활성산소(Free Radical Injury)

활성 산소(Free Radicals)와 항산화제, 광고에서는 많이 접하지만 정작 이들을 설명하는 영상은 많이 없더라고요. 활성 산소는 세포막, 단백질, DNA와 같은 중요한 생체 구성 요소에 손상을 입힐 수 있으며, 이러한 손상은 심혈관 질환, 암, 노화, 신경퇴행성 질환 등 다양한 질병의 발생과 밀접한 관련이 있는데요, 이번 글에서 (1) 활성산소가 뭔지, (2) 왜 생기는지, (3) 어떻게 세포를 손상시키는지 간략히 알아보도록 하겠습니다.

활성 산소(Free Radical)의 특징 2가지

활성 산소(Free Radical) 는 먼저 이 두 가지 개념을 알고 있으면 됩니다.

(1) 짝지어 지지 않은 전자 1개를 갖고 있어 매우 불안정함

• 외부 오비탈에 비공유 전자 (Unpaired electron) 1개가 있다는 뜻이에요
• 정상적인 산소 분자와 달리 전자 균형이 깨져 매우 불안정합니다.

(2) 그래서 안정해지려고 주변에서 전자를 빼앗아오려고 함

• 어떻게든 주변 분자들과 반응을 일으켜 전자를 빼앗으려고 합니다
  • 항상 반응을 일으키려 하니까 반응성이 높다고 하고요
  • 전자를 뺏는게 산화죠? 산화적 스트레스를 일으킵니다

활성 산소는 언제 생성되는가?

미토콘드리아의 산화적 인산화 과정

활성 산소는 주로 미토콘드리아의 산화적 인산화 과정에서 생성됩니다.

미토콘드리아에서 ATP를 생성하는 산화적 인산화 과정에서 산소가 불완전하게 환원되면서 Superoxide anion(O₂⁻·)과 같은 반응성 산소종(Reactive Oxygen Species)이 생성됩니다. 정상적으로도 생기지만 미토콘드리아의 기능 이상이 있는 경우 더욱 많이 생성됩니다.

• 산소가 불안전하게 환원된다는 말은 쉽게 말해 중간 단계의 불완전한 형태로 변한다는 거에요 .

• 미토콘드리아에서 생성된 활성 산소는 특히 미토콘드리아 DNA(mtDNA)에 손상을 입히기 쉬운데, 이는 mtDNA가 핵 DNA보다 손상을 복구할 수 있는 능력이 부족하기 때문입니다.

면역 세포의 염증 반응

대식세포와 호중구 같은 면역 세포는 세균, 병원체 등의 병원체를 공격하기 위해 활성산소를 생성합니다. 병원체를 제거하는데 꼭 필요하지만 만성 염증 등 통제가 안 될 경우 정상 세포에도 손상을 줄 수 있습니다.

외부 요인에 의해 촉진

방사선, 자외선(UV), 담배 연기, 환경 오염 물질과 같은 외부 요인도 활성산소의 생성을 촉진합니다. 특히 흡연은 여러 유해물질이 포함되어 있어 폐와 혈관에심한 손상을 끼칩니다.

금속 이온과 반응

활성산소는 금속 이온(예: 철(Fe), 구리(Cu))과 반응하여 더욱 반응성이 강한 형태의 활성산소(예: Hydroxyl Radical(OH·))를 생성할 수 있습니다. 예를 들어, 과산화수소(H₂O₂)가 철(Fe)과 반응하여 Hydroxyl Radical(OH·)을 형성하며, 이는 매우 강력한 산화제로 세포에 큰 손상을 일으킬 수 있습니다. (= Fenton Reaction)

항암제, 항생제 등 약물

항암제, 항생제와 같은 약물이나 특정 화학 물질은 체내에서 활성산소의 생성을 촉진할 수 있습니다. 각각 암세포 사멸, 세균 사멸에 중요한 역할을 하지만 이 과정에서 정상 세포에도 손상을 줄 수 있어 부작용이 발생할 수 있습니다.

정신적 스트레스

지속적인 정신적 스트레스는 코르티솔(Cortisol)과 같은 호르몬의 증가를 유도하며, 이는 체내 산화 스트레스를 증가시키는 데 기여할 수 있습니다. 코르티솔(Cortisol)은 신체가 스트레스 상황에 대처하는데 중요한 역할을 하지만, 장기적으로 너무 높은 코르티솔 수치는 오히려 활성 산소의 생성을 촉진하고 면역체계를 약화시킬 수 있습니다. 이러한 호르몬 변화는 간접적으로 활성산소의 생성을 촉진하며, 면역 체계의 균형을 깨트릴 수 있습니다.

활성 산소는 어떻게 손상을 시키는가

활성 산소는 짝지어지지 않은 전자로 불안정하기 때문에, 항상 주변 분자들로부터 전자를 빼앗아 안정해지려 한다고 했습니다.주변의 다른 분자들로부터 전자를 빼앗는 것을 ‘산화 스트레스(oxidative stress)를 유발한다’라고 표현하는데요. 이러한 산화 스트레스는 세포 내 다양한 분자를 손상시켜 세포 기능을 방해하고, 조직 손상을 유발할 수 있으며, 이러한 과정이 반복될 경우 만성적인 질병 상태로 발전할 수 있습니다. 기전에 대해 설명해보겠습니다.

지질 과산화(Lipid Peroxidation)

활성산소는 세포막의 불포화 지방산을 산화시켜 지질 과산화를 일으킵니다. 세포막을 이루는 지질을 손상시키기 때문에 세포막이 약해지고 세포의 기능이 제대로 이루어짖 ㅣ않게 되며, 이로 인해 세포막의 유동성과 투과성이 변하고 , 세포막의 구조적 안정성을 손상시킵니다.

이 과정에서 생성된 말론디알데히드(Malondialdehyde, MDA)와 같은 산화 생성물은 추가적인 손상을 유발하며, 다양한 생화학적 경로를 방해합니다. 지질 과산화는 세포막의 기능을 크게 저해하며, 세포 내 신호 전달을 방해하거나 세포 사멸로 이어질 수 있습니다.

단백질 산화(Protein Oxidation)

활성산소는 단백질의 아미노산 잔기(Amino acid Residue)를 산화시켜 단백질의 구조를 변형시킵니다. 이러한 산화적 변화는 효소의 활성 저하, 단백질 분해 및 기능 부전으로 이어져 세포의 생리적 기능을 방해합니다( ex, 활성 부위가 산화된 효소는 원래의 기능을 수행하지 못하게 됨). 또한, 산화된 단백질은 세포 내 축적되어 단백질 대사 시스템에 부담을 주며, 유비퀴틴-프로테아좀 시스템(Ubiquitin–Proteasome System, UPS) 을 통해 적절히 제거되지 않으면 세포 독성을 유발할 수 있습니다.

DNA 손상(DNA Damage)

활성산소는 DNA 염기를 산화시키거나 DNA 가닥을 절단하여 유전적 돌연변이와 불안정성을 유발할 수 있습니다. DNA 손상은 세포의 분열과 복제를 방해하고, 유전자 발현의 변화를 초래할 수 있는데요, 특히 p53과 같은 종양 억제 유전자가 손상되면 세포의 자멸사(apoptosis) 기전이 억제되고, 결과적으로 암 발생 위험이 증가합니다. 또 활성산소에 의한 DNA 손상은 특히 노화와 관련된 돌연변이 축적에 중요한 역할을 하며, 이는 만성적인 염증 상태와 다양한 질병의 원인이 될 수 있습니다.

활성 산소는 어떤 질병과 관련 있는가

심혈관 질환

활성산소는 저밀도 지단백(LDL)을 산화시켜 동맥경화(atherosclerosis)를 촉진합니다. 산화된 LDL은 혈관 내피 세포에 손상을 일으키고, 면역 세포의 침윤을 유도하여 플라크 형성을 유발합니다. 이러한 플라크는 혈관을 좁혀 혈류를 감소시키고, 심근경색이나 뇌졸중과 같은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다. 활성산소는 또한 혈관의 이완 기능을 저해하여 고혈압을 유발할 수 있으며, 이는 추가적인 심혈관계 합병증으로 이어질 수 있습니다.

암

활성산소는 DNA 손상을 통해 돌연변이를 유발하고, 이는 암 발생의 중요한 원인으로 작용합니다. 활성산소는 유전자 불안정성을 증가시켜 세포의 비정상적인 성장을 촉진하며, 종양 형성을 유도합니다. 종양 억제 유전자의 손상은 암의 발생과 진행에 중요한 역할을 합니다. 암 조직에서는 산화 스트레스가 증가되어 있으며, 이는 종양의 침습성과 전이를 촉진하는 요소로 작용합니다. 또한, 활성산소는 종양 미세환경에서 종양 세포의 생존과 성장을 돕는 신호 전달 경로를 활성화할 수 있습니다.

신경퇴행성 질환

활성산소는 알츠하이머병과 파킨슨병 같은 신경퇴행성 질환과 밀접하게 관련이 있습니다. 신경세포는 높은 산소 소비로 인해 활성산소에 특히 취약하며, 산화 스트레스가 신경세포의 퇴행과 사멸을 가속화하여 질환의 진행을 촉진합니다. 알츠하이머병에서는 베타 아밀로이드 플라크 축적이 산화 스트레스를 증가시키며, 이는 신경 염증과 세포 손상을 악화시킵니다. 파킨슨병에서도 도파민 생성 뉴런이 활성산소에 의해 손상되어 증상이 진행되며, 이는 결국 운동 능력 저하로 이어집니다.

노화

활성산소는 노화 과정에서도 중요한 역할을 합니다. 산화 스트레스는 세포 내 DNA, 단백질, 지질을 손상시켜 세포 기능을 저하시킵니다. 이러한 손상이 축적되면서 세포의 재생 능력이 감소하고, 이는 노화의 가시적인 징후뿐만 아니라 내적인 노화와도 관련이 있습니다. 미토콘드리아 기능 저하는 노화와 밀접하게 관련되어 있으며, 미토콘드리아에서 생성되는 활성산소는 세포의 에너지 생산을 저해하고 노화를 가속화합니다.

글을 마치며

이번 포스트에서는 활성산소가 뭔지, 언제 생성되는지, 어떻게우리 몸을 손상시키고 질병을 유발하는지 알아봤습니다. 활성산소로 인한 손상을 줄이기 위해서는 항산화제 (Antioidant)가 필요한데요, 이는 다음 포스트에서 정리해보겠습니다.