세포 손상에서 잠깐 다뤘던 저산소증 (Hypoxia) , 그 영향에 대해 다뤄보겠습니다 🙂

2. 산소는 ‘산화적 인산화 과정’을 통해 ATP를 생성한다.

산소를 이용해 ATP를 생산
-> 어떻게? 미토콘드리아 내막의 산화적 인산화 과정을 통해

그럼 우리 몸은 산소를 통해 어떻게 ATP를 만들까요? 바로 세포 내 미토콘드리아라는 애가 산소를 받아 ATP를 만듭니다. 이를 산화적 인산화(oxidative phosphorylation)고 부르는데요, 미토콘드리아는 산소를 이용해 마치 공장처럼 ATP를 생산합니다. 만약 세포가 충분한 산소를 받지 못하면 ATP를 만들 수 없게 되고, 세포의 모든 기능이 멈추거나 손상될 수 있습니다. 이렇게 산소를 얻지 못해 세포가 손상되는 것을 저산소증(hypoxia)이라고 부릅니다. 여기서 ‘hypo’는 ‘부족함’을, ‘oxia’는 ‘산소화’를 의미합니다.

• 산소가 충분히 공급되면 미토콘드리아의 내막에서 산화적 인산화가 일어납니다. 산소는 마지막 단계에서 전자 수용체로 작용하여 ATP를 생성하게 합니다.
• 하지만 산소가 없으면 이 과정이 완료되지 않으며 ATP를 만들 수 없습니다. 이를 저산소증 (Hypoxia)라고 합니다. 

3. ATP가 부족하면 ‘나트륨-칼륨 펌프’가 손상된다. 

나트륨-칼륨 펌프 고장 -> 세포 부종 발생

저산소증에서 ATP 생산이 안된다는 것은 이해했습니다, 그렇다면 ATP가 없을 때 왜 세포가 손상되는 걸까요? 그냥 쉬면 안되는 걸까요? 이는 세포 내의 나트륨-칼륨 펌프(sodium-potassium pump) 때문입니다. 이 펌프는 (1) 세포 내로 나트륨이 과도하게 들어오는 것을 막아주고, 농도 차이를 유지하기 위해 (2) ATP를 사용해 나트륨을 세포 밖으로 내보냅니다. 이렇게 나트륨 농도를 조절함으로써 세포 내로 물이 과도하게 들어오는 것을 방지합니다( 나트륨과 물이 한 세트라고 보시면 됩니다) .하지만 ATP가 없으면 어떻게 될까요? 나트륨-칼륨 펌프가 작동을 멈추고, 나트륨이 계속 세포 안으로 들어와 농도 차이가 사라지면서 물도 함께 들어와 세포가 부풀게 됩니다. 이를 세포 부종이라고 합니다. 

4. 세포 부종은 어떤 영향을 끼치는가?

(1) 미세융모의 부종 : 영양분 흡수 어려워짐
(2) 블레빙 현상 : 세포 골격이 붕괴되면서 세포 형태 유지가 어려워짐
(3) 거친면 소포체의 부종 : 리보솜이 떨어져 나가 단백질 합성에 장애

저산소증의 결과로 세포가 부풀면 몇 가지 문제가 발생합니다.

(1) 미세 융모의 부종 / (2) 블레빙 현상 / (3) 거친면 소포체의 부종

1. 먼저, 세포막에 있는 미세융모(microvilli)들이 물로 인해 부풀어 오릅니다. 그럼, 미세 융모의 표면적이 줄어들어 영양분 흡수가 어려워집니다.
2. 또한, 세포는 물이 과도하게 들어오면서 불룩해지는 ‘블레빙(blebbing)’ 이라는 현상을 보이는데요. 블레빙은 세포막이 부분적으로 돌출되는 현상으로, 세포 골격이 불안정해지면서 발생합니다. 세포 골격의 붕괴로 인해 세포의 형태 유지가 어려워지며, 결국 세포막의 파열이나 세포 사멸로 이어질 수 있습니다.
3. 마지막으로, 거친면 소포체(rough ER)라는 소기관이 부풀어 단백질 합성이 감소하게 됩니다. 거친면 소포체는 세포 내에서 단백질 합성에 중요한 역할을 하는 구조인데요, 이런 거친면 소포체에는 리보솜이라는 작은 단백질 합성 기구가 붙어 있어 이 곳에서 세포의 주요 단백질이 만들어집니다. 하지만 세포 부종으로 거친면 소포체도 부풀게 되면 리보솜이 떨어져 나가면서 단백질 합성에 장애가 발생하는 것이죠.

5. 무산소성 해당작용과 젖산 축적

산소가 없어도 ATP 생산이 가능하나 효율이 떨어지고 젖산이 축적됨

그럼 산소가 없으면 ATP를 아예 생산하지 못 할까요? 산소와 산화적 인산화가 멈춘다고 해서 ATP가 완전히 없어지는 것은 아닙니다. 저산소증에서 세포는 산소 없이도 ATP를 생성할 수 있는데, 이를 무산소성 해당작용(anaerobic glycolysis)이라고 합니다. 이 과정은 산소 없이도 ATP를 생성하지만, 아무래도 산소가 있을 때보단 효율이 떨어져 포도당 한 분자당 약 2개의 ATP만 만들 수 있습니다. 이 과정에서 젖산(lactic acid)이라는 부산물이 생기며, 이는 세포 내부의 pH를 낮춰 환경을 산성화시키고, 단백질과 효소를 변성시킬 수 있습니다.

6. 가역적 세포 손상과 비가역적 세포 손상

다행히 이 단계까지는 세포 손상이 되돌릴 수 있는 상태입니다. 산소가 다시 공급되면 ATP를 만들고 세포 기능을 회복할 수 있습니다.  하지만 시간이 지나면 세포는 돌이킬 수 없는 손상을 입게 되는데, 이런 손상을 비가역적 손상이라고 얘기합니다. –

(1) 칼슘 축적으로 세포 골격과 DNA를 손상시키는 효소가 활성화

칼슘 펌프가 작동을 멈춤 -> 세포 내 칼슘 축적 -> 단백질 분해효소/ 엔도뉴클레아제 활성화

아까 설명한 나트륨-칼륨 펌프처럼 칼슘 펌프라는 구조가 있는데요. 이 칼슘 펌프가 작동을 멈추면 세포 내에 칼슘이 축적되어 세포 골격을 파괴하는 단백질 분해효소(protease)나 DNA를 손상시키는 엔도뉴클레아제(endonuclease)를 활성화시키기 때문입니다. 

(2) 젖산 축적으로 리소좀 손상, 가수분해효소 유출

또한, 아까 설명드린 젖산(Lactic acid)이 축적되면서 리소좀(lysosome)의 막도 손상될 수 있습니다. 리소좀에는 큰 분자를 분해하는 가수분해 효소가 있는데, 이들이 세포 내로 유출되면 세포를 내부에서부터 분해하게 됩니다. 그리고 세포막이 손상되면 이러한 효소들이 혈액으로 유출되어 주변 조직에도 손상을 입힙니다.

(3) 칼슘 축적으로 미토콘드리아 손상과 세포 자멸사

마지막으로, 칼슘이 미토콘드리아에 들어가면 미토콘드리아의 막 투과성이 증가하여 사이토크롬 C(cytochrome C)라는 분자가 세포질로 유출됩니다. 이는 세포가 자살 버튼을 누른 것과 같아 세포 자멸사(apoptosis)라는 과정을 유발하게 됩니다. 세포 자멸사 (Apoptosis)에 대한 것은 여기 포스팅에 자세히 다뤘으니 읽어주세요 🙂 

9. 글을 마치며

결국, 산소 부족, 즉 저산소증은 세포에 심각한 손상을 일으키며, 이는 충분한 시간 동안 산소가 공급되지 않을 때 돌이킬 수 없는 결과를 초래합니다. 이런 저산소증은 다양한 원인이 있는데여, 다음 포스팅을 통해 다뤄보도록 하겠습니다.