1. 짚신벌레 식포(food vacuole)
짚신벌레 크기는 얼마쯤 될까?
대답은 손가락 굵기만큼 크다고 대답했다. 책에 있는 짚신벌레 그림의 크기가 손가락 정도라는 것이었다.
짚신벌레의 실제 크기는 0.5mm(0.2 ~ 0.3mm) 정도니까 잘 보면 볼 수도 있다.
짚신벌레는 진핵세포이고 단세포 생물이다. 하나의 세 포로 된 개체에 입에 해당하는 구강홈(oral groove)이 있고 먹은 유기물을 식포(food vacuole)에서 소화 흡수하여 물에서 흡수한 산소와 같이 미토콘드리아(mitochondria)에서 에너지를 생성하며 이산화탄소는 막을 통해 밖으로 배출하고 남은 쓰레기 덩어리를 세포항문(anal pore)을 통해 밖으로 버릴 뿐만 아니라 수축포(contractile vacuole)로 오줌을 배설한다. 한 개의 세포에서 우리 몸에 일어나는 모든 작용이 대부분 일어나는 것이다.
식포(食胞, food vacuole)는 구강홈(oral groove)으로 들어온 유기물을 싸고 있는 막 주머니인데 막 속으로 소화효소를 분비해 유기물을 분해하여 양분을 흡수하는 식세포 작용(phagocytosis)을 한다.
아메바(amoeba)도 짚신벌레와 같이 식포를 형성하여 먹이를 분해 흡수한다. 아메바는 위족(僞足, 헛발)으로 먹이를 싸서 체내로 끌어들여 식포를 형성한다.
위와 같이 식포(food vacuole)는 원생동물(原生動物, Protozoa, 진핵 단세포)에서 많이 볼 수 있다.
2. 메치니코프 세포 면역설
일리야 일리치 메치니코프(Ilya Ilyich Mechnikov, 1845~1916, 러시아, 우크라이나 출생)는 1882년 이탈리아에서 미생물학에 대한 연구를 시작했다. 이때 프랑스의 파스퇴르(Louis Pasteur)와 독일의 코흐(Robert Koch)를 중심으로 미생물학이 본격적으로 연구되고 있었기 때문이다.
메치니코프는 현미경으로 불가사리의 유충을 관찰하던 중에 자유롭게 이동하며 이상한 행동을 하는 방랑세포(wandering cell) 발견하였는데, 메치니코프는 그 세포가 방어 작용에 관여한다고 직감하여 가시를 유충 몸속에 넣었더니 방랑세포(wandering cell)들이 가시 주위로 모여들었다.
그래서 고등동물에서는 백혈구가 방랑세포(wandering cell)와 같은 식균작용으로 세균을 잡아먹는 작용을 한다고 생각했다. 이세포를 식세포(phagocyte)라고 이름을 붙이고 1883년에 식균 작용(phagocytosis)에 관한 논문을 발표하였다.
이를 증명하기 위해 몸체 속이 보이는 투명한 물벼룩에 효모 포자를 주어 삼키는 것을 현미경으로 관찰했다. 효모 포자는 물벼룩의 위벽을 뚫고 몸속으로 들어갔다. 그러자 물벼룩의 식세포가 효모 포자로 모여 에워싼 후 분해하여 먹었다. 반면에 식세포에 먹히지 않은 효모 포자는 수많은 효모로 발아한 후 독소를 분비해 물벼룩의 식세포를 파괴하여 흡수하였다.
아것이 면역학의 시초가 되었다.
우리 몸에는 여러 종류의 백혈구(림프구)가 독소, 세균, 바이러스 등(항원)을 먹어 분해시켜 몸을 이들로부터 방어하는 데 이런 면역을 세포성 면역이라 한다.
3. 에를리히 체액 면역설
에를리히(Paul Ehrlich, 1854 ~ 1915, 독, 화학자, 면역학자)는 세포의 표면에는 곁사슬처럼 튀어나온 수많은 수용체가 있는데 곁사슬 중에는 특정한 독소와 잘 결합하는 부분이 있으며, 여기에 독소가 결합하면 몸에 병이 발생하고 이에 더 많은 곁사슬이 만들어져 혈액으로 나와 독소(항원)에 대한 항독소(항체) 작용으로 독소의 독성을 제거하면 병이 치료된다고 하는 화학적 면역 이론인 측쇄설(側鎖說, side chain theory)을 1900년에 발표하였다. 이 측쇄설(側鎖說, side chain theory)이 체액면역설의 기원이다.
1908년 노벨상 위원회는 메치니코프의 세포면역설과 에를리히의 체액면역설이 상호보완적인 관계를 갖는다고 판단하여 에를리히와 메치니코프 두 사람에게 노벨 생리의학상을 공동으로 수여하였다.
4. 면역(immunity)
면역이란 국가에서 외부의 적이나 범죄자를 방어하기 위해 조직한 군대, 경찰과 같은 작용을 하는 것으로 몸을 침범하는 병원균이나 독소를 방어하는 작용을 하는 것이다.
면역에는 선천 면역(국가로 치면 국가 건립 때부터 조직된 경찰과 군대 등)과 후천 면역(기존 경찰과 군으로 대응할 수 없는 신종의 인터넷 범죄를 담당하는 새로 만든 전문 사이버경찰 같은 조직 등)이 있으며 후천 면역을 다시 세포성 면역과 체액성 면역으로 구분한다.
가. 선천 면역과 후천 면역
우리 몸은 침입한 독소, 세균, 바이러스 등에 의해 병이 발생되는데 우리 몸은 침입한 독소, 세균, 바이러스 등을 항원이라 한다.
항원을 구별해 내는 세포에는 대식세포, B세포, 수지상 세포(dendritic cell) 등이 있다.
이들 세포는 MHC class II molecule을 갖고 있어 항원제시세포(抗原提示細胞, antigen-presenting cell, APC)라고 부른다.
1) 선천 면역(비특이적 면역)
선천 면역은 태어날 때부터 가지고 있는 면역으로 항원의 종류에 관계없이 작용하는 비특이적 면역이다.
우리 몸에는 여러 종류의 백혈구(림프구)가 독소, 세균, 바이러스 등(항원)이 침입하면 체온, pH(위, pH2.5), 눈물 등에 있는 라이소자임(가수분해효소), 인터페론, 그리고 보체(complement)등을 비롯한 다양한 가용성 인자들과 식균작용을 하는 호중구, 단구 세포, 대식 세포, 비만 세포, 수지상 세포 등이 있으며 그리고 염증반응도 선천 면역을 담당한다.
2) 후천 면역(특이적 면역)
후천 면역은 외부에서 항원(병원균)이 들어와 자극을 주면 일어나는 방어이다. 후천 면역은 항원이 침입했을 때 먼저 접한 선천 면역세포가 항원에 대한 정보를 주면 이 정보에 맞는 특별한 면역작용을 하는 것이다. 후천면역은 특이적 면역이라고도 하며 식균작용을 하는 세포성 면역과 항체를 생성하여 작용하는 체액성 면역이 있다. 그리고 체액성 면역에는 1차 면역과 2차 면역이 있다.
가) 세포성 면역
세포성 면역은 항원이 침입했을 때 먼저 접한 선천 면역세포가 항원에 대한 정보를 주면 이 정보에 맞는 림프구가 생성되어 식균작용으로 작용한다. 킬러 T림프구( killer T-cell)가 여기에 속한다.
나) 체액성 면역
우리 몸에는 모든 병원균과 독소에 대응할 수 있는 림프구가 있는데 그 종류는 많지만 개별 림프구의 숫자는 매우 적다.
항원(병원균)이 침입하였을 때 그 항원에 대항하기 위해 그에 맞는 항체를 대량으로 만들려면 들어온 병원균의 정보를 얻어야 하고 그에 대항할 수 있는 림프구를 찾아야 한다.
그래서 체액성 면역은 항원이 침입했을 때 먼저 접한 선천 면역세포가 항원에 대한 정보를 T림프구에 주면 T림프구는 항체를 생성하기에 적합한 B림프구(B세포)를 찾아 정보를 주면 B림프구(B세포)는 증식하여 정보에 맞는 항체를 생성한다. 그런데 이 항원이 처음 침입했다면 그 정보에 맞는 림프구를 찾고 찾은 림프구가 증식하여 항체가 생성하는데 3일에서 일주일 정도 걸린다. 이를 1차 면역이라 한다.
그런데 심한 병균은 1차 면역이 되기 전에 병원균이 더 빨리 증식하여 인체를 망가 뜨리며 1차 면역으로 살아남게 되면 그 병원균에 대한 기억세포를 남기고 항체나 항체를 생성했던 B림프구(B세포)는 없어진다.
그런데 한번 침입했던 균이 다시 침입하면 기억세포가 B림프구(B세포)로 증식하여 항체를 1 ~ 2일 내에 대량으로 생산하므로 그 병원균을 쉽게 막아낼 수 있다. 이를 2차 면역이라 한다.
병원균이 침입하여 1차 면역이 일어나면 기억세포가 형성되므로 병이 예방되는 것이다.
실제 병이 걸려 면역이 된 것을 병후면역이라 하며 인공면역은 인공적으로 항원(죽인 병원균, 약화된 독)을 체내에 주사하여 B림프구(B세포)가 항체를 생성하여 들러온 항원을 제거하고 기억세포를 남기는 것이다.
우리가 보통 면역되었다는 것은 병후면역이나 백신(Vaccines)을 주사하여 기억세포가 생성된 것을 말한다.
나. 백신(Vaccines[vækˈsi:n], 독일어 Vakzin[vaktsɪ́:n] 박친, 왁찐 ; 일본식 표기)
우리 몸에 새로운 병원균이 대량으로 침입하여 급속히 증식하는데 항체 생성에는 일주일이 걸리고 생성량도 소량이라면 그동안 병을 심하게 앓거나 죽게 될 것이다. 그래서 병원균이 침입하기 전에 인공면역을 해 놓아야 하는 것이다.
인공면역은 인공적으로 항원(죽인 병원균, 약화된 독)을 체내에 주사하는 것으로 인공 항원이 체내에 주입되면 체내의 T세포가 B림프구(B세포)에 정보를 주면 B림프구(B세포)가 증식하고 항체를 생성하여 들어온 인공 항원을 제거하고는 다음에 인공항원을 가진 병원균이 들어오면 즉시 대량으로 증식하여 대항할 수 있는 기억세포를 남기는 것이다.
이 인공면역에 사용하는 주사액을 백신(Vaccines, 왁찐)이라 한다. 왁찐은 독일어 Vakzin [vaktsɪ́:n]의 일본식 발음이다.
백신(Vaccines)을 주사하면 우리 몸에서 백신물질(항원)에 대한 항체가 생성되어 백신물질인 항원을 무력화시키고 기억세포만 생성되어 남아 있다가 백신과 같은 항원을 가진 병원균이 침입하면 즉시 기억세포가 분열세포로 변하여 대량으로 증식하고 항체를 대량생산하여 병원균을 무력화시키는 것이다.
그리고 백신을 접종받았다는 것은 그 병을 앓고 나았다는 것과 같은 결과인 것이다.
점염병이 창궐할 때 백신을 접종하면 본인이 전염병에 걸리는 것을 예방할 수 있고 그리고 접종한 사람이 많으면 많을수록 전염병의 전파가 어렵게 되므로 사회가 보다 안전하게 되는 것이다.
바이러스의 백신(Vaccines, 예방주사액)은 개발이 어렵고 개발이 된다 해도 몇 년 몇 달이 걸린다.
바이러스는 핵산과 단백 질 뿐이고 물질대사는 거의 일어나지 않아 항원에 대한 이용가능한 정보를 찾기가 어렵기 때문이다. 그리고 자주 돌연변이를 일으키므로 새로운 변종이 나타날 때마다 새로 백신(Vaccines)을 개발해야 한다.
*면역혈청(免疫血淸, immune serum, antiserum)
백신(Vaccines)과는 달리 다른 동물에 병원균을 주사해서 항체를 생성시킨 뒤 이 혈청의 항체를 병에 걸린 사람에게 주사해서 치료하는 것을 면역혈청(免疫血淸, immune serum, antiserum)이라 한다. 예를 들어 독뱀에 물렸을 때 면역혈청(免疫血淸, immune serum, antiserum)을 주사하여 독을 제거시켜 치료한다. 보통사람들은 독뱀에 물릴 가능성이 거의 없으므로 뱀독 예방 주사를 맞지 않는다. 그 대신에 어떤 뱀독(항원)을 토끼에 주사하여 뱀독에 대한 항체를 토끼의 혈청에 만들어 놓았다가 그 독뱀에 물린 사람에게만 혈청의 항체를 주사하여 독성을 제거하는 것이다.
그런데 유해 병원균 한 종류에 한 종류의 항원만 있는 것이 아이다. 병원균의 한 종류에는 수없이 많은 종류의 항원을 가지고 있으며 모든 항원이 인체에 유해하지는 않다. 그래서 병원균의 아무 항원에나 그 항원에 대응하는 항체가 결합된다 해도 병원균이 무력화되는 것이 아니다. 그래서 면역 혈청을 생성할 때는 사람에게나 균에게 치명적인 해를 입히는 항원을 항체로 결합시켜 유해한 항원을 제거해야 하는 것이다. 비록 해를 입히는 항원만 제거하고 병원균이 체내에 존재하고 있어도 큰 문제가 없으며 이어서 천천히 병원균을 제거하면 되는 것이다.
1) 백신(Vaccines) 역사
가) 제너의 우두법
옛날에는 천연두를 예방하기 위해 인두(천연두) 균을 접종했지만 접종자의 2%가량이 천연두에 걸려 죽었다.
그래서 영국의 제너(Edward Jenner, 1749 ~ 1823)는 1796년에 제임스 핍스(James Phipps)라는 소년에게 우두균을 먼저 접종하여 앓게 한 다음 천연두균을 접종하는 실험을 했다. 그 결과 천연두(天然痘, smallpox, 바이러스 균)에 걸리지 않았다.
이를 통해 제너는 정상적인 사람을 우두(牛痘, cowpox, 소의 천연두, 바이러스 균)에 걸리게 함으로써 천연두를 예방할 수 있다는 것을 발견하여 논문을 왕립협회에 제출했으나 실험에 적용한 대상이 적다는 이유로 비난을 받고 인정을 받지 못했다.
그는 추가 실험을 하여 자신의 연구를 보강한 후 1798년에 '바리올라 바키내(Variola Vaccinae)의 원인과 효과에 대한 탐구'라는 논문을 자비로 출간했다. '바리올라 바키내'는 우두(소의 천연두)를 뜻하는 라틴어이다.
이 논문을 본 많은 의사들이 우두를 접종하여 논문을 확인함에 따라 널리 보급되었다.
나) 파스퇴르의 약독화(弱毒化, attenuation) 백신
제너가 천연두에 우두를 예방접종한데 이어 예방접종을 일반화한 사람은 프랑스의 파스퇴르(Louis Pasteur, 1822 ~ 1895)였다. 파스퇴르는 1873년에 닭 콜레라(세균, 細菌, bacteria)를 일으키는 세균을 바로 닭에 접종하면 닭이 콜레라에 걸려 죽지만 닭 콜레라균을 배양한 후 오래 동안 놓아두면 이 닭 콜레라균이 약화되고 약화된 배양균을 주입하면 닭이 콜레라에 걸리지 않고 면역을 얻게 된다는 사실을 알아냈다. 파스퇴르는 이와 같이 약독화(弱毒化, attenuation)된 균을 ‘백신(Vaccines)’이라 했다.
백신(Vaccines)이란 용어는 라틴어로 암소를 의미하는 배카(vacca)에서 유래한 것으로 암소를 이용하여 우두법을 개발한 제너를 기리기 위한 것이었다.
광견병(狂犬病, rabies, 바이러스 균) 등에 대한 백신(Vaccines)도 그의 제자들에 의해 개발되었다.
1885년 파스퇴르(Louis Pasteur)는 사람의 몸 안에 항체가 만들어지는 원리를 이용하여 감염병을 치료하였다. 하지만 그 당시에는 항체가 무엇인지, 그리고 질병에 대항하는 항체가 몸 안 어디에 있는지는 알지 못했다.
노벨은 노벨상을 수여하고 싶은 첫 번째 대상자는 파스퇴르라고 했다. 그러나 파스퇴르는 노벨상이 시작되기 전에 세상을 떠났다. 노벨상은 죽은 사람에게는 수여하지 않으므로 파스퇴르는 받지 못했던 것이다.
다) 코흐의 세균 발견
독일의 코흐(Robert Koch, 1843 ~ 1910)는 수많은 세균(세균, 細菌, bacteria)을 발견함으로써 전염병 예방에 크게 기여하였다. 1876년에 탄저병의 원인이 ‘바실루스 안트라시스(Bacillus anthracis)’라는 세균(세균, 細菌, bacteria)을 발견하였고 1882년에 결핵균을, 1883년에 콜레라균을 발견하였으며 그의 제자들에 의해 디프리테리아균, 파상풍균, 폐렴균, 뇌척수막염균, 이질균 등이 발견되었다.
코흐는 세균학을 창시하고 결핵균을 발견한 공로로 1905년 노벨 생리의학상을 받았다.
라) 바이러스(virus) 발견
1892년 러시아의 드미트리 이바노프스키(Dmitri Ivanovsky, 1864 ~ 1920)는 담배 모자이크병에 걸린 잎의 액체를 세균이 통과하지 못하는 초벌구이 도자기로 걸러 통과한 액체를 담배에 묻혀주면 다시 병에 걸린다는 실험으로 세균(세균, 細菌, bacteria) 보다 작은 다른 균의 존재를 확인했다.
1898년 네덜란드의 마르티누스 빌렘 베이예링크(Martinus Willem Beijerinck, 1851 ~ 1931)가 이바노프스키와 비슷한 실험을 하고 그 병원체를 ‘바이러스(virus)’라 했다. 그 후에는 천연두, 홍역, 광견병, 출혈열, 소아마비, 감기 등도 바이러스(virus)에 의한 질병으로 확인되었다.
마) 항원 항체 발견
1890년 독일의 에밀 아돌프 폰 베링(Emil Adolf von Behring, 1854 ~ 1917)과 일본의 키타사토 시바 사부로(Shibasaburo Kitasato, 1853 ~ 1931)는 호흡기 질병인 디프테리아(diphtheria)에 걸린 경험이 있는 동물의 혈청을 다른 동물에 주입하였더니 디프테리아 균에 대해 면역이 되었다. 이를 통해 주입한 혈청 속에 디프테리아 저항 물질이 들어있음을 알아냈다.
이 공로로 독일의 에밀 아돌프 폰 베링(Emil Adolf von Behring, 1854 ~ 1917)은 1901년 노벨 생리의학상을 수상했다.
에를리히(Paul Ehrlich, 1854 ~ 1915, 독, 화학자, 면역학자)는 1890년 코흐의 전염병연구소에서 E. A. V. 베링을 도와 독소와 항독소의 정량법(定量法)을 확립했다. 에를리히는 병원균에 저항하는 물질을 항체라 하고 그 상대되는 독성물질이나 병원균을 항원이라 하였으며 측쇄설(側銷說)로 항체가 생기는 과정과 각종 항원(抗原) 항체반응을 설명하였다.
그는 인위적으로 특정한 항체를 생산하여 주사하면 병을 치료할 수 있다는 이론을 제시하고 이를 마법의 탄환(magic bullet)이라 했다.
1908년 메치니코프와 에를리히는 노벨 생리의학상을 공동으로 수상하였다.
그 후 E. A. Kobat(1918), R. R. Porter(1958), G. M. Edelman(1959) 등에 의해 혈청 성분인 면역글로불린(immunoglobulin)이 면역작용을 하는 항체라는 것과 면역글로불린이 독특한 입체구조를 가졌다는 것이 밝혀졌다.
2) 항원-항체반응
항원과 항체가 반응하는 것을 항원-항체반응이라 한다. 항원-항체반응은 한 종류의 항체는 한 종류의 항원에만 반응하는 특이성을 갖는다.
칼 란트슈타이너(Karl Landsteiner, 1868 ~ 1943, 오스트리아계 미국 면역학자)는 1947년 항원의 특이성은 항체의 화학구조에 기인한다는 것을 밝혔다.
항원-항체반응의 방식에는 여려가지가 있다. 항원과 항체의 결합물이 불용성 침전물을 만드는 침강반응, 적혈구 또는 세균의 세포나 입자상의 항원과 항체 사이에서 입자 간의 가교가 만들어져 일어나는 응집반응, 독성이나 효소활성 같은 생물활성을 갖는 항원에 항체가 결합하여 활성이 억제되는 중화반응, 항원항체 결합물이 다시 혈액 중의 보체성분과 결합하여 보체를 활성화시켜 일어나는 용혈반응, 용균반응, 면역점착반응, 면역식작용 등이다.