활성 산소
1. 개요
活性酸素, Reactive oxygen species(ROS)[1]
일반적인 산소(안정한 상태)보다 활성이 크고 불안정하며 높은 에너지를 갖고 있는 산소를 말한다. 대표적인 예로는 Superoxide(O2-), hydroperoxyl radical, 과산화수소(H2O2), 히드록시라디칼(OH*)이 있다. 다른 예와 자세한 내용은 네이버 지식사전 등을 참고할 것. 굉장히 불안정한 물질로 다른 분자, 예를 들어 '''DNA'''로부터 전자를 빼앗아 산화시키려는 성질이 있기 때문에[2] 복제 오류, end replication problem[3], 방사선과 함께 DNA를 손상시키는 주범이다.
성인병과 암을 비롯한 질병을 일으키는 원인이자 노화를 일으키는 주범 중 하나이기도 하지만, 반대로 면역체계 강화, 근육 재생, 당뇨병 억제, 퇴행성 관절염을 완화시키는 기능도 한다. 활성산소는 '''우리 몸에 반드시 필요한 물질'''로 세포 신호 전달과 항상성 유지에 반드시 필요한 산화환원신호의 매개체가 된다고 한다. 물론 농도가 낮을 때의 얘기. 링크 한마디로 과유불급의 예시에 해당하는 것들 중 하나이다. 자세한 것은 후술.
우리 체내에 있는 항산화 효소는 활성산소를 억제하는 기능이 있다.
2. 체내에서 활성 산소의 생성
지구상에 존재하는 대부분의 생물은 산소를 이용해 호흡을 한다. 이러한 호흡의 핵심은 세포의 미토콘드리아(Mitochondria)라는 세포내 소기관에 있다. 미토콘드리아에 있는 전자전달계(Electron transport chain)는 섭취한 유기물로부터 유래된 전자를 산소로 전달하며 에너지를 생성하고, 전자를 받은 산소는 양성자(혹은 수소양이온, H+)와 함께 안정한 상태인 물이 된다.
이 호흡과정에서 일부(극히 일부)가 물이 되지 않고 전자만 받아 라디칼(Radical)[4]상태가 되는데 이것에 체내 호흡과정에서 주로 생기는 활성 산소의 일종인 슈퍼옥사이드(Superoxide)이다. 대략 0.2% ~ 1% 정도이며, 그나마도 방어 체계에 의해 무력화된다.
이 라디칼(Radical)들은 불안정하고 높은 에너지를 갖고 있어, 신체의 다른 분자들과 쉽게 산화반응을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 세포와 조직이 손상을 입게 된다. 쉽게 생각하면 어느 미친 불도저가 몸 속을 마구 헤집는다고 생각하면 되겠다.
이러한 조직과 세포의 지속적인 손상은 노화를 불러 일으키며, 높은 에너지를 갖고 있는 활성산소종은 방사선과 같이 세포의 DNA를 공격하여 변형시킬 수 있으므로, 암을 유발할 수 있다.
3. 항산화제
활성 산소는 반응성이 높으므로 생물은 호흡과 함께 시작된 딜레마(산소호흡을 하면 활성산소가 생기니...)를 해결하기 위해 활성 산소를 무력화시키고 안정한 상태의 물질로 변환하는 체계를 발달시켜왔다. 대표적인 예로는 중고등학교 때 많이 본 효소인 카탈레이스(Catalase)와 SOD(Super Oxide Dismutase)이다.
SOD는 Superoxide를 과산화수소(H2O2)나 일반적인 산소(O2)로 변환시키며, 카탈레이스는 과산화수소를 물과 산소로 분해한다.[5]
또한 여러 항산화제도 갖고 있는데, 이는 생물의 생체 분자나 조직 대신 산화되어 조직을 보호하는 역할을 한다. 이러한 항산화제는 공격을 받아 산화된 이후에 다시 환원되어 조직을 보호할 수 있도록 재생되므로, 항산화 효과를 본답시고 과량으로 먹을 필요도 없다. 권장량을 섭취하는 것으로 충분하다.
항산화제의 대표적인 예로는 비타민 C라 부르는 아스코브산, 글루타치온, 비타민 E라 부르는 토코페롤 등이 있다.
항산화제와 관련해서는 다음의 영문 위키피디아 문서를 참조하자.
4. 활성 산소가 발생하는 경우
0. '''호흡''': '''활성 산소가 발생하는 근본적인 이유'''다. 미토콘드리아가 산소를 이용해서 에너지를 만들어내는 이상, 활성 산소는 필연적으로 발생할 수밖에 없다. 비유하자면 기름을 때는 자동차에서 나오는 배기 가스라고 할 수 있다.
1. 백혈구가 세균을 죽일 때: 이것은 활성 산소를 이물질에 대한 무기로 이용하는 것이다.
2. 격렬한 운동을 할 때: 호흡량이 늘어나므로.
3. 과도한 스트레스를 받을 때: 역시 호흡과 대사가 늘어난다.
4. 물질대사: 모든 화학 물질의 대사에는 호흡이 관여한다. 참고로 이 경우의 대표적인 예시가 '''음식을 먹을 때'''.
5. 흡연: 불완전 연소로 인한 활성산소가 기도로 들어온다. 뿐만 아니라 담배연기에는 니코틴, 일산화탄소와 같은 산화성 및 독성 물질이 많다.
6. 자외선, 방사선에 노출: 에너지가 높은 전자기파나 입자선은 물 분자를 간단히 쪼갤 수 있으며, 특히 방사선은 가장 위험한 히드록시라디칼을 만들어낸다.
7. 혈관이 막혔다가 갑작스럽게 풀릴 때: 심근경색 및 뇌경색을 병원에서 치료할 때 일어나는 ‘허혈 재관류 손상’을 가리킨다. 막혔던 피가 갑자기 쏟아져 들어오는 속도가 빠를수록 활성산소의 생성량이 늘어나 2차 손상이 심해진다.
8. 말라리아에 감염: 말라리아원충이 헤모글로빈을 파괴하면 활성산소가 발생하는데, 이것은 당연히 원충에게도 치명적이므로 원충은 이것을 막기 위해 찌꺼기를 모아 헤모조인을 만들어내고, 그 결과 몸에 반점이 생기게 된다.
9. 오존(O3)이 분해되어 산소분자(O2)가 될 때 나머지 산소 원자 하나가 발생기 산소(O-), 즉 활성 산소가 된다. 반대로 강한 자외선으로 산소분자가 오존이 될 때도 활성 산소가 생긴다. 가정에서 쓰는 옥시크린 등 산소계 표백제도 물에서 분해되며 발생기 산소를 생성하고 그 발생기 산소의 산화력으로 표백을 한다. 세제를 섭취하면 안되는 근본적인 이유가 이것이다.
10. 파라콰트 계열 농약이 체내에 흡수됐을 시: 파라콰트계열 농약은 전자를 뜯어올 유기 조직과 그 전자를 전달할 산소만 있다면 '''촉매 반응'''을 하며 스스로를 소모하지 않고 전신을 돌아다니며 활성산소를 닥치는대로 만들고 다닌다. 그리고 인체 내부는 당연하게도 온 사방이 유기 조직에다 산소는 순환계가 정지하지 않는 이상 무한정 공급된다. 과거 그라목손이 실생활에서 접할 수 있던 약물 중 사람을 가장 고통스럽게 죽일 수 있는 물질로 꼽히는 게 이 때문이다. 자세한 사항은 그라목손 문서 참조.
5. 결론
지금까지의 활성산소가 건강을 위협하는 최대의 적이라는 내용이 언론 및 보통의 인식이지만, 활성 산소가 "아이고 우린 이제 죽었어!"할 정도로 무서운 것은 아니다. 2000년대 이후부터 새로운 만악의 근원으로 널리 알려지고 있지만, 실제로 활성 산소만이 위에서 예를 든 많은 질병들의 원인이 되는 것이 아니며, 또한 활성 산소가 결정적으로 크게 기여하는 것도 아니다. 활성 산소가 밝혀지기 전에도 오래 산 사람들은 많았다는 것을 생각해보자. 현재 산소호흡을 하며 살아가는 생물들, 즉 '''혐기성 세균을 제외한 모든 생물'''은 활성 산소를 충분히 버텨내었기에 산소로 호흡을 하며 지금까지 멸종하지 않았던 것이다.
다만 활성 산소는 그 자체보다는 상기 서술한 내용대로 오존층 파괴처럼 다른 파괴를 돕는 촉매 역할을 할 수 있어 물론 많으면 좋지 않다. 튀김 등의 요리는 조리과정상 화학적으로 열분해와 같은 과정을 거치는 꼴이므로 비교적 많은 라디칼들이 발생될 위험이 있는데 사실 활성 산소는 개인이 컨트롤하기 힘들다. 반응성이 워낙 좋아서 민폐인 녀석이라 외부에서 만들어지고 체내까지 들어오기도 전에 반응이 끝나는 경우가 대부분. 운동을 하거나 자외선 노출 등의 경우에도 산소를 사용하는 과정이므로 필연적으로 부산물로 산소 라디칼이 생기지만 그 양은 극미량이고 금방 불활성화된다. 애초에 산소가 전자 하나를 더 어디서 가져와서 '''라디칼이 된다는 것 자체가 굉장한 에너지를 필요로 한다.''' 절대 쉽게 생겨나서 쉽게 운반되는 게 아니다. 힘들게 생겨나서 금방 사라져버린다.
다만 최근 연구에서는 '''활성 산소가 건강에 도움이 될 수도 있다는 점을 염두에 두고 적정 수준으로 유지할 필요가 있다'''고 말한다. 우선 몸속에 침입한 바이러스를 백혈구가 잡아먹기 쉽게 약화시키거나 죽이는 역할을 맡는다. 또한 면역기제를 활성화 시켜 인터페론을 생성하도록 유도하여 면역체제를 강화시키기도 하는 듯. 또한 위의 표에서 활성산소가 발생하는 예에서 식사의 경우 혈당이 높아지면 '인슐린을 조절하라' '식욕을 떨어트리는 호르몬을 분비하라' 등 신호를 전달하고 운동의 경우 '찢어진 세포를 복구하라` 등 이런저런 신호를 보낸다는 것이다.
또한, 항생제를 사용했을 때 면역력이 크게 약화되는데[6], 그 원인이 활성 산소를 분해할수 있는 효소를 가진 미생물이 살아남아 증식하게 되고[7] 그 효소로 인해 활성 산소의 농도가 급감, 면역력이 오히려 떨어진다는 것. 특히 콜레라에 취약해지게 된다고 한다. 참고 자료
정리해 말하면 활성 산소의 존재가 몸에 좋지만도, 나쁘지만도 않다는 것이다. 생명체의 진화는 폼이 아니다. 다만 활성 산소 또는 그보다 더욱 위험한 다른 이유(알코올, 담배 등)들로 인해 염색체가 손상을 입으면 이는 복구되지 않으므로 손상을 입은 염색체가 많아지거나 손상이 지나치게 커지면 돌연변이를 유발할 수도 있다. 활성 산소가 그 활동성을 지키면서 세포벽과 세포 내 물질들을 뚫고 핵을 뚫고 무사히 들어간다는 전제 하에.
건강을 챙기는 것은 좋지만, 이를 확대 해석하여 과학적 지식을 어설프게 이용하여, 또한 함부로 자연현상을 확정짓지 않고 모든 극단의 가능성까지도 인정하고 고려하는 과학적 입장을 악의적으로 사용하는 것은 좋지 않다. 이를 간과할 경우 개인적이든 사회적이든 큰 혼란을 가져올 수 있다. 이런 것을 '''유사과학'''이라고 하며 크게 경계해야 한다. 대표적인 예로 활성 산소를 제거한답시고 체내에 과산화수소를 주사기로 주입한다든가, 수소수라는 말 그대로 수소를 미량으로 주입한 생수를 팔아먹는[8] 데 쓰인다. 참고로 이 수소수라는 물건의 체내 작동 메커니즘은 다음과 같다. "몸 속에 활성 산소가 생긴다 → 수소수를 마신다 → 수소와 산소가 만나니 화학 반응으로 물이 된다 → 물은 몸 밖으로 빠져나간다 → 몸에 활성 산소가 없네? 본 문서에 나오듯 보통 사람은 체내 활성 산소에 대한 방어체계가 제대로 작동하고, 그 생성량도 미량이기 때문에 수소수가 '''파는 사람들''' 말대로 산소랑 결합하니마니 해봤자 큰 의미는 없을 듯하다. 탄산수는 톡 쏘는 맛으로라도 먹지. 수소수는 물 맛이 좋은 것[9] 이외에는 별 이득이 없다.
결론적으로 활성 산소가 여러 곳에 쓰이는 평범한 화학종이지만 체내에서는 그다지 좋지 않을 수도 있다는 것을 인식하는 것으로 끝내고 적절한 환경에서 적절히 운동하고 적절한 음식을 섭취하는 것으로 그 대응은 충분하다.
활성산소종(Reactive Oxygen Species: ROS)에 대하여 더욱 자세한 정보는 영어가 된다면 링크를 참조할 것.
활성 산소는 수돗물을 소독하는 데에도 사용된다. 보통 수돗물은 염소로 소독한다고 알고 있는 사람이 많을텐데, 염소 소독의 원리가 바로 염소를 물과 반응시키면 만들어지는 활성 산소를 이용해 소독하는 것이다. 과산화수소수를 이용한 소독 효과도 이 활성 산소를 이용한 것이다. 위에 언급한 카탈라아제 효소로 활성 산소가 발생하고, 이 활성 산소를 이용해서 소독 효과를 보는 것.
국내의 연구진이 활성산소에 대한 세포반응의 기전을 규명해서 주목을 받고 있다. 자세한 건 직접 찾아보자.
[1] 활성산소종[2] 이를 산화 스트레스(oxidation stress)라고 한다.[3] DNA를 구성하는 뉴클레오타이드는 5'->3' 방향으로만 결합하며 반드시 선행된 뉴클레오타이드가 존재해서 3' 말단을 제공해야 하기에, 복제 시에는 특정 구간에 RNA로 구성된 프라이머(선행 뉴클레오타이드를 필요로 하지 않는다)가 주형에 결합하여 3' 말단을 제공하는 역할을 하며, 이 프라이머는 이후 DNA로 교체된다. 문제는 이 부분이 DNA 뉴클레오타이드로 교체될 때에도 선행 뉴클레오타이드가 필요한데, 복제된 가닥의 5' 말단에 위치한 프라이머의 경우 '''선행 뉴클레오타이드가 없기에 DNA로 교체되지 못하고 그대로 제거된다는 것이다.''' 이를 end replication problem이라고 하며 이 문제로 인해 모든 진핵생물은 DNA가 점점 짧아져 노화할 수밖에 없다. 이를 방지하기 위해 DNA의 양 말단에 비암호화 영역이 길게 존재하는데 이것이 바로 텔로미어다.[4] 그중에서도 자유 라디칼(유리기)[5] 일부 고균이나 세균은 이런 항산화효소가 없어서 산소에 노출되면 죽는다.[6] 미국에서 항생제 투여 후 면역력이 약화되어 감염증에 걸려 사망하는 사람이 한해 29,000명이라고 한다.[7] 항생제의 독성에 의해 전체 미생물이 급감했다가 면역세포가 내뿜는 활성 산소에 대항할수 있는 대장균이 증식하는 것.[8] 미니스탑에서 250ml 1캔당 1200원에 팔고 있다. 500ml 한국 생수보다 1.2배에서 2배 가까이 비싸고 거의 에비앙급이다.[9] 이마저도 플라시보 효과(가짜 약 효과)일 가능성이 높다.