남극 물고기는 왜 몸속이 얼지 않나요?

Question

남극 바다의 일부 물고기는 영하의 수온에서도 몸속이 얼지 않도록 돕는 단백질을 갖고 있다는 연구를 봤습니다. 단순히 체온을 높이는 방식이 아니라는 점이 신기한데요. 부동 단백질은 몸속에 생긴 작은 얼음 결정에 어떻게 작용해 결정이 더 커지는 것을 막나요?

Answer 1

남극에 서식하는 물고기는 영하의 수온에서 체온을 높이기 보다는 특수한 부동 단백질(AFP)을 이용해 몸이 어는 것을 막습니다.

이 단백질은 몸속에 생성된 미세한 얼음 결정 표면과 결합하는데, 단백질 속 아미노산들이 얼음 격자의 물분자와 수소 결합을 이루며 퍼즐처럼 달라붙습니다.

일단 표면을 덮으면, 주변을 떠돌던 추가 물분자들이 얼음에 달라붙는 것을 원천 차단하고, 결과적으로 얼음 결정이 더 이상 크기를 키우지 못하고 아주 작은 씨앗 상태로 멈추게 되는 것입니다.

이 과정에서 물고기의 어는점만 인위적으로 낮아지고 녹는점은 유지되는 열이력 현상이 발생하는데, 체온이 아전보다 낮아진 어는점 아래로 떨어지지 않는 한 몸속 얼음은 성장하지 않으며 피해를 주지 않게 되는 것입니다.

즉, 부동 단백질은 얼음 생성을 완전히 막기보다 기존 결정이 더 커지는 것을 막는 방패 역할을 하는 것입니다.

Answer 2

안녕하세요, 엄격한비단벌레5님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 남극 물고기가 영하의 바닷속에서도 얼지 않는 비결은 혈액과 체액 속 부동 단백질이 체내에 유입된 미세한 얼음 결정 표면에 결합한 뒤, 물 분자가 결정에 달라붙는 공간을 좁게 제한해 얼음 표면을 볼록하게 휘어지게 만듦으로써 어는점을 낮추는 흡착 억제 기전 덕분이랍니다.

■ 얼음 결정 격자와 맞물리는 부동 단백질의 정밀한 흡착 원리

남극 바닷물은 염분 때문에 영하 1.9도 안팎에서도 얼지 않지만, 일반 해수어의 체액은 영하 0.8도 부근에서 얼기 시작하므로 남극 바다에서는 세포가 얼음 결정에 찔려 파괴됩니다. 스스로 열을 내지 못하는 변온동물인 남극 어류는 체온을 높이는 대신 간에서 부동 단백질과 부동당단백질을 합성해 혈액으로 내보내는데요. 이 단백질은 일반 단백질과 달리 한쪽 면이 매우 편평하고, 표면에 배열된 트레오닌이나 알라닌 같은 아미노산의 간격이 얼음 결정 격자의 물 분자 간격과 정밀하게 일치합니다. 덕분에 아가미나 피부를 통해 몸속에 극미량의 얼음 씨앗이 들어오면 부동 단백질이 결정 표면에 마치 찍찍이처럼 단단히 달라붙어 물리적 장벽을 형성합니다.

■ 표면 곡률 증가와 켈빈 효과를 통한 결정 성장 차단

부동 단백질이 얼음 결정 표면 곳곳에 박혀 자리를 차지하면, 주변의 물 분자들은 단백질이 붙어 있지 않은 좁은 틈 사이로만 얼음 결정에 합류할 수 있습니다. 좁은 틈으로 물 분자가 끼어들어 얼어붙다 보면 얼음 표면이 넓고 평평하게 자라지 못하고 작은 물방울처럼 볼록하게 솟아오른 곡면 형태를 띠게 되는데요. 물질의 표면이 심하게 볼록해지면 표면 장력과 에너지가 급격히 커져 새로운 물 분자가 안정적으로 달라붙기 어려워지는 켈빈 효과가 나타납니다. 그 결과 얼음이 녹는 온도는 그대로 유지되면서 어는점만 영하 2.2도 이하로 낮아지는 열적 이력 현상이 발생해 미세 결정이 더 이상 자라지 못하게 되거든요.

정리하자면,

남극 물고기의 부동 단백질은 얼음 결정 격자와 구조가 일치하는 결합 면을 이용해 체내 미세 얼음 표면에 먼저 달라붙고, 물 분자가 결합할 수 있는 공간을 단백질 사이의 좁은 틈으로 제한하여 얼음 표면을 볼록하게 만듦으로써 표면 에너지를 높이고 어는점을 낮추는 방식으로 얼음 결정의 성장을 원천 차단한답니다.

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