활성 산소의 종류 및 이로움과 해로움.

활성산소의 정의에 대해서 알아보겠습니다.

호흡을 통해 들어온 산소는 혈액을 통해 우리 몸 구석 구석을 돌아 다니며 에너지를 만드는데 쓰이게 됩니다.

에너지는 우리 몸을 구성하는 세포에서 만들어지는데 영양소 즉 당질과 지방은 원료가 되고, 산소는 그 원료를 에너지로 바꾸는 역할을 합니다.

이 과정에서 활성산소라는 것이 발생하게 되는데 활성산소는 불안정하여 주변의 세포를 공격하고 손상을 줄 수 있습니다.

다시 말해서 산소와 에너지는 인간이 살아가기 위해 필수적인 것이지만 에너지를 만드는 과정에서 우리 몸에 이로운 산소가 우리 몸에 해로운 산소로 바뀌는 것을 말합니다.

 

활성산소의 개념과 특징에 대해서 알아보겠습니다.

물질을 쪼개고 또 쪼개는 과정을 반복하면 더 이상 쪼갤 수 없는 입자를 얻게 되면 이를 원자(atom)라 부릅니다. 원자 중심부에는 원자핵 있고 원자핵은 다시 양성자와 중성자로 구성되어 있습니다. 그리고, 원자 주변에는 전자가 있는데. 이 때 전자는 쌍으로 짝을 지어 존재 합니다. 하지만 쌍을 이루지 못한 전자는 짧은 시간 동안 혼자 존재하게 되는데 이 때의 전자를 활성산소라고 합니다.

호흡된 산소의 2~5% 정도가, 자연적으로 활성산소로 변합니다.

활성산소는 전자도둑(Electron Thief)이지만 항산화제(Antioxidant)는 전자 공여자(Electron Donor)역할을 한다는 서로 다른 특징을 가지고 있습니다.

활성 산소는 여러 가지 명칭으로도 불리어집니다.

활성산소는 영어로는 프리라디칼(free radical)이라고 부르는데 프리라디칼의 의미를 보면은 프리(free)라는 단신이라는 뜻과 라디칼(radical)이라는 과격이 합쳐진 말로, 해석하면 단신으로 과격이라는 뜻이 됩니다.

자유기 또는 유리기라고도 불리는데 이 뜻은 쌍을 이루지 못한 전자 가지고 있다는 뜻입니다.

 

활성산소 종류에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

활성산소 중 대표적인 것이 수퍼옥시드라디칼과 히드록시라디칼입니다.

슈퍼옥시드 라디칼은 한쪽 만이 부대 전자로 된 가장 흔한 활성산소로 산소는 산소인데 슈퍼 산소란 뜻이며 세포 내부에서 매우 강한 독성을 갖습니다.

히드록시 라디칼은 가장 반응성이 풍부하여 인체에 치명적인 활성산소로 과산화 수소와 중금속 이온이 반응 했을 때 만들어지며 이 물질은 일단 생기기만 하면 다른 데로 이동할 사이도 없이 근처에 있는 다른 물질과 아주 빨리 결합하여 연쇄반응을 일으켜서 세포 막의 손상을 초래시켜 결국 영양소 공급이 되지 않게 됩니다.

또한, 히드록시 라디칼 같은 경우는 수명이 10^-9초로 매우 짧습니다. 참고로 히드록시 라디칼 즉, 수산화 라디칼은 살균작용이 있기 때문에 정수장에서 물을 정수처리 등에 많이 사용되고 있습니다.

일중항산소 자외선에 의해 피하 조직에 발생하기 쉬운 활성산소로 한쪽의 전자가 일방의 궤도에 들어가 다른 한편은 공백이 되어 있는 상태로 반응 정도가 강합니다.

과산화수소 산소원자와 수소원자가 함께 2개씩 붙은 상태로 산화력은 작지만 약간의 계기로 반응성이 풍부한 활성 산소로 변합니다.

이러한 활성산소는 대부분의 산소 호흡과정에서 발생합니다. 이러한 호흡의 핵심은 세포의 미토콘드리아라는 세포내 소기관에 있습니다.

 

그러면, 세포 소기관인 미토콘드리아에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

미토콘드리아라는 단어는 그리스 어원인 미토스라는 단어, 즉 실이라는 말과 콘드린, 즉 알갱이라는 말이 합쳐진 붙여진 이름입니다. mitos(thread:실)+chondrin(granule:알갱이)

우리가 쓰는 에너지의 거의 전부를 ATP 형태로 생산하는 아주 작은 세포기관으로 미토콘드리아에 있는 전자전달계는 섭취한 유기물로부터 유래된 전자를 산소로 전달하며 에너지를 생성하고 전자를 받은 산소는 양성자 혹은 수소 양이온과 함께 안정한 상태인 물이 됩니다.
세포마다 300~400개씩 들어있으며 몸 전체로 따지면 그 수가 모두 1경개 정도됩니다. 이는 우리 몸무게의 약10%에 해당되는 양입니다.

크기가 매우 작아 미토콘드리아 1억 개가 모래알 한 알 정도의 크기입니다.

미토콘드리아는 세균처럼 단백질 생산 공장인, 리보솜을 독자적으로 갖고 있습니다.
다양한 항생제는, 세균과 미토콘드리아에서 일어나는, 단백질 합성을 차단하는 작용을 하지만, 진핵생물의 핵 유전자에는 아무런 영향을 주지 않습니다.

미토콘드리아는 독립된 핵산을 가지며 인간의 경우 모계에서 99.99% 물려받습니다. 이런 이유로 미토콘드리아 관련 질병은 모계로부터 유전된 것입니다. 또한 어머니부터 딸에게로 계속 전달된다는 특성을 이용하여 인류의 공통 조상을 찾는데도 이용됩니다.

 

미토콘드리아와 활성산소와는 어떤 관계가 있는지 알아보겠습니다.

미토콘드리아 호흡과정에서 극히 일부가 물이 되지 않고 전자만 받아 라디컬 상태가 되는데 이것에 체내 호흡과정에서 주로 생기는 활성산소의 일종인 슈퍼옥사이드 입니다. 이 슈퍼옥사이드는 대략 0.2%~1% 정도이며 이 라디컬 들은 불안정하고 높은 에너지를 갖고 있어 신체의 다른 분자들과 쉽게 산화 반응을 일으킬 수 있습니다.

여기서 말하는 산화라는 말은 어떤 원자, 분자, 이온 따위가 전자를 잃는 일 또는 물질 중에 있는 어떤 원자의 산화수가 증가하는 일 그리고 어떤 물질이 산소와 결합하거나 수소를 잃는 일을 말합니다.

 

다음은 활성산소의 이로움과 해로움에 대해서 알아보겠습니다.

어떤 곳에서 활성산소가 해로움을 주는지 알아보겠습니다.

가장 대표적인게 세포를 공격한다는 점입니다. 세포는 이중막으로 되어 있는데 이 이중막은 단백질과 인지질, 콜레스테롤로 이루어져 있습니다. 바로 활성산소는 단백질을 공격하여 세포막 지질과 세포막 단백질을 서로 융합시켜 세포막을 딱딱하게 하여 세포막이 쉽게 부서지게 합니다.

단백질만 놓고 봤을 때는, 활성산소에 의해서 단백질이 산화적 손상을 받게 되면 단백질 분자내의 아미노산 잔기의 산화적 변성 및 단백질간의 교차 발생 그리고 펩티드 손상 등이 일어납니다.

참고로 아미노산 잔기는 R 부분의 종류에 따라 아미노산 종류가 달라지는데 활성산소의 공격을 받으면 산화적 변성이 발생하여 결국 단백질 구조에 문제가 발생하게 되는 것입니다.

또한, 펩티드란 말은 보통 아미노산이 2개인 경우를 디 펩티드라고 부르며 아미노산 3개인 경우를 트리펩티드, 아미노산이 여러 개인 경우를 폴리펩티드, 폴리펩티드가 꼬여서 입체 구조를 형성한 경우를 단백질이라고 합니다.

그리고 지질의 경우에 있어서는 활성산소가 세포막 지질을 공격하면은 지질은 산화에 의하여, 세포막의 유동성이 감소됩니다.

이로 인해서. 세포막에 구멍을 뚫어 세균 및 바이러스가 쉽게 들어갈 수 있게 합니다. 이러한 조직과 세포의 지속적인 손상은 결국 노화를 불러 일으킵니다.

 

체세포 안에서 95%를 차지하는 전해질인 칼륨은 세포내의 이온 강도를 조절해 주고 노폐물을 처리해 주는 역할을 하지만 세포막 손상으로 인해 칼륨이 세포 내에 축적되고 세포 내 수분 공급이 어려움을 겪게 되어 이로 인해, 세포 탈수화를 진행시킵니다.

 

효소는 생물체내에서 생명활동에 필요한 화학반응을 일으키고 촉진하는 촉매의 역할을 하는 단백질을 말합니다.

소화효소는 타액, 췌장, 위장 등에서 분비되고 아밀라제, 리파아제, 펩신 등이 음식물의 분해 흡수합니다. 그리, 신진대사를 돕고 영양소를 만들며 인체조직이 제대로 형성될 수 있도록 돕는 기능을 합니다. 하지만 활성산소에 의한 효소의 산화는 소화효소와 신진대사에 필요한 기능을, 제대로 할 수 없게 만듭니다.

 

높은 에너지를 갖고 있는 활성산소종은 방사선과 같이 세포의 DNA를 공격하여 돌연변이를 유발 시킵니다. 이 돌연변이는 유전 정보를 재구성하여 면역 세포에 손상을 가해 인체가 가지는 자연 방어 기전이 악화가 되는 원인이 됩니다. 이와 같은 결과는 면역 기능을 저하를 초래하여 염증을 유발하고 퇴행성 질환으로 진행되고 결국, 암과 같은 질병을 유발할 수 있습니다.

 

활성산소가 이로움을 주는 유일한 경우입니다.

활성산소가 인체에 해를 주기만 하는 것은 아닙니다. 누구나 한번쯤 상처에 균이 들어와 덧나서 곪다가 나은 경험이 있을 것입니다. 이 때 이 균들을 죽이는 역할을 하는 것 중의 하나가 바로 백혈구에서 만드는 활성산소인 것입니다. 혈액 내에는 백혈구라는 세포가 흐르고 있는데 이들은 외부에서 박테리아나 바이러스 같은 이물질들이 들어오면 혈액 속에 그 숫자가 증가되면서 균들을 찾아내고 잡아 먹으며 죽이는 일을 합니다. 그래서 이런 작용을 식균작용이라 하며 식균작용을 한다고 해서 식세포라고 부릅니다.

먼저 외부에서 박테리아나 바이러스 같은 미생물들이 조직에 침투하면은 우선 이물질을 처리하기 위해 이물질이 들어온 곳으로 백혈구가 출동합니다.

이어서 이물질을 찾아내면 그 안으로 침투해 들어갈 수 있는 과산화수소를 만들어냅니다.

세균 안으로 침입한 과산화수소는 세균 안에서 강력한 활성산소인 히드록시 라디칼을 만들어 세균 안을 발칵 뒤집어 놓습니다. 또 백혈구는 세균을 단번에 죽일 수 있을 만큼 강력한 물질을 만들어내는 페록시다제라는 효소를 갖고 있습니다. 참고로 페록시다제는 산화제 즉, 수소수용체로서 과산화수소를 이용해 기질 즉, 효소와 작용하여 화학 반응을 일으키는 물질을 탈수소화시키는 반응을 촉매하는 효소로 과산화효소라고도 합니다. 참고로, 과산화 수소를 일상에서 소독약으로 사용하는 이유도 활성산소를 제거하기 위한 것입니다.

이 백혈구는 외부에서 침입한 균을 죽였지만 백혈구는 자기가 만들어낸 독 물질로 인해 역시 못 견디고 같이 죽게 됩니다. 결국 상처가 덧나서 생기는 고름은 죽은 외부 침입균과 함께 전사한 백혈구들의 전쟁 흔적이며 백혈구가 갖고 있는 효소로 인해 푸르스름한 색을 띄는 것입니다.

침입자와의 전쟁에서 백혈구가 항상 승리하는 것은 아닙니다. 독성이 아주 강한 어떤 균은 백혈구가 만든 활성산소를 파괴할 수 있는 능력을 갖고 있을 때도 있습니다. 그러면 균들이 방어벽들을 깨고 온몸으로 퍼져 우리 생명을 위협하게 됩니다. 결국 병원에 입원해서 침입한 균을 죽이는 강력한 항생제의 투입이 필요하게 됩니다. 선천적으로 백혈구 기능이 떨어진 경우나 혹은 후천적으로 프리라디칼 방어벽이 약한 사람은 면역기능이 약해집니다. 이때에는 약한 균이 들어와도 병균을 못 이겨내고 감기나 폐렴 같은 염증이 아주 잘 걸리게 됩니다.

 

앞에서 활성산소의 유익한 측면에 대해서 이야기 했습니다. 하지만 이와 정반대의 경우도 있습니다. 활성산소는 세균을 죽이기는 하지만 위험한 살상무기입니다. 그런데 이것이 너무 많이 만들어지면 어떻게 될까요.

우리 몸이 외부에서 들어온 세균을 죽이게 되는 메커니즘에는 활성산소가 관여됩니다. 하지만 너무 많이 만들어지면 세균만 죽이는 게 아니라 멀쩡한 주위 인체조직까지도 해를 입히게 됩니다. 이 상태가 너무 지나치거나 오래가면 주위 정상 조직에도 손상을 입힐 수가 있는 것입니다. 이와 관련되어 생기는 대표적인 질병이 류마티스 관절염입니다.

 

활성산소와 관련된 질병들에 대해서 주요 기관별로 하나씩 알아보겠습니다.

순환기와 호흡기에서는 심근 경색, 동맥경화, 폐염, 협심증 등이 있습니다.

뇌 신경계에서는 뇌경색, 간질, 뇌출혈, 파킨슨병, 자율신경장해 등이 있습니다.

소화기계에서는 위염, 위궤양, 위암, 간경변, 크론병, 췌장염 등이 있습니다.

혈액계에서는 백혈병, 패혈증, 고지혈증 등이 있습니다.

내분비계에서는 당뇨병, 부신 대사장애 등이 있습니다.

피부계에서는 아토피성 피부염, 일광 피부염 등이 있습니다.

안과계에서는 백내장, 망막 변성증 등이 있습니다.

종양계에서는 흡연에 의한 암, 화학발암, 방사선 장애 등이 있습니다.

결합 조직계에서는 류마티스관절염,  교원병 등이 있습니다.

 

이번에는 주요 질병들과 활성산소 관련성에 대해서 알아보겠습니다.

인슐린 의존성 당뇨병의 경우는, 활성산소의 이상 발현으로 말미암아, 췌장 베타 세포가 손상되어 발생합니다.

다운증후군은 21번 염색체의 이상으로 초래됨이 알려져 있는데 이 경우 21번 염색체에 위치하고 있는 SOD, 즉, 슈퍼옥사이드 디스뮤타제라고 하는 항산화효소가 비정상적으로 발현되어 발생합니다.

조로증은 환자 세포에서 측정되는 항산화효소인 카타라제, 글루타치온 디펜던트 페록시다아제 등이 낮은 효소 활성을 보입니다.

암의 경우에는 정상세포가 암세포화 되는 과정에 있어서도 여러 가지 암 유발 물질이 투여되면서 세포에서는 ROS 즉, 활성산소종이 왕성하게 생성되는 것을 관찰할 수 있습니다.

활성산소종은 동맥경화, 알츠하이머병, 허혈성 질환 등에 관여하는 것으로 알려져 있습니다.

 

활성산소에 의해서 조직 손상에 따른 질병에 대해서 간략하게 알아보겠습니다.

활성산소가 세포에 접착하게 되면은 염증을 유발시킵니다.

활성산소는 유전자 DNA에 장애를 발생시켜 암을 유발하게 합니다.

활성산소는 혈관에서 나쁜 콜레스테롤인 LDL을 산화시켜 동맥경화를 일으키는 주범입니다.

활성산소는 혈관 내피 유래 이완인자인 일산화 질소를 불활성화시켜 순환장애 및 고혈압을 유발합니다. 참고로 SOD라는 항산화제 효소는 일산화 질소의 수명연장 및 일산화 질소 불활성화 인자인 슈퍼옥사이드를 제거해 주는 역할을 합니다.

활성산소는 세포막을 손상시켜 세포장애를 일으킵니다.

 

활성산소에 의한 피부 손상 과정에 대해서 알아보겠습니다.

햇빛을 받으면은 피부 최외층은 자외선과 같은 환경인자에 의해서 과산화 지질량 증가하고, 진피의 콜라겐과 섬유의 질적 양적 변화를 겪습니다. 이때 피부층에 활성산소가 발생하여 콜라겐을 분해하게 됩니다. 이로 인해서 피부손상이 가해지게 되고 결국 노화, 주름, 색소침착, 염증, 피부암 등이 발생합니다.

 

활성산소와 암에 대해서 구체적으로 알아보겠습니다.

암의 초기 진행 과정에서는 DNA 손상과 유전자 발현 및 돌연변이를 유발하게 됩니다.

암의 증식 단계에서는 비정상적인 유전자 발현 유도하여 세포 간의 상호전달과정을 변형하고 신호전달 과정을 변화시킴으로 세포 증식을 증가시키고 세포사멸을 억제합니다.

전이 단계에서는 활성산소가 더 많은 유전자 발현을 조절함으로 암세포의 전이를 유발하게 됩니다.

 

암세포의 특징에 대해서 알아보겠습니다.

암세포는 정상세포에 비해 높은 활성산소를 가지고 있지만 항산화 유전자들은 적게 가지고 있습니다.

다시 말해서 외부의 활성산소의 변화가 있게 되면은 세포 내의 대사활동이 비정상적으로 되고 미토콘드리아 기능의 이상이 발생하며 세포증식이 비정상적 증식되기 시작하면서 결국 활성산소가 누적되면 암세포로 변형이 유발되게 되는 것입니다.

바르부르크 효과에 의하면 암세포는 비정상적인 산소 대사를 가지고 있어 호기 조건에서 해당작용을 통해 에너지를 얻습니다.

참고로 바르부르크는 독일의 생리학자로 1931년에 세포 호흡의 연구로 노벨 생리의학상 수상하였습니다.

또한 암세포는 비정상적인 산화환원 체계를 가지고 있고 여러 활성화된 암 유전자들에 의해 활성산소를 만드는 효소들이 증가됨으로써 암세포 내의 활성산소가 높아지게 됩니다.