상세포에서는 어두울 때 오히려 cGMP가 높은 상태로 유지됩니다.

cGMP는 세포막의 CNG 채널(cyclic nucleotide-gated channel)을 열어 두는 역할을 합니다.

그래서 어두울 때에는 양이온이 계속 세포 안으로 들어오는 상태가 유지됩니다.

이걸 흔히 암전류(dark current)라고 부릅니다.

이 부분은 처음 배우면 굉장히 헷갈립니다.

우리는 보통

“빛이 들어오면 세포가 켜지겠지.”

라고 생각하잖아요.

그런데 간상세포는 약간 반대로 움직입니다.

어두울 때 이온통로가 더 열려 있고, 빛을 받으면 통로가 닫힙니다.

활성화된 PDE6가 cGMP를 분해하면 세포 안의 cGMP 농도가 내려갑니다.

그러면 cGMP가 붙어 있어야 열리는 CNG 채널들이 닫히기 시작합니다. 이 결과 간상세포막은 과분극(hyperpolarization)됩니다.

즉 흐름을 한 줄로 쓰면 이렇습니다.

광자 → 로돕신 → 트랜스듀신 → PDE6 → cGMP 감소 → CNG 채널 닫힘 → 막전위 변화

빛 한 개가 결국 전기신호로 번역되는 과정입니다.

그런데 광자 하나가 정말 충분할까?

바로 이 부분이 놀랍습니다.

척추동물의 간상세포는 단일 광자 흡수 사건에 대해 측정 가능한 반응을 낼 수 있습니다. 이것을 single-photon response, 즉 단일 광자 반응이라고 합니다.

어떻게 가능할까요?

한 가지 이유는 앞에서 본 생화학적 증폭입니다.

로돕신 하나가 여러 트랜스듀신을 활성화하고,

활성화된 트랜스듀신은 PDE6를 작동시키고,

PDE6는 여러 cGMP 분자를 빠르게 분해합니다.

그 결과 하나의 광자 흡수 사건이 여러 이온통로의 상태 변화로 이어질 수 있습니다. 마우스 간상세포에서는 단일 활성 로돕신에서 시작된 신호가 수천 개 수준의 cGMP 가수분해로 이어질 수 있다는 정량적 분석도 있습니다.

이걸 회사 비상연락망에 비유할 수 있습니다.

사장 한 명이 직원 한 명에게 전화하고 끝나는 게 아니라,

한 명이 여러 명에게 연락하고,

그 사람들이 또 각자 담당 시스템을 움직이면,

처음 전화 한 통이 회사 전체 행동으로 확대됩니다.

광자 하나의 신호도 비슷합니다.

그런데 증폭만 크면 좋은 것 아닐까?

그렇지 않습니다.

너무 크게 증폭하면 오히려 문제가 생깁니다.

눈 안에는 빛이 없어도 분자들의 열운동 때문에 발생하는 잡음(noise)이 있습니다.

로돕신이 아주 드물게 자발적으로 활성화될 수도 있고, 다른 신호 전달 분자도 확률적으로 움직입니다.

만약 시스템이 모든 작은 잡음을 무조건 크게 증폭한다면,

완전히 깜깜한 방에서도 계속

“빛이다!”

라고 착각할 겁니다.

그래서 간상세포는 단순히 신호를 세게 키우는 것뿐 아니라 신호의 크기와 지속시간을 비교적 일정하게 만드는 조절 장치도 갖고 있습니다.

활성 로돕신은 일정 시간이 지나면 인산화되고 arrestin 같은 단백질이 결합하면서 비활성화됩니다. 트랜스듀신과 PDE6 역시 다시 꺼지고, guanylate cyclase가 cGMP를 다시 만들어 세포가 어두운 상태로 돌아가도록 합니다.

즉 우리 눈은 볼륨만 엄청 키운 마이크가 아닙니다.

작은 목소리를 키우면서 잡음도 관리하는 정교한 녹음장비에 더 가깝습니다.

그러면 사람은 광자 하나를 실제로 ‘볼’ 수 있을까?

여기서는 아주 중요한 구분을 해야 합니다.

간상세포 하나가 광자 하나에 반응할 수 있다

는 것과

사람이 광자 하나를 의식적으로 봤다고 느낀다

는 것은 같은 말이 아닙니다.

왜냐하면 광자가 눈에 들어왔다고 해서 반드시 로돕신에 흡수되는 것도 아니고,

망막에서 생긴 신호가 모두 뇌까지 살아남는 것도 아니기 때문입니다.

각막과 수정체를 지나고,

망막에서 여러 신경세포가 신호를 처리하고,

마지막에는 뇌가 그것을 실제 시각 경험으로 판단해야 합니다.

과거의 고전적인 실험에서는 완전히 어둠에 적응한 사람이 매우 적은 수의 광자만으로도 빛을 감지할 수 있다는 결과가 나왔습니다.

그리고 2016년 Nature Communications에 발표된 실험에서는 단일 광자 상태를 만들어 사람의 눈에 전달했을 때, 참가자들이 우연 수준보다 유의하게 높은 확률로 단일 광자의 존재를 보고할 수 있다는 결과가 발표됐습니다.

다만 이것을

“사람은 광자 하나를 언제나 볼 수 있다.”

라고 해석하면 안 됩니다.

실험에서도 단일 광자 검출은 확률적이었고, 광자가 망막의 적절한 곳에 도달해야 하며 눈과 뇌의 신호 처리 과정도 영향을 줍니다.

그래서 가장 정확하게 표현하면

인간의 시각 시스템은 특정 조건에서 단일 광자 수준의 빛에 반응할 정도로 극단적인 감도를 가질 수 있다

정도입니다.

왜 간상세포는 특히 어두운 곳에서 강할까?

우리 망막에는 크게 두 종류의 광수용세포가 있습니다.

간상세포(rod)와 원추세포(cone)입니다.

간상세포는 매우 낮은 빛에서 높은 감도를 보여 야간 시각에 중요합니다.

원추세포는 밝은 환경에서 작동하고, 색을 구별하며, 세밀한 시각 정보를 처리하는 데 중요합니다.

두 세포 모두 기본적인 광신호전달 원리는 비슷하지만 감도와 반응 특성이 다릅니다.

그래서 어두운 곳에서는 시간이 조금 지나야 눈이 적응합니다.

밝은 곳에서 활동하던 시각 시스템이 어두운 환경에 적합한 상태로 전환되는 데 시간이 필요하기 때문입니다.

한마디로 낮에는 고화질 카메라를 쓰다가 밤이 되면 초고감도 야간 카메라 모드로 전환하는 것과 비슷합니다.

로돕신은 한번 빛을 받으면 버려질까?

광자를 흡수한 로돕신은 그대로 즉시 원래 상태로 돌아가는 것이 아닙니다.

11-cis-retinal이 all-trans-retinal로 바뀐 뒤 로돕신에서 분리되고, 여러 효소 반응을 거쳐 다시 11-cis-retinal 형태로 재생되어야 합니다.

이 과정을 시각 회로(visual cycle)라고 합니다.

특히 망막색소상피(RPE)가 이 재생 과정에서 중요한 역할을 합니다. 재생된 11-cis-retinal은 다시 옵신과 결합해 새로운 광자를 받을 준비가 된 시각색소를 형성합니다.

충전식 배터리와 비슷합니다.

로돕신이 광자 하나를 받고 작동한 다음에는 다시 사용할 수 있도록 분자 상태를 복구해야 합니다.

그래서 시각은 단순히 빛을 감지하는 과정만이 아니라 빛을 받은 분자를 다시 준비 상태로 돌려놓는 재활용 시스템까지 포함합니다.

비타민 A가 시각과 연결되는 이유도 여기에 있다

11-cis-retinal은 비타민 A 계열의 레티노이드입니다.

그래서 비타민 A 대사와 시각 기능은 서로 연결돼 있습니다.

하지만 여기서

“비타민 A를 많이 먹으면 밤눈이 무조건 좋아진다.”

라고 생각하면 안 됩니다.

결핍이 있는 경우와 정상적인 영양 상태에서 추가 섭취하는 것은 전혀 다른 문제입니다.

이 글에서 중요한 것은 영양제가 아니라 빛을 감지하는 분자의 핵심 구성 요소 가운데 하나가 비타민 A 유도체라는 생물학적 사실입니다. 11-cis-retinal이 rod와 cone의 시각색소에서 빛을 흡수하는 chromophore 역할을 한다는 점은 잘 확립돼 있습니다.

광자를 감지하는 과정에서 양자역학은 어디에 있을까?

이 블로그의 다른 글과 연결되는 재미있는 부분입니다.

광자 자체가 양자화된 전자기장의 에너지 단위이고,

로돕신에서 광자가 흡수돼 11-cis-retinal의 전자상태가 바뀌고 이성질화가 시작되는 과정 역시 분자 수준에서는 양자역학으로 설명됩니다.

하지만 여기서 또 과장하면 안 됩니다.

우리 눈이 특별한 ‘양자컴퓨터’를 사용해서 보는 것은 아닙니다.

오히려 더 정확한 표현은 이렇습니다.

아주 작은 양자적 사건인 광자 하나의 흡수가

분자의 구조 변화로 바뀌고,

그것이 생화학적 증폭을 거쳐,

세포의 전기신호가 되고,

신경회로를 거쳐,

마지막에는 우리가 경험하는 시각이 됩니다.

양자세계에서 출발한 사건이 생물학적 크기의 신호로 확대되는 아주 좋은 사례인 셈입니다.

우리가 확실히 아는 것과 아직 조심해야 하는 것

현재 확실하게 알려진 부분부터 정리해보겠습니다.

로돕신은 옵신과 11-cis-retinal로 이루어진 시각색소입니다.

광자가 흡수되면 11-cis-retinal이 all-trans 형태로 바뀌고 로돕신이 활성화됩니다.

활성 로돕신은 트랜스듀신을 활성화하고,

트랜스듀신은 PDE6를 활성화하며,

PDE6가 cGMP를 감소시켜 cGMP 의존성 이온통로를 닫습니다.

그 결과 간상세포가 과분극되면서 신경신호가 변합니다.

간상세포는 단일 광자 흡수에도 측정 가능한 반응을 생성할 수 있습니다.

반면 조심해야 할 부분도 있습니다.

단일 간상세포 반응이 곧바로 단일 광자의 의식적 지각을 의미하는 것은 아닙니다.

사람을 대상으로 한 실험에서는 단일 광자 검출이 가능하다는 흥미로운 결과가 보고됐지만, 이것은 특정한 암순응 조건에서 나타난 확률적 결과이며 모든 광자가 항상 시각 경험으로 이어진다는 뜻은 아닙니다.

따라서 현재 가장 정확한 설명은 이렇습니다.

척추동물의 간상세포는 광자 하나의 흡수를 감지할 만큼 민감한 분자·세포 시스템을 가지고 있으며, 로돕신에서 시작된 신호를 여러 단계의 생화학적 증폭을 통해 전기신호로 변환한다.

마무리

우리가 밤하늘의 희미한 별 하나를 바라볼 때,

눈에서 일어나는 첫 사건은 생각보다 훨씬 작습니다.

광자 하나가 망막까지 도달하고,

로돕신 속 11-cis-retinal에 흡수됩니다.

분자의 모양이 바뀝니다.

트랜스듀신이 켜집니다.

PDE6가 작동합니다.

cGMP가 줄어듭니다.

이온통로가 닫힙니다.

그리고 세포의 전기상태가 달라집니다.

한 개의 아주 작은 빛 사건이 여러 단계의 증폭을 거치면서 살아 있는 세포가 읽을 수 있는 신호가 되는 것입니다.

눈이 대단한 이유는 단순히 빛을 받기 때문이 아닙니다.

자연계에서 거의 가장 작은 수준의 빛 신호를 받아

분자 변화 → 화학 신호 → 전기 신호 → 신경 정보

로 번역할 수 있기 때문입니다.

어쩌면 우리가 ‘본다’고 부르는 경험의 시작은 거대한 이미지가 아니라,

로돕신 한 분자에 도착한 광자 하나일지도 모릅니다.

참고한 주요 자료

Arshavsky V. Y., Burns M. E. 등, How rods respond to single photons: Key adaptations of a G-protein cascade that enable vision at the physical limit of perception. 단일 광자에 대한 간상세포 반응과 로돕신·트랜스듀신·PDE·cGMP 증폭 과정을 정리한 리뷰입니다.

 

Arshavsky V. Y. et al., Current understanding of signal amplification in phototransduction. 단일 로돕신 활성화가 트랜스듀신과 PDE를 거쳐 어떻게 생화학적으로 증폭되는지 정량적으로 다룹니다.

 

Palczewski K. et al. 계열 리뷰, Structural biology of 11-cis-retinaldehyde production in the classical visual cycle. 11-cis-retinal과 로돕신 활성화 및 시각 회로를 설명합니다.

 

Tinsley J. N. et al., Direct detection of a single photon by humans, Nature Communications, 2016. 단일 광자를 사람에게 제시했을 때 우연 수준을 넘는 검출 성능을 보고한 실험입니다.