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1959년 - 에델만과 포터: 항체 구조를 조각내어 읽다

발행: 1959-01-01 · 최종 업데이트: 2026-04-21

Edelman의 감마글로불린 해리 실험과 Porter의 papain 절단 실험을 중심으로, 항체가 하나의 덩어리가 아니라 subunit과 기능적 조각으로 이루어진 분자임을 정리합니다.

Dissociation of gamma-globulin
Gerald M. Edelman · Journal of the American Chemical Society · 1959
사람 감마글로불린을 요소와 sulfhydryl reagent 등으로 처리하면 침강계수와 분자량이 크게 줄어들며, 감마글로불린이 적어도 일부는 이황화결합으로 연결된 subunit 구조를 가진다는 점을 제시한 짧은 논문입니다.
DOI
The Hydrolysis of Rabbit gamma-Globulin and Antibodies with Crystalline Papain
Rodney R. Porter · Biochemical Journal · 1959
토끼 감마글로불린과 항체를 crystalline papain으로 제한 절단해, 항원 결합 능력을 가진 두 조각과 쉽게 결정화되는 한 조각으로 나누며 항체 기능이 분자 안에서 분리될 수 있음을 보인 논문입니다.
DOI
Gerald Edelman
Gerald Edelman
Rodney Porter
Rodney Porter
그림 1. Gerald Edelman과 Rodney Porter

항체라는 큰 단백질을 어떻게 읽을 것인가

1939년 Tiselius와 Kabat의 전기영동 연구 이후, 항체가 감마글로불린(gamma globulin) 분획에 속한다는 점은 분명해졌습니다. 그러나 그 단백질이 어떤 내부 구조를 갖는지는 여전히 알기 어려웠습니다. 항체는 크고 복잡했고, 항원을 인식하는 특이성과 보체를 활성화하는 효과 기능이 한 분자 안에 어떻게 함께 들어 있는지도 설명되지 않았습니다.

1959년 Edelman과 Porter는 서로 다른 방식으로 이 문제를 공격했습니다. Edelman은 화학적으로 감마글로불린을 해리시켜 “하나의 큰 단백질처럼 보이는 분자가 더 작은 subunit으로 나뉠 수 있는가”를 물었습니다. Porter는 효소로 항체를 제한 절단해 “항원 결합 기능이 더 작은 조각에 남을 수 있는가”를 물었습니다.

Edelman: 감마글로불린은 작은 단위로 해리될 수 있었다

Edelman의 논문은 두 쪽짜리 짧은 communication입니다. 그는 사람 gamma-globulin을 beta-mercaptoethylamine, sulfite, performic acid 같은 시약으로 처리했습니다. 효율적인 환원에는 urea 같은 변성제가 필요했고, 변성제를 제거하면 산물이 잘 녹지 않았기 때문에 분자량 측정은 urea 용액 안에서 수행했습니다.

결과는 분명했습니다. 원래 사람 gamma-globulin은 대략 7S 성분으로 행동했지만, 환원 처리 뒤에는 침강계수와 apparent molecular weight가 크게 줄었습니다. 원문 표에서 처리하지 않은 gamma-globulin은 약 192,000으로 계산되었고, urea와 beta-mercaptoethylamine 조건에서는 약 48,000 수준의 값이 나왔습니다. 다른 조건에서는 약 42,000 또는 32,000 수준의 산물도 관찰되었습니다.

Edelman은 이 결과를 조심스럽게 해석했습니다. 사람 gamma-globulin은 적어도 일부가 이황화결합(disulfide bond)으로 연결된 subunit을 포함한다는 것입니다. 다만 그는 다른 종류의 결합 가능성을 배제하지 않았습니다. 따라서 이 논문은 “항체는 정확히 두 heavy chain과 두 light chain으로 되어 있다”를 직접 증명한 논문은 아닙니다. 그러나 항체가 하나의 연속된 거대 사슬이 아니라, 화학적으로 분리될 수 있는 하위 단위들을 가진다는 생각을 강하게 밀어붙였습니다.

disulfide bond(이황화결합)

두 cysteine 잔기 사이에 형성되는 공유결합입니다. 항체에서는 사슬 사이와 사슬 내부를 안정화하는 중요한 연결이며, 환원제에 의해 끊어질 수 있습니다.

Porter: papain은 항체를 세 조각으로 나누었다

Porter는 다른 접근을 택했습니다. 그는 토끼 gamma-globulin과 여러 항체를 crystalline papain으로 절단했습니다. 핵심은 항체를 완전히 잘게 부수는 것이 아니라, 기능을 잃지 않는 큰 조각으로 제한 절단하는 것이었습니다.

원문 실험에서 토끼 gamma-globulin 150 mg과 papain 1.5 mg을 pH 7.0, cysteine, EDTA 조건에서 37도 16시간 반응시켰습니다. 절단 산물은 carboxymethylcellulose chromatography로 세 성분으로 나뉘었고, Porter는 이를 elution 순서에 따라 fraction I, II, III라고 불렀습니다.

세 조각은 대부분 작은 peptide로 분해된 찌꺼기가 아니었습니다. 전체 단백질의 85-95%가 non-diffusible product로 회수되었고, column 회수율도 85-90%였습니다. 분자량 측정에서 whole rabbit gamma-globulin은 약 188,000, fraction I은 약 50,000, fraction II는 약 53,000, fraction III는 약 80,000으로 나타났습니다. 세 조각의 합이 원래 감마글로불린의 분자량과 잘 맞는다는 점은 papain이 항체를 제한적이고 선택적으로 자른다는 해석을 뒷받침했습니다.

papain digestion(파파인 절단)

단백질분해효소 papain을 이용해 항체를 제한적으로 절단하는 방법입니다. Porter의 실험에서는 항원 결합 능력을 가진 두 조각과 쉽게 결정화되는 한 조각이 얻어졌고, 이것이 뒤의 Fab/Fc 구분으로 이어졌습니다.

항원 결합은 두 조각에 남고, 결정화 조각은 따로 있었다

Porter의 가장 중요한 결과는 기능의 분리였습니다. 항체가 들어 있는 gamma-globulin을 papain으로 자르면, fraction I과 II는 항원과 결합하는 능력을 유지했습니다. 다만 이 조각들은 원래 항체처럼 항원과 침전 반응을 만들지는 못했습니다. 항원 결합은 가능하지만, 큰 lattice를 만들 만큼의 구조는 잃은 것입니다.

반대로 fraction III는 항원 결합 능력을 보이지 않았습니다. 대신 이 조각은 중성 근처에서 쉽게 결정화되었고, 원래 gamma-globulin의 항원성 중 많은 부분을 지니고 있었습니다. 이 때문에 나중에 항원 결합 조각은 Fab(fragment antigen-binding), 결정화되는 조각은 Fc(fragment crystallizable)라는 용어로 정리됩니다.

Fab and Fc(Fab와 Fc)

Fab는 항원 결합 기능을 가진 항체의 팔 부분이고, Fc는 쉽게 결정화되는 조각에서 이름이 나온 항체의 꼬리 부분입니다. Porter의 1959년 논문은 이 용어가 정착되기 전, 기능적으로 두 영역이 분리될 수 있음을 보여 준 핵심 실험입니다.

Porter는 fraction I과 II가 서로 매우 비슷하다고 강조했습니다. 두 조각은 분자량, 아미노산 조성, 항원 결합 능력, 항원성에서 닮아 있었고, fraction III와는 뚜렷이 달랐습니다. 이는 항체 분자 안에 서로 비슷한 항원 결합 영역이 두 개 있고, 이들과 성격이 다른 더 큰 영역이 결합되어 있을 가능성을 열었습니다.

왜 이것이 항체 구조의 전환점이었나

Edelman과 Porter의 실험은 서로 다른 질문에서 출발했지만 같은 방향으로 수렴했습니다. 항체는 더 이상 “혈청 속의 반응성 단백질”이라는 수준에 머물 수 없었습니다. 항체는 chemical reduction으로 subunit을 드러낼 수 있고, proteolysis로 기능적 fragment를 드러낼 수 있는 분자였습니다.

중요한 것은 이들이 곧바로 완성된 Y자 구조를 그림으로 확정한 것이 아니라는 점입니다. 오늘날의 H2L2 구조, heavy chain과 light chain의 정확한 배치, variable/constant region의 개념, Fab/Fc의 표준 명명은 1960년대의 추가 생화학, 서열 분석, 구조 연구를 거치며 정리되었습니다. 1959년 논문들의 역할은 그 길을 연 것입니다.

뒤의 항체 역사와 연결되는 지점

1965년 Hilschmann과 Craig는 Bence-Jones protein의 아미노산 서열 비교를 통해 variable region과 constant region의 구분을 분명히 했습니다. 이는 Porter가 본 항원 결합 조각의 의미를 분자 서열의 언어로 바꾸는 작업이었습니다. 같은 해 Dreyer와 Bennett는 하나의 항체 사슬 안에 variable region과 constant region이 공존한다는 사실이 유전자 수준에서 어떤 역설을 만드는지 제기했습니다.

1976년 Tonegawa의 연구는 이 역설에 답했습니다. 항체 다양성은 생식세포 DNA에 완성된 항체 유전자가 모두 들어 있어서 생기는 것이 아니라, B세포 발달 중 immunoglobulin gene rearrangement를 통해 만들어집니다. 따라서 1959년의 조각내기 실험은 1960년대의 서열 연구와 1970년대의 유전자 재배열 연구로 이어지는 구조적 출발점이었습니다.

1972년 Edelman과 Porter가 노벨 생리의학상을 공동 수상한 이유도 여기에 있습니다. 이들은 항체가 어떤 구조적 원리로 항원을 인식하고 면역 기능을 수행하는지에 대해, 처음으로 실험적으로 다룰 수 있는 분자 지도를 제공했습니다.

한 줄 정리

1959년 Edelman과 Porter의 연구는 항체를 하나의 신비한 감마글로불린 덩어리에서, subunit과 항원 결합 조각, 결정화 조각으로 나누어 읽을 수 있는 분자로 바꾸었습니다.

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참고문헌