오늘날 생활에서 우리가 간접적이나마 접하는 물질들과 직접적인 인체에 해가 되는 것들은 무수히 많다고 봅니다. 하지만, 유해한 것이 긍정적일 수가 있고, 무해한 것이 부정적일 수 있다는 것은 일반사람은 모를것이라 봅니다. 하지만, 과학의 발달로 인하여 건강에 대한 부수적인 이론들이 많이 나오고 있는데, 이중에서 'Free radical'에 대하여 알아보려 한다. 'Free radical'이라는 것은 무엇을 의미하며, 그로 인하여 우리에게 주는 것은 무엇이 있는지 알아보자. 그리고 'Free radical'이 어떠한 위치에서 악영향을 주며 악영향을 주게되는 근거를 나열해보도록 하자.
1) 활성산소종, 유해산소, 활성이 강하여 다른 분자와 결합하는 반응성이 큰 산소분자를 말한다
산소
1. 산소에 의한 에너지 획득
우리들은 공기중의 산소를 체내에 들여와 호흡하여 만들어지는 에너지로 생존하고 있다. 따라서 산소는 생물이 생존하기 위한 소중하며 독성이 없다고 오늘날까지 생각해 왔었다. 물론 이것은 잘못이 아니다. 우리들은 평소 호흡을 통해 산소를 몸안으로 흡입하고, 산화에 의해 얻은 energe를 이용하는 등, 산소의 큰 은혜를 얻고 살아가고 있다. 어느 누구도, 이러한 사실을 부정할 수 없다.
2. 산소의 독성
산소는 생명의 에너지를 위해 필요·불가결하지만 한편으로는 산소의 유해한 작용에 의해 생체에 장애를 받아 다양한 질환의 원인이 되며 노화와 죽음의 원인이 된다는 것이 점차 밝혀지고 있다. 그 일례를 들어보면 산소 농도가 높은 방에서 식물을 재배하거나 동물을 사육하면 식물은 성장이 저해되어 시들고, 곤충 등은 수명이 현저하게 짧아진다는 것이 밝혀졌다. 또 다른 한 예를 들어보면 세균의 한 종류로 혐기성균이라 불리우는 세균이 있다.
상처를 입어 파상풍 등의 위험성이 있을 경우에는 상처의 부분을 절개하여 공기에 노출시키면 상처난 자리가 곪지 않고 세균이 사멸하게 된다. 이것은 산소의 독성을 이용한 살균방법이라 말할 수 있다. 따라서 이들 혐기성균에도 산소는 강한 독으로 하고 작용하고 있는 것이 밝혀졌다.
3. 산소독성에 대한 방어기구
이처럼 산소는 생명의 에너지 생성에 필요한 동시에 독으로도 작용하고 있다고 말할 수 있다. 즉 우리는 양날의 검을 가진 산소와 생활을 함께 늘 생활하고 있는 것이다. 그러나 산소를 마시고 살고 있는 대부분의 호기성 생물들은 산소의 독으로부터 몸을 지키는 방어기구를 준비하고 있어 산소에 폭로되어도 즉석에서 죽는 일은 없다. 산소의 독성은 산소 그 자체가 자유라디칼로서 작용하는 것과 체내에서 독성이 강한 물질로 변화하여 생기는 경우가 있다. 산소가 맹독으로 작용하는 경우의 예는 우리 주변에서 수없이 볼 수 있다. 즉 대기오염물질, 담배연기, 농약, 방사선, 자외선, 식품의 과산화물, 소독약, 약제 등을 볼 수 있다.
산소와 자유라디칼
산소에 의해 생물은 살아가고, 또 산소에 의해 또 늙는다. 영원한 생명을 얻는 것은 불가능할지라도 불로 장수의 약을 얻으려는 생각을 하는 것은 진시황제나 우리들의 공통된 희망일 것이다. 고대 이집트 왕은 죽은 뒤에도 다시 살아날 것을 기대하여 미라로 보존되었다. 이 시체의 방부 보본에는 약초나 향신료가 이용됐다. 이와 같은 노화나 부패 방지작용의 대부분은 산소에 의한 변화를 막는 항산화 작용에 의해 이루어진다.
산소 자체도 자유라디칼이지만, 산소는 생체에 들어가면 활성이 매우 강한 활성산소가 된다. 이 활성산소나 자유라디칼이 노화나 암을 일으키며 다양한 성인병을 발병하거나 악화인자로 작용하는 것이 최근 연구에 의해 알려지기 시작했다. 그러면 이 활성산소, 즉 자유라디칼의 정체를 규명하고 그 발생과 제거를 능숙하게 할 수 있다면 병을 예방하고, 건강한 인생을 살며 자신의 유전자에 프로그램 된 수명을 다 살 수 있을까? 수명을 연장시킬 수 있지 않을까 하는 것이 인간의 바램인 것이다. 그러나 오랜 동안의 진화과정을 통해 진행되어 온 생체내의 반응들을 그렇게 손쉽게 바꾸는 것이 가능할 것이라고 생각되어지지는 않는다.
1. 자유라디칼과 제어물질의 균형
잘 프로그램되고, 계획된 복잡한 생물의 모든 조절기구는 다양한 반응의 발란스(균형)가 이루어져 있으며, 한편이 다른 한편을 제어하고 있다. 즉, 자유라디칼은 생체 내에서 발생하여 우리의 몸을 손상시키게 되지만, 우리의 몽은 이러한 자유라디칼의 손상으로부터 보호하기 위하여 자유라디칼을 제거하는 물질을 생산하여 우리의 몸을 손상시킬 정도로 지나치게 많아지는 자유라디칼을 제거한다.
그러나 우리 몸에서 생산되는 자유라디칼의 양이 자유라디칼 제거 물질의 생산량보다 많아지면 우리 몸은 자유라디칼로부터 손상을 입게 된다. 이와 같이 모든 생물의 몸은 자유라디칼과 자유라디칼 제거 물질이 서로 균형을 유지함으로써 건강을 유지하게 된다.
자유라디칼은 생체 방어 반응에서 보면 외부의 적에게 향하는 무기이며 정상 세포의 입장에서 보면 독(Toxin)이 되는 것이다. 그래서 이 자유라디칼의 반응은 양날의 검에 비유한다. 예를 들어 우리 몸속의 백혈구는 그 안에 존재하는 자유라디칼로 우리 몸에 침입하는 세균들을 제거한다. 혈관이완 인자인 일산화 질소(nitric oxide)는 ehre가스로 자동차의 배기가스로 공해 문제를 일으키는 물질이다.
그러나, 이 NO는 자유라디칼로 생체 내에서 암이나 바이러스에 대항하는 힘센 아군으로 혈관을 이완시키고 장기에 혈액을 능숙하게 보내는 생리작용을 갖고 있으며 최근 남성의 성기를 발기시키는 인자로서 각광을 받으며 비아그라라는 이름으로 상품화도 되고 있다. 또 혈압을 조절하며 신경전달 물질로서의 일도 하고 있다. 이 밖에도 다양한 생리작용이 발견되고 있다. 이처럼 자유라디칼은 생체의 복잡한 생리 반응을 제어하기도 한다.
2. 신호전달물질
한편 분자생물학의 진보에 의해 이 자유라디칼이 세포에서 신호 그 자체나 또는 신호전달물질이 되어 여러 가지의 단백질의 생산에 관여하고 염증이나 암등의 중요 질환의 악화 또는 억제기구의 하나로 작용하고 있는 것이 밝혀지고 있다. 이처럼 생체의 반응과 조절기구에 밀접하게 관련된 자유라디칼에 관하여 의학, 생물학, 약학, 농학 등 생명체의 연구에 종사하고 있는 사람들의 대부분이 많든 적든 간에 흥미를 갖고 있는 물질이라고 생각된다. 앞으로 이 분야의 연구를 시작하려고 생각하고 있는 사람들 뿐 만 아니라 지금 매스컴등에서 화제가 되고 있는 자유라디칼에 대하여 흥미를 갖기 시작하고 있는 사람들과 자유라디칼에 관하여 평이하고 이해하기 쉽게 설명하고자 한다.
자유라디칼의 발생
우리들이 생화하는 주변에는 산소의 독성을 이용하고 있는 예와 또 다른 한편에서는 산소가 원인이 되어 우리의 몸에 장애를 주는 예를 얼마든지 볼 수 있다. 그러면 이러한 자유 라디칼은 우리의 생활주변에서 어떻게 발생되는지 살펴보기로 한다.
1. 자외선
많은 날 주부들이 햇볕에 빨래를 말리는 것을 자주 볼 수 있다. 옷이나 이불을 일광에 말리면 살균이 된다. 그러나 주부들이 태양 빛의 자외선을 세균에 작용하는 독으로 깊이 생각하고 하는 행동은 아닐 것이다. 태양 빛이 살균작용을 하는 것은 자외선이 생체에 들어가면 자유라디칼을 발생하여 세균을 죽이기 때문이다. 자외선은 세균 뿐만 아니라, 사람이나 동물에도 경우에 따라 장애를 일으킨다. 여름에 해변가나 수영장에서 자주 목격하는 광경이 있다. 피부색이 검은 것이 건강한 것이라고 생각하여 해안의 모래 사장이나 수영장 주변에서 일광욕을 한다.
또 실내에서 인공 자외선을 이용하여 피부를 태우고 있는 사람들도 있다. 그러나 자유라디칼의 작용을 생각하면 이러한 행동은 매우 위험한 자살 행위가 아니라고 할 수 없다. 왜냐하면 자외선은 피부에 닿아 자유라디칼을 발생시키고, 그리하여 노화가 촉진되고 피부의 수명을 줄이며 주름이나 반점을 만드는 원인이 되며 심지어는 피부암의 원인이 되기도 한다. 특히 멜라닌(melaninie)색소가 적은 백인에게 자외선은 피부장애를 일으키는 무서운 광선으로 작용하기 쉽고 피부암을 일으키기 쉽다. 한편 자외선은 살균 등으로 일상적으로 널리 사용되고 있다.
음식점에는 자외선의 살균효과를 이용한 살균등이 사용되고 있고, 병원, 실험실 등의 무균실에서도 사용하고 있다. 살균등 밑에 장시간 노출되어 있으며 다음날 눈이 충혈되어 떠지지 않게 된다. 또 선글라스를 끼지 않고 태양에 비치는 해변이나 논과 밭에 나가면 눈이 장애를 받는다. 이것은 설안염이라고 불리는 질환으로 자외선에 의해 발생한 자유라디칼에 의해 장애가 발생하는 단적이라고 하겠다.
2. 방사선
방사선에는 살균작용이 있지만, 이 경우도 세포가 방사선을 받으면 자유라디칼이 발생되는 작용에 의해 살균 효과를 얻는 것이다. 일상생활에서는 수입식품의 살균에 방사선이 이용되고 있는 것은 잘 알려져 있다. 이처럼 방사선이 자유라디칼을 발생하여 식품을 살균하지만 방사선이 생체에 대량으로 조사되면 여러 가지 장애가 발생한다. 발암 및 백혈구, 혈소판 등의 조혈장애의 원인이되거나, 방사선성 폐렴, 방사선성 대장염이나 방광염 등의 질환은 방사선 조사에 의해 일어날 수 있는 장애이다. 암의 치료법 중 하나인 방사선 요법이 널리 행해지고 있는데, 이것은 자유라디칼의 발생을 응용하여 암세포를 죽이는 치료법이다. 이와 같이 자율라디칼은 강력한 독이기 때문에 살균이나 살암 등의 생체방어 효과를 나타내는 한편 다양한 질환의 원이이 되기도 한다. 따라서 산소는 우리들에게 복음을 가져다 주기도 하고, 반면 해를 끼치기도 한다.
3. 제초제
식물은 탄소동화 작용에 의해 자외선을 받아 녹말을 생성하고 있다. 초등학교 자연시간에 식물의 잎을 은박지로 덮은 것과 덮지 않는 것으로 나누어 잎을 태양빛에 쪼이는 실험이 있다. 은박지도 덮어 자외선을 제한한 잎에는 녹말이 생성되지 않기 때문에 요오드용액으로 염색하여도 색이 변화하지 않는다. 이렇게 식물은 영양분을 만들기 위해서 자외선이 필요하다는 것이 증명된다. 그러나 자외선은 독으로도 작용하기 때문에 식물은 자외선에 의해 발생하는 자유라디칼로부터 몸을 보호하기 위해 자유라디칼을 제거하는 카로티노이드 등의 물질을 잎에 많이 생산하고 있다. 그래서 식물을 자외선으로부터 자기를 보호하기 위해 본래 갖추고 있는 자유라디칼 제거 작용을 차단한다. 곡물을 주식으로 하는 사람들에 있어 곡물 재배와 잡초와의 싸움 즉 제초의 역사는 농업의 역사의 그림자이기도 한다. 따라서 제초제는 곡물의 생산 향상을 위해 인류의 지혜를 기울여 오래 동안 기다리던 농약을 개발한 것에 대한 공로는 많은 사람이 인정하는 바이다.
그런데 이 제초제 가운데 자유라디칼의 작용을 이용한 제초제가 파라콰트(parawaust)이다. 이와 같은 작용을 가진 제초제인 파라콰트가 사람의 체내에 잘못하고 들어가면 위독한 증상을 나타내 자주 죽음에 이르게 된다. 파라콰트는 체내에서 파라쾨트 라디칼이 되고 폐로 들어가는 활성산소를 발생하게 하여 폐에 장애를 일으킨다. 또 산소를 흡입하면 활성산소가 발생되어 위독하게 된다. 파라콰트 중독의 치사율이 높은 것은 이와 같은 이유에서이다. 현재 월남전 참전 용사들의 문제가 되고 있는 고엽제에 의한 피해도 바로 월남의 정글을 없애기 위해 뿌린 고엽제의 제초작용에 의해 발생한 자유라디칼에 의한 것이다. 자유라디칼의 발생원인 담배연기를 마시면서, 자외선을 받으면서 농약에 노출되어 있는 골프장에서 매주 마다 골프를 치는 것은 오히려 사람의 수명을 짧게 할 수 있다. 더구나 빈번하게 언덕을 다리며 산골짜기를 열심히 골프를 치는 사람은 운동에 의해 생기는 다량의 자유라디칼에 의해 몸에 장애를 받기 쉽다.
4. 의약품
의약품 중에는 자유라디칼의 발생을 이용하여 질환을 치료하고 있는 약제들도 많다. 그 중에서 대표적인 약제가 항암제이다. 항암제인 블레오마이신(bleomycin)은 자유라디칼을 발생하게 하여 암세포의 살세포 효과를 보여 준다. 한편 블레오마이신은 자유라디칼의 부작용에 의해 폐섬유증을 일으킨다. 이 항암제는 암 이외의 정상조직에도 장애를 일으키는데 이를 우리는 부작용(side effect)이라고 한다.
그러나 이것은 블레오마이신의 부작용이 아니라 오히려 주작용(moin effect)이다. 독소루이신, 마이토마이신, 네오칼지노스타틴, 시스프라틴 등의 항암제도 자유라디칼을 발생하여 암세포를 죽인다. 만약 암을 예방하기 위해 이들 항암제를 계속 투여한다면 암세포를 죽이기도 하지만 다른 한편으로는 새로운 암을 발생하게 할 수도 있다. 따라서 자유라디칼의 발생을 이용한 살세포 효과를 나타내는 항암제는 의사의 적절한 지시에 따라 적당한 시기에 투여를 중지하지 않으면 안된다.
또 일상 사용하고 있는 세제 중에 ‘표백살균’이라고 표시되고 있는 세제는 자유라디칼의 작용을 이용하고 있는 것이 많다. 식기 등 부엌용품이나 와아셔츠 목부근을 표백하는 표백제에는 염소계의 차아염소산(HOCL)등이 포함되고 있는 자유라디칼의 작용으로 살균작용과 표백작용이 동시에 나타난다. HOCL은 수술실에서 소독제로도 하고 사용되고 있다. 또 과산화수소(H2O2)를 사용하여 표백을 하기도 한다. H2O2는 활성산소의 일종으로 자유라디칼을 쉽게 발생시킨다. 이들은 소독약으로 자주 사용되는데 과산화수소에서 발생하는 자유라디칼이 살균 작용을 하는 것이다.
5. 대기오염 물질
디젤 엔진에서 배출되는 배기가스에는 보통 사용하는 휘발유 엔진에서 배출되는 가스보다도 활성산소와 자유라디칼이 많이 발생하고 있다. 대기 오염 물질인 이산화질소(NO2)와 오존(O3)은 자동차가 발생하는 물질로 현대 문명의 이기가 만들어 낸 극복해야할 새로운 과제이다. 오존은 성층권에 떠돌고 있는 좋은 오존과 지상 부근에 떠있는 나쁜 오존이 있다. 좋은 오존은 유해한 자외선을 차단하여 지상의 생물을 보호하고 있지만 나쁜 오존은 배기가스 등의 대기오염의 원인이 되고 있다. 나쁜 오존은 다양한 물질과 반응하여 자유라디칼과 다양한 유해물질을 발생하기 때문에 미국 로스엔젤레스 등 세계의 대도시에서는 심각한 문제가 되어 있다.
우리 나라에서도 서울을 중심으로 한 지역에 옥시단트(oxidant)장애 또는 광화학 스모그에 의한 장애가 발생하여 문제가 되어 있는 것은 주지의 사실이다. 이들 대기오염물질에 의해 발생하는 자유라디칼에 의해 다양한 질환이 생기고 있다. 그 중 폐에서 중요한 역항을 하는 a1-안티트립신이 자유라디칼에 의해 불활성화하여 생기는 폐기종이 심각하다. 또 기관지 천식 등의 엘러지성 염증 질환이 근래 증가하는 경향을 보이고 있는데 최근이 배기가스에 포함되는 자유라디칼이 그 원인물질로 주목받고 있다. 이처럼 우리를 둘러싼 대기오염 물질에 의해 생기는 공해문제에도 자유라디칼이 깊게 관련되어 있는 것으로 밝혀져 있다.
6. 담배
담배의 연기나 타르(Tar)에도 자유라디칼이 많이 존재하고 있다. 특히 담배 연기의 자유라디칼은 끽연자 뿐만 아니라 주변의 사람에도 피해를 준다. 골초(Heavy smoker)가 폐기종이 되기 쉬운 것은 자유라디칼에 의한 a1-안티트립신의 불활성화가 원인인 것으로 밝혀지고 있다.
담배 연기에 의해 발생한 폐암은 아마 담배 연기에서 발생하는 자유라디칼에 의한 것이라고 생각할 수 있다. 흡연자의 혈장중의 비타민 E, 비타민 C , B 카로틴의 농도를 재면, 그 수치가 낮은데 이는 혈액속에 발생한 자유라디칼을 제거하기 위해, 이들의 항산화비타민이 체내에서 소비된 결과로 추정되고 있다. 실험 결과에 의하면 담배 연기 중의 수퍼옥시드(superoxise, O2)는 물에 적신 여과지로 제거할 수 있다는 것이 판명되었다. 최근에는 이용되지 않지만 물 필터를 이용하여 여과지 부분을 물에 붙여 타르(tar)와 연기 중의 자유라디칼을 제거할 수 있기 때문에 흡연자의 담배에 의한 장애 예방에 좋다.
7. 음식
일상 생활에서 자주 사용하는 튀김 기름은 여러번 사용하고 나면 기름이 서서히 거무스름해지는 산화과정을 거쳐 산화지방이 된다. 과산화 지방이 체내에 들어가면 자유라디칼이 되어 세포막에 장애를 일으킨다. 이처럼 체내에 들어가 독성물질이 되는 과산화 지방은 기름을 포함하는 식품이나 기름을 이용한 가공식품에 의해 쉽게 발생된다. 또한 기름을 사용한 식품은ㅇ 빛을 받으면 쉽게 변질되기 때문에 대개 빛을 차단하는 갈색 유리병 속에 보존하거나 은박지로 싸서 보존하여야 한다. 기름에 튀긴 인스턴트 라면 등은 이런 이유로 산화하기 쉽기 때문에 가능한 한 오래두지 말고 빨리 먹는 것이 좋다.
마무리
우리들을 둘러싼 환경에는 자외선, 방사선, 약물, 대기오염 물질, 식품 등 생체내에서 Free radical을 발생하는 인자들이 수없이 존재하고 있다. 식물, 곤충, 세균, 암세포등을 살상하는 약품도 자유라디칼의 발생을 이용한 것을 알았습니다. 자유라디칼은 잡초를 시들게 하고, 세균이나 암세포를 죽이는 유익한 일면을 갖는 한편 우리의 정상세포에도 장애를 일으키는 양면성을 갖고 있다는 알게 되었습니다.
그러면 왜 우리들은 이처럼 자유라디칼을 발생하는 인자가 존재하는 환경속에서도 생존 할 수 있는가? 라는 의문을 갖을 수 있으며, 이는 대부분의 생물의 세포 속에는 이러한 자유라디칼에 대한 손상을 방어 할 수 있는 방어기구를 갖고 있기 때문이라고 하겠습니다.
마지막으로 자유라디칼은 POSITIVE 할 수도 있으며 , NEGATIVE 할 수 있다는 모습에서 양적의 의미가 두루 편일되어 있다는 것을 알 수 있었습니다. 분자생물학을 공부하는 공학인으로서 느끼는 것이지만, 두루 좋은 것만은 아닌 과학적인 진리가 있다는 것을 세삼 돌이켜보는 기회가 된 것 같았습니다.
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