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활성산소 : 세포 성장 돕고 염증 막는 예쁜 짓도 해요



활성산소의 두 얼굴
활성산소 : 노화의 주범
체내 산화와 환원
항산화제 역할
항산화제의 부작용 

산소 용해도는 고작 : 0.035g/Liter. 자주 많은 혈액이 흘러야 한다.  
혈액은 산소 운반을 위한 헤모글로빈으로 포화상태  
조그만 포도당 농도 또는 지방의 농도 증가도 부담이 된다  
산소의 용해도만 높다면 그렇게 숨가쁠 이유가 없다  

 

지금까지 산소는 어떤 중간체로 존재하는 지 밝혀지지 않았다. 중간체가 길게는 수 초, 짧게는 수 ms(밀리초, 1ms=0.001초) 밖에 존재하지 않기 때문이다. 연구진은 생체 효소의 구조를 본떠 인공 효소를 만든 뒤 영하 80도에서 산소와 화학반응을 일으켜 중간체 구조를 포착하는 데 성공했다. 시토크롬 P450이라는 산소화 효소는 이 과정을 거치면서 벤젠처럼 암을 일으키는 독성 물질을 무독성으로 바꿔 몸 밖으로 빼낸다. 또 남성 호르몬을 여성 호르몬으로 전환시킨다. 남성이 나이가 들면서 여성화되는 이유가 여기에 있다.  시토크롬 P450의 역할은 2003년 이화여대 나노과학부 남원우(45·사진) 석좌교수가 세계 최초로 밝혀 세계적 권위지 ‘사이언스’에 발표했다. 그는 미국 연구팀과 공동으로 이 효소와 관련한 연구성과를 또 한번 ‘사이언스’에 게재했다. 남 교수는 “이 효소가 반응하는 과정에서 순간적으로 존재하는 중간물질(중간체)의 구조를 처음 규명해 ‘사이언스’ 온라인판 28일자에 발표했다”고 밝혔다. 시토크롬 P450의 중간체는 지난 30년간 존재만 추정돼 왔으며 이번에 처음 구조가 밝혀졌다. 효소의 중간체는 눈 깜박하는 사이에 만들어졌다가 사라진다. 연구팀은 시토크롬 P450을 실험실에서 합성한 후 반응을 천천히 유도하면서 방사광가속기로 변화 모습을 관찰했다. 그 결과 중간체에 황이 달라붙어 산소 전달에 중요한 역할을 한다는 사실을 알아냈다.

활성산소의 종류는 초과산화수소이온, 과산화수소, 하이드록시 라디칼, 싱클레트 옥시전 등 총 4가지다. 이 가운데 ‘물 분자’에 추가로 ‘산소 원자’ 하나를 달고 있는 형태를 지닌 과산화수소는 반응성이 뛰어나다. 늘 산소 원자를 상대방에게 건네고 자신은 안정된 물 분자 형태를 취하려는 욕망을 지니고 있기 때문이다. 우리 몸에서 대사의 부산물로 만들어지는 활성산소는 노화의 주범이다. 활성산소는 세포 내부의 작은 기관인 미토콘드리아에서 주로 생긴다. 체내에서 쓰이는 보통 산소보다 불안정해서 반응성이 증가된 여러 종류의 산소를 통칭한다. 보통 산소는 안정된 분자상태이고 활성산소는 여기에 전자들이 더 붙은 상태. 미토콘드리아는 몸속에 들어온 영양분과 산소를 이용해 에너지를 만들어내는 ‘공장’이다. 바로 에너지 생산 도중에 불완전 연소로 활성산소가 나오는 것이다. 진핵세포 안에는 모두 미토콘드리아가 있다  미토콘드리아는 세포 안에 들어가 에너지 공장의 역할을 한다. 그 대가로 세포는 영양분을 제공하고 자신이 분열할 때 미토콘드리아도 함께 분열하도록 허용한다. 전체적으로 볼 때 미토콘드리아가 세포에 굴복해 갇혀 지내는 것. 세포 내의 단백질과 유전자는 활성산소의 공격을 받으면 망가진다. 물론 체내에 이를 보수하는 메커니즘이 있지만 완벽하지 않다. 활성산소는 뇌에서 신경세포를 공격해 파킨슨병 같은 뇌질환을 일으키고 인체 곳곳에서 유전자를 망가뜨려 암을 유발한다. 

보통 정상적인 산소는 우리 몸속에서 약 100초 이상 머무르지만 불안정한 활성산소는 순식간에 생겼다가 없어진다. 이렇게 잠깐 존재하면서도 반응성이 매우 강해 우리 몸을 공격해 망가뜨린다. 이런 활성산소들은 우리 몸의 기본단위인 세포의 세포막을 공격해 원래 세포의 기능을 상실하게 만들고, 세포 내 유전자를 공격해 해당 세포가 재생하지 못하게 막는다. 결국 신호전달체계를 망가뜨리거나 면역력을 떨어트려 당뇨병, 동맥경화, 암 등의 체내 질병으로 이어지는 것이다. 또 세포의 재생을 막기 때문에 노화를 유발하거나 촉진시키는 일도 하는 셈이다. 

활성산소의 양이 지나치게 많아지면 신체에 나쁜 스트레스로 작용한다.  노화·암 등을 유발하는 주범이 되는 것이 이때다. 따라서 활기차게 살면서 노화를 억제하려면 활성산소 양을 적정하게 유지하는 것이 최선이다. 활성산소의 양이 과다하면 주름·  백내장·황반 변성·혈관 노화·암 등 그 해악이 나타나기 시작한다. 일반적으로 사람들은 과도한 활성산소를 줄이기 위해 비타민 C·비타민 E·카테킨(녹차)·레스베라트롤(적포도주) 등 각종 항산화 성분을 섭취하는 데 열중한다.  일종의 출구(배출) 전략이다. 그러나 활성산소가 처음부터 많이 생기지 않도록 막는 입구 전략이 더 효과적이라고 램버스 교수는 주장한다.

여러가지 유익한 기능
10년 전부터 활성산소의 좋은 면이 주목받기 시작했다. 활성산소가 세포의 성장에 필수적이란 점이 드러났기 때문이다. 
활성산소는 인간을 비롯한 동식물의 체내에 세균, 바이러스, 곰팡이 등의 이물질이 침입했을 경우, 이것을 녹여 없앰으로써 생체를 지키는 아주 중요한 역할을 합니다. 다시 말하면 백혈구(leukocyte) 중의 호중성구(neutrophil)나 대식세포(macrophage)와 같은 식세포(phagocyte)는 효소를 이용하여 활성산소를 생성하여 몸 속에 침입해온 바이러스나 곰팡이 등을 녹여버립니다. 또 간에서는 활성산소가 해독작용을 하기도 하고 어떤 활성산소는 암 세포를 죽이기도 합니다. 사실 많은 항암제들은 인체에 들어와서는 활성산소로 변하여 암세포를 죽이는 역할을 하는 약제이기도 합니다. 그리고 최근에 활성산소가 인체의 세포성장 및 세포자살에 관련된 다양한 생체 신호 전달 과정에서 매우 중요한 역할을 한다는 것이 밝혀지기도 하였습니다. 초파리의 경우 활성산소를 만드는 효소의 유전자를 없애면 번식하지 못한다.  사람도 마찬가지다. 정자는 활성산소를 뿜어내는 관을 통과하지 않으면 성숙하지 않는다. 몸 안에 활성산소가 적당량 있는 상태에서 사람은 최고의 성과(performance)를 낸다. 이 경우 활성산소는 유스트레스(eustress, 좋은 스트레스)다. 

활성산소 : 꼬마 선충의 수명을 증가시키키도

캐나다 맥길 대학의 지그프리드 헤키미(Siegfried Hekimi) 박사는 꼬마선충을 활성산소를 많이 생산하도록 유전조작 한 결과 수명이 단축되기는 커녕 보통 꼬마선충보다 오히려 수명이 더 연장되었다고 밝힌 것으로 사이언스 데일리가 2010년 12월 20일 보도했다. 이 유전자변형 꼬마선충들에 대표적인 항산화물질인 비타민C를 투여한 결과 이러한 수명연장 효과가 사라지면서 수명이 보통 꼬마선충과 같아졌다고 헤키미 박사는 밝혔다. 헤키미 박사는 이 실험에서는 활성산소의 과다생산이 체내의 보호-수리 메커니즘을 작동시키는 데 도움을 주는 것으로 나타났다면서 이는 활성산소가 세포를 파괴하는 독성을 지니고 있음에도 불구하고 한편으로는 웰빙에 중요한 기능을 수행할 수 있음을 보여주는 것이라고 말했다.

활성산소 : 세포의 성장과 분화에 역할

10년 전부터 활성산소가 세포의 성장과 분화에 긍정적인 역할을 한다는 사실이 드러났고 최근 그 구체적인 메커니즘이 밝혀지고 있다. 이화여대 분자생명과학부 강상원 교수팀은 활성산소가 세포의 증식을 조절하는 과정을 분자 수준에서 규명해 영국의 과학전문지 ‘네이처’ 5월 19일자에 발표했다. 강 교수팀은 ‘퍼록시레독신’이란 항산화 단백질이 활성산소를 잡아먹으면 세포가 증식을 멈춘다는 사실도 알아냈다. 특히 퍼록시레독신이 없는 생쥐에서 혈관세포의 이상 증식 현상을 확인했다. 활성산소가 세포에 계속 성장 신호를 보내기 때문이다. 반면 활성산소가 몸에 아예 없으면 세포는 자라지도 분열하지도 못할 운명에 처한다. 활성산소는 세균 증식을 억제해 염증을 막기도 한다. 이화여대 분자생명과학부 이원재 교수팀은 장내 세균 수가 많아지면 ‘듀옥스’란 효소가 활성산소를 만들어 살균작용을 한다는 사실을 밝혀내 미국의 과학전문지 ‘사이언스’ 4일자에 소개했다. 강 교수는 “활성산소가 적당히 있으면 세포가 성장하는 걸 돕고 너무 많으면 세포를 무참하게 죽인다는 사실이 명백해졌다”고 말했다. 

활성산소 : 세균이나 바이러스 억제

우리 몸이 활성산소를 만들어내 우리 몸을 침투한 세균이나 바이러스를 죽이기도 한다는 점이다. 우리 몸의 TLR4란 단백질이 병원균의 체내 침투를 인식하면 소량의 활성산소가 만들어지고 살균기능을 수행한다. 그러나 살균기능을 위해 생성된 활성산소는 자기 자신의 세포도 공격하므로 자연히 병균침입을 많이 받은 신체 부위는 상처를 입게 된다. 이에 우리 몸은 활성산소가 만들어지면 자동적으로 항산화 효소들이 작동시켜 이를 제거한다. 이런 항산화 효소는 간, 심장, 위, 췌장, 혈액, 뇌 등 모든 부위에 들어있다. 활성산소가 세포가 아닌 유해한 균을 공격한다는 것까지는 쉽게 이해가 된다. 1973년 초과산화물이 생명을 구한다는 놀라운 사실이 밝혀졌다. 백혈구와 같이 면역작용을 담당하는 포식세포들이 의도적으로 많은 양의 초과산화물을 만들어낸다. 백혈구가 인체에 치명적인 피해를 주는 박테리아나 곰팡이를 만나면 백혈구의 막에 결합된 NADPH 산화효소가 활성화된다. 그러면 혈액 속에 녹아있는 산소를 이용해서 초과산화물(O2-)이 대량으로 만들어진다. 초과산화물 자체는 병원체에 대한 저항력이 그렇게 크지 않지만, SOD에 의해서 과산화수소(H2O2)로 바뀌어진 후에 다른 효소에 의해서 엄청난 파괴력을 가진 하이포아염소산(HOCl)이 돼 병원체를 제거한다. 백혈구는 활성 산소를 만들어 본래의 임무(면역기능)를 완수하는 셈이다. 초과산화물에 의해서 만들어지는 다른 라디칼들도 비슷한 방법으로 면역 효과를 나타낸다.

활성산소 : 세포 성장에 관여

세포는 뇌, 면역세포, 인슐린 등이 보낸 외부 신호를 받기 위해 세포막 바깥에 수용체를 여러 개 두고 세포막의 좁은 지방 축적 구역에서 신호전달활동을 한다. 이 구역에 1차 신호전달물질이 들어오면, 2차 신호전달물질을 만든 후 다시 대상 단백질로 신호를 보낸다.이서구 교수팀이 연구한 결과에 따르면 활성산소 중 하나인 과산화수소가 2차 신호전달물질로 사용돼 세포 분열과 성장에 중요한 역할을 하는 단백질에 신호를 전달한다. 세포가 항산화 효소의 일종인 퍼옥시레독신(Prx)을 껐다 켰다 하면서 과산화수소를 세포 안 신호전달물질로 활용하는 것이다. 퍼옥시레독신은 원래 과산화수소를 없애는 효소로 알려져 있다. 이런 일이 어떻게 가능한 것일까. 우선 세포막의 신호 전달 구역에는 다른 항산화 효소는 없고 퍼옥시레독신만 있다. 이 효소는 과산화수소가 신호전달기능을 할 때 1차 신호전달물질의 영향을 받아 항산화 기능을 잃는다. 다시 말해 스위치가 꺼진 상태로 있는 것이다. 그러면 이 구역에 과산화수소가 쌓여 세포의 성장과 분화 신호가 핵까지 전달할 수 있다. 신호전달이 끝나면 퍼옥시레독신의 스위치가 다시 켜지므로 과산화수소를 없애는 기능을 할 수 있게 된다. 이처럼 활성산소는 질병과 노화의 원인만이 아니라 세포 성장과 분화에 도움을 주기도 한다. 또 과산화수소와 퍼옥시레독신처럼 활성산소와 항산화효소가 신호전달하는 과정을 자세히 알게 되면 암이나 당뇨병 등 활성산소 때문에 생겼던 질병들을 치료할 길을 찾을 수 있을지 모른다. 활성산소가 너무 많으면 세포를 죽이는 독성물질이 된다. 하지만 필요한 때와 장소에 필요한 만큼만 생성되면 세포의 성장을 돕고 분화를 촉진하는 좋은 기능을 한다. 활성산소가 하나도 없다면 세포가 자라지 못한다는 이야기이기도 하다. 만약 활성산소를 독성물질로만 규정했다면 이런 내용들은 알려지지 않았을 수도 있다. 모든 가능성을 열어두고 의문을 풀려는 과학자의 노력이 얼마나 중요한 지 다시금 생각하게 된다. 

활성산소 : 신호전달 물질

활성 산소들은 단백질의 산화 또는 환원에 관여함으로써 단백질의 특성을 변화시키기도 한다. 근래 일산화탄소처럼 인체에 치명적인 독성을 가진 일산화질소도 중요한 신경 전달물질이라는 사실이 밝혀져 관심을 모으기도 했다.

인체가 활성산소를 제거하는 메커니즘이 있지만 완전하지는 못하다. 따라서 장기간에 걸쳐 축적된 활성 산소에 영향을 받는 것은 당연한 일이다. 이것 때문에 생기는 대표적인 것이 노화다. 체내에서 산소 소모량이 줄어들면 활성 산소가 발생할 가능성도 줄어든다. 실제로 음식물 섭취를 줄이거나 냉혈 동물의 경우 낮은 온도에서 키우면 수명이 더 길어진다. 또 운동을 하면 활성 산소의 양이 늘어날 것 같지만, 적당한 운동은 항산화 메커니즘을 촉진시키므로 활성 산소를 줄여 노화 방지에 도움이 된다. 세포의 항산화 물질 중의 하나인 SOD가 너무 많은 것도 부족한 경우만큼이나 위험하다. 그럼에도 불구하고 최근에는 각종 식품이나 심지어는 화장품에까지 SOD를 첨가해서 노화 방지에 도움이 된다고 주장한다. 인체의 화학 작용은 그렇게 단순하지 않기 때문에 단편적인 지식만으로 영원한 청춘을 꿈꾸는 것은 지혜롭지 못하다

NADPH oxidase 
 



 

 

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