당과 푸린 합성에 관한 연구

수상자 : 에밀 헤르만 피셔(Emil Hermann Fischer)

1902년 노벨 화학상은 “당과 푸린 합성에 관한 연구”로 에밀 피셔에게 수여되었습니다. (원문 참조)[1]:

The Nobel Prize in Chemistry 1902 was awarded to Emil Fischer “in recognition of the extraordinary services he has rendered by his work on sugar and purine syntheses.”

에밀 헤르만 피셔(Emil Hermann Fischer)(1852~1919)

독일의 화학자. 독일 본(Bonn) 대학교에서 화학을 전공하고 케쿨레, 아우구스트 쿤트 등의 지도 아래 공부했다. 물리학에 대한 미련을 버리지 못했던 그는 1905년 노벨 화학상 수상자이기도 한 아돌프 폰 바이어를 만나 화학에 평생을 바치기로 한다. 1892년부터 1919년 영면할 때까지 베를린대학교 화학과 교수로 있었다. 1881년부터 푸린을 연구하기 시작해 요산•크산틴•카페인•테오브로민 및 다른 질소화합물과 단일 물질인 푸린의 관계를 설명했다. 1883년에 시작한 당류 연구에서는 하이드라진 유도체의 발견을 기초로 자연 포도당과 과당을 포함한 삼십여 개의 당류를 합성하는데 성공하여 유기화학 발전에 크게 기여하였다.

(수상자 선정 심사위회장의 발표문)[2,3]:

전하, 그리고 신사 숙녀 여러분! 왕립과학원은 당과 푸린 합성에 관한 연구에 크게 공헌한 베를린대학교 교수이며 게하임라트(고문) 에밀 피셔 박사에게 1902년 노벨화학상을 수여하기로 결정했습니다.

유기화학의 주된 임무 중 하나는 생물학적 현상과 관련된 개념의 기초를 확고히 하기 위하여 동물이나 식물 같은 생명체에서 일어나는 과정들을 연구하고 인위적으로 재현하는 것입니다. 생물체에 단백질을 제외하고 탄수화물보다 더 중요한 탄소화합물은 없을 것입니다. 이런 이유 때문에 탄수화물, 특히 당류는 유기화학이 생긴 이래 수많은 연구의 대상이었습니다. 그러나 이 물질의 특성 때문에 이에 관련된 연구는 매우 어려웠으며, 몇 년 전만 해도 불가능한 일처럼 보였습니다.

그러나 피셔 교수는 하이드라진(hydrazine) 유도체를 발견하면서 이 문제에 대한 해답을 찾는데 성공하였습니다. 피셔 교수는 놀라울 정도로 예리한 판단과 훌륭한 식별력으로 효율적 수단을 선택하여 자연 포도당과 과당뿐만 아니라 30개의 다른 당류, 그리고 이와 관계되는 많은 화합물들을 합성하였습니다. 5~6개의 탄소원자로 이루어진 단순한 당은 자연적으로 생기지만 피셔 교수는 2개에서 9개까지의 탄소원자를 포함하는 당류의 시리즈를 합성 개발하였습니다. 그는 식물생리학에 중요한 글루코시드를 만드는 정확한 방법을 발견하여 유기합성 분야에 크게 업적을 보탰습니다.

특히 이 연구는 반트 호프와 르 벨이 고안한 원자의 공간배열 이론에도 중요합니다. 피셔 교수는 논란 중인 화합물에 대해 원자들이 원자복합체, 즉 분자 안에 결합되어 있는 방식뿐만 아니라 서로에 대한 원자의 상대적 위치, 다른 말로 표현하면 분자의 입체적 구조를 완전하게 결정하였습니다. 상당히 복잡하지만 이론을 아주 세밀하게 확인할 수 있기 때문에 이와 같은 연구를 통해 원자의 성질에 대한 개념, 특히 앞으로 상당히 바뀔 원자가 개념의 사용이 꾸준히 계속될 거라는 것을 확신합니다.

이러한 연구들은 생리학에서도 매우 중요합니다. 자연에서 일어나는 가장 특별한 과정 중 하나는 식물의 녹색 부분에서 발생하는 탄수화물의 생성입니다. 사실 이런 과정은 모든 유기물질의 중요한 근원이며, 결국 이것을 밝히는 것이 과학의 주요한 임무 중 하나입니다. 1870년 폰 베이어는 이산화탄소와 물이 엽록소를 포함하는 세포에서 포름알데히드로 바뀌고 이것이 즉시 축합하여 당을 형성한다는 가설을 세웠습니다. 피셔 교수가 식물에서 보편적으로 생기는 포름알데히드로부터 다른 탄수화물의 전구물질을 구성하는 포도당과 과당을 만드는데 성공하여 문제의 가설에 대해 명백한 실험적 증거를 보여 주었습니다. 당의 합성은 탄소, 수소, 산소가 결합하여 포름알데히드를 거쳐 이루어집니다.

이 연구 결과로 생명과정의 난해한 효소활동들의 결과들을 완전히 새로운 관점에서 설명할 수 있게 되었습니다. 3개나 9개의 탄소로 합성된 당은 6개의 탄소로 구성된 포도당처럼 효모에 의해 쉽게 알코올과 이산화탄소로 바뀌는데, 분자의 입체구조를 약간 변형하면 이와 같은 효소에 대해서는 영향을 받지 않는다는 것이 밝혀졌습니다. 이를 통해 생명의 기능이 성분보다 영양을 공급하는 물질분자의 기하학적 구조에 더욱 밀접하게 관련된다는 것을 발견했습니다. 피셔 교수는 다른 효소와 글루코시드도 비대칭구조에 대해 유사한 민감도를 가지는 것을 발견했고, 또한 이 관찰을 통해 분자의 비대칭이 얼마나 중요한지를 보여 주었습니다.

식물체의 중요한 생산물, 즉 탄수화물, 단백질, 엽록소 알갱이, 그리고 원형질과 효소는 모두 광학 활성물질이거나 그것으로 구성되어 있고, 유기체 내 모든 필수적인 화학변형은 비대칭에 기인하는 것으로 밝혀졌습니다. 그래서 자연과 생명의 기능을 지배하는 조건에 관련된 지식을 상당수 얻었습니다. 그 당의 합성을 통해 효소활동을 자세하게, 그리고 정확하게 입증할 수 있었던 것입니다. 이 연구는 생리학의 새로운 분야를 열었으며, 이 실험은 이미 시작되었지만 그 영향은 완전히 예측할 수 없었습니다. 피셔 교수는 이처럼 매우 중요한 결과를 얻은 후에도 유기화학에서 가장 훌륭한 발견 중 하나이자 가장 많은 결과를 낸 또 다른 연구를 완성하였던 것입니다.

유기체에서 발생하는 질소화합물은 동물의 생명에 가장 중요합니다. 동물의 몸은 단백질과 별도로 상당한 양의 질소성분으로 구성되어 있습니다. 이것들은 단백질에 의한 생산물이거나 프로테이드(proteides)라고 부르는 유기체의 가장 복잡한 화합물 성분에 속하기 때문에 이 연구는 생리화학 분야에 매우 가치가 있습니다. 1776년 셸레가 소변결석에서 요산을 발견한 후 그것과 관련된 크산틴, 아데닌, 구아닌과 같은 여러 물질들이 동물의 분비물에서 검출되었습니다. 그리고 식물에서 추출하여 주요 음료로 사용하는 코코아, 커피, 차 속의 자극제 성분인 테오브로민, 테오필린, 카페인 또한 같은 그룹에 포함됩니다.

피셔 교수는 훌륭한 과학자의 예리한 직관과 슬기로운 기술로 이 분야에 기여하였습니다. 그는 이 모든 물질들이 같은 전구체, 즉 그가 발견한 푸린유도체임을 입증하였습니다. 합성된 사슬을 탄소, 수소, 산소로 분해하는 방식으로 다른 물질이나 더 단순한 물질로부터 그것들을 합성하는데 성공하였고, 피셔 교수는 그 외에도 새로운 물질들을 만들어낸 푸린유도체들은 무려 150개에 달하였습니다. 그리고 각각의 고유한 특성과 조성들이 모두 결정되었습니다.

요산과 크산틴이 같은 전구물질에서 기인한다는 실험적 증거는 생리학에서 매우 중요한데, 그의 연구는 세포핵의 핵단백질과 거기 포함된 푸린으로부터 요산이 생성된다는 현대 이론을 강하게 뒷받침했기 때문입니다. 카페인과 테오브로민 같은 물질은 음료로 마시는 것뿐만 아니라 의학적으로 사용할 수 있기 때문에 조만간 여러 가지 새로운 푸린유도체가 의학적 가치를 갖는 것으로 입증될 것입니다. 화학 산업분야에서는 일상생활에서 중히 여기는 이 물질을 피셔의 방법으로 합성하려고 시도하고 있습니다.

지난 세기 마지막 10년 동안 유기화학을 특징짓는 연구는 당과 푸린에 관한 피셔 교수의 연구가 그 절정인데, 이는 실험적 관점에서 볼 때 유례가 없는 탁월한 업적입니다. 그 결과로 금년도의 노벨화학상을 에밀 헤르만 피셔에게 시상합니다.

1902. 12. 10

스웨덴 왕립과학원 원장 H.J.테엘

참고문헌:

1. http://www.nobelprize.org/ 스웨덴 노벨재단본부

2. http://www.nobel.or.kr/history, Nobel e-Library (사)한국과학문화진흥회

3. http://www.scinews.kr/ 노벨사이언스, 한국노벨과학문화연구원