노화의 자유 라디칼 이론
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1. 개요
노화의 자유 라디칼 이론은 1950년대 덴함 하만에 의해 처음 제시되었으며, 자유 라디칼이 누적적인 손상을 일으켜 유기체의 기능 상실과 사망을 유발한다고 주장한다. 이 이론은 미토콘드리아에서 생성되는 활성 산소 종(ROS)이 지질, 단백질, 미토콘드리아 DNA 등 거대 분자에 손상을 입혀 노화를 가속화한다는 미토콘드리아 이론으로 확장되었다. 자유 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 가진 원자 또는 분자로, DNA 손상, 가교 결합, LDL 산화 등을 통해 다양한 노화 관련 질병을 유발할 수 있다. 그러나 최근 연구에서는 항산화제의 효과에 대한 의문이 제기되고 있으며, 조류 연구를 통해 산화 스트레스 노화 이론의 견고성에 대한 의문이 제기되었다.
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| 노화의 자유 라디칼 이론 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 이름 | 노화의 자유 라디칼 이론 |
| 다른 이름 | 자유 라디칼 노화 이론 |
| 상세 내용 | |
| 유형 | 과학 이론 |
| 분야 | 노화 연구 |
| 설명 | 자유 라디칼 축적이 세포 손상을 일으키고 노화를 가속화한다고 제안함. |
| 역사 | |
| 창시자 | 덴함 하먼 |
| 제안 연도 | 1956년 |
| 관련 연구 | |
| 멜라닌의 역할 | 피부에서 자유 라디칼에 대한 보호제 역할과 머리카락에서 자유 라디칼 지표로서의 역할 |
| 자유 라디칼 및 항산화제 | 자유 라디칼과 항산화제에 대한 최신 관점 |
| 비판 및 논쟁 | |
| 산화 스트레스 이론의 타당성 | 노화의 산화 스트레스 이론은 유효한가? |
| SOD 결핍의 영향 | 예쁜꼬마선충에서 미토콘드리아 슈퍼옥사이드 디스뮤타제 sod-2의 결핍은 수명을 연장함. |
2. 역사적 배경
덴함 하만(Denham Harman)은 1950년대에 자유 라디칼 노화 이론을 처음 제안했다. 당시 과학계에서는 자유 라디칼이 생물학적 시스템에서 존재하기에는 너무 불안정하다는 견해가 지배적이었고, 퇴행성 질환의 원인으로 자유 라디칼을 언급하는 사람은 거의 없었다.[10][11] 하만은 생명 속도 이론과 레베카 게르슈만(Rebeca Gerschman)의 연구 결과에서 영감을 받아 이 이론을 구상했다.[10][12]
이후 자유 라디칼 이론은 노화 관련 질병까지 포함하도록 확장되었고,[11] 1972년에는 미토콘드리아에서 생성되는 활성 산소 종(ROS)에 의한 손상에 초점을 맞춘 수정된 이론이 제시되었다.[11][15] 하만의 초기 이론은 지속적인 수정과 확장을 거듭해왔다.[16]
2. 1. 덴함 하만의 초기 이론
덴함 하만(Denham Harman)은 1950년대에 자유 라디칼 노화 이론을 처음 제시했다. 당시 과학계에서는 자유 라디칼이 생물학적 시스템 내에서 존재하기에는 너무 불안정하다는 견해가 지배적이었으며, 퇴행성 질환의 원인으로 자유 라디칼을 언급하는 사람은 아무도 없었다.[10][11]하만은 두 가지 사실에서 영감을 받았다. 첫째는 수명이 신진대사율에 반비례하고, 이는 다시 산소 소비량에 비례한다는 생명 속도 이론이었다. 둘째는 레베카 게르슈만(Rebeca Gerschman)이 고압 산소 독성과 방사선 독성이 산소 자유 라디칼이라는 동일한 현상으로 설명될 수 있다고 관찰한 것이었다.[10][12]
하만은 방사선이 "돌연변이, 암 및 노화"를 유발한다는 점에 주목하여, 정상적인 호흡 과정에서 생성되는 산소 자유 라디칼이 누적적인 손상을 일으켜 결국 유기체의 기능 상실과 사망으로 이어진다고 주장했다.[10][12]
2. 2. 이론의 발전과 확장
자유 라디칼 노화 이론은 1950년대 덴함 하만(Denham Harman)에 의해 처음 제시되었다. 당시 과학계에서는 자유 라디칼이 생물학적 시스템 내에서 존재하기에는 너무 불안정하다는 견해가 지배적이었다.[10] 또한, 퇴행성 질환의 원인으로 자유 라디칼을 언급하는 사람은 거의 없었다.[11]하만은 두 가지 사실에서 영감을 받았다. 첫째는 수명이 신진대사율에 반비례하고, 이는 다시 산소 소비량에 비례한다는 생명 속도 이론이었다. 둘째는 레베카 게르슈만(Rebeca Gerschman)이 고압 산소 독성과 방사선 독성이 산소 자유 라디칼이라는 동일한 현상으로 설명될 수 있다고 관찰한 것이었다.[10][12] 하만은 방사선이 "돌연변이, 암 및 노화"를 유발한다는 점에 주목하여, 정상적인 호흡 과정에서 생성되는 산소 자유 라디칼이 누적적인 손상을 일으켜 결국 유기체의 기능 상실과 사망으로 이어진다고 주장했다.[10][12]
이후 자유 라디칼 이론은 노화뿐만 아니라 노화 관련 질병까지 포함하도록 확장되었다.[11] 세포 내 자유 라디칼 손상은 암, 관절염, 동맥경화증, 알츠하이머병, 당뇨병 등 다양한 질병과 관련이 있다.[13] 자유 라디칼과 일부 반응성 질소 종이 세포 자멸사와 심한 경우 괴사 같은 신체 내 세포 사멸 메커니즘을 유발하고 증가시킨다는 증거도 있다.[14]
1972년, 하만은 자신의 이론을 수정했다.[11] 현재 이론은 미토콘드리아에서 생성되는 활성 산소 종(ROS)이 지질, 단백질을 포함한 특정 거대 분자와 미토콘드리아 DNA에 손상을 일으킨다고 제시한다.[15] 이 손상은 돌연변이를 유발하여 ROS 생성을 증가시키고 세포 내 자유 라디칼 축적을 크게 증가시킨다.[15] 이 미토콘드리아 이론은 노화 과정에 주요 역할을 한다는 점에서 널리 받아들여지고 있다.[16]
하만이 처음 자유 라디칼 노화 이론을 제안한 이후, 그의 원래 이론은 지속적으로 수정되고 확장되어 왔다.[16]
3. 자유 라디칼과 노화 과정
자유 라디칼은 다른 분자와 반응하여 짝을 이루지 않은 전자를 채우려 하기 때문에 손상이 발생한다. 이 과정에서 자유 라디칼은 주변 분자에서 전자를 빼앗아 새로운 자유 라디칼을 만들고, 이는 또 다른 분자에서 전자를 빼앗는 식으로 연쇄 반응을 일으킨다.[18] 이 연쇄 반응은 분자, 세포, 그리고 조직에 손상을 입힌다.
자유 라디칼에 의한 연쇄 반응은 원자 구조를 변형시켜 가교 결합을 유발할 수 있다. 특히 DNA 가닥의 염기쌍 분자가 자유 라디칼 연쇄 반응에 관여하면 DNA가 가교 결합될 수 있다.[19] 수산화 라디칼이나 슈퍼옥사이드 같은 산화성 자유 라디칼은 DNA 손상을 일으켜 노화를 촉진하는 것으로 알려져 있다.[20]
노화와 관련된 주요 자유 라디칼로는 슈퍼옥사이드와 산화 질소가 있다.[25] 슈퍼옥사이드 증가는 노화를 촉진하고, 산화 질소 생성 감소나 생체 이용률 감소 역시 노화에 영향을 준다.[25]
3. 1. 자유 라디칼의 정의 및 특징
자유 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 포함하는 원자 또는 분자이다.[2] 전자는 일반적으로 원자나 분자의 특정 원자 궤도에 쌍으로 존재한다.[17] 자유 라디칼은 모든 궤도에 단일 전자만 포함하기 때문에, 추가 전자를 잃거나 얻어 원자나 분자의 모든 전자가 쌍을 이루려는 경향이 있어 불안정하다.[17]
짝을 이루지 않은 전자가 전하를 의미하는 것은 아니며, 자유 라디칼은 양전하, 음전하, 또는 중성 전하를 띨 수 있다.
자유 라디칼이 다른 분자와 만나 짝을 이룰 다른 전자를 찾으려고 할 때 손상이 발생한다. 자유 라디칼은 종종 인접 분자에서 전자를 빼앗아 해당 분자를 자유 라디칼로 만든다. 그런 다음 새로운 자유 라디칼은 다음 분자에서 전자를 빼앗을 수 있으며, 화학적 연쇄 반응이 발생한다.[18] 이러한 반응에서 생성된 자유 라디칼은 종종 분자에서 전자를 제거하여 종결되는데, 이 분자는 변경되거나 전자가 없으면 기능을 할 수 없게 된다. 특히 생물학에서 그러하다. 이러한 사건은 분자, 따라서 분자를 포함하는 세포에 손상을 일으킨다.
자유 라디칼에 의해 발생하는 연쇄 반응은 원자 구조의 가교 결합으로 이어질 수 있다. 자유 라디칼 유도 연쇄 반응이 DNA 가닥의 염기쌍 분자와 관련된 경우 DNA가 가교 결합될 수 있다.[19]
3. 2. 자유 라디칼에 의한 손상
자유 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 포함하는 원자 또는 분자이다.[2] 전자는 일반적으로 원자 또는 분자의 특정 원자 궤도에서 쌍으로 존재한다.[17] 모든 궤도에 단일 전자만 포함하는 자유 라디칼은 일반적으로 추가 전자를 잃거나 얻는 데 불안정하여 원자 또는 분자의 모든 전자가 쌍을 이룬다.[17] 짝을 이루지 않은 전자가 전하를 의미하는 것은 아니며, 자유 라디칼은 양전하, 음전하 또는 중성을 띨 수 있다.
자유 라디칼이 다른 분자와 만나 짝을 이룰 다른 전자를 찾으려고 할 때 손상이 발생한다. 자유 라디칼은 종종 인접 분자에서 전자를 빼앗아 해당 분자를 자유 라디칼 자체로 만든다. 그런 다음 새로운 자유 라디칼은 다음 분자에서 전자를 빼앗을 수 있으며, 자유 라디칼 생성의 화학적 연쇄 반응이 발생한다.[18] 이러한 반응에서 생성된 자유 라디칼은 종종 분자에서 전자를 제거하여 종결되는데, 이 분자는 변경되거나 전자가 없으면 기능을 할 수 없게 된다. 특히 생물학에서 그러하다. 이러한 사건은 분자, 따라서 분자를 포함하는 세포에 손상을 일으킨다(분자가 종종 기능 장애가 되기 때문에).
노화 과정과 관련이 있다고 생각되는 자유 라디칼에는 슈퍼옥사이드와 산화 질소가 포함된다.[25] 구체적으로 슈퍼옥사이드의 증가는 노화에 영향을 미치며, 산화 질소 생성 감소 또는 생체 이용률 감소도 마찬가지이다.[25]
항산화제는 또 다른 라디칼을 형성하지 않고 라디칼을 중화시키는 전자를 기증하는 능력 때문에 자유 라디칼 반응으로 인한 손상을 줄이고 예방하는 데 도움이 된다. 예를 들어, 비타민 C는 자유 라디칼에 전자를 잃고 항산화 분자 주위로 불안정한 전자를 전달하여 스스로 안정성을 유지할 수 있다.
3. 2. 1. DNA 손상
수산화 라디칼 및 슈퍼옥사이드와 같은 산화성 자유 라디칼은 DNA 손상을 일으킬 수 있으며, 이러한 손상은 중요한 조직의 노화에 중요한 역할을 하는 것으로 제안되었다.[20] DNA 손상은 유전자 발현 감소, 세포 사멸 및 궁극적으로 조직 기능 장애를 초래할 수 있다.[1]자유 라디칼에 의해 발생하는 연쇄 반응은 원자 구조의 가교 결합으로 이어질 수 있다. 자유 라디칼 유도 연쇄 반응이 DNA 가닥의 염기쌍 분자와 관련된 경우 DNA가 가교 결합될 수 있다.[19] DNA 가교 결합은 다양한 노화 효과, 특히 암으로 이어질 수 있다.[21]
3. 2. 2. 가교 결합
자유 라디칼에 의해 발생하는 연쇄 반응은 원자 구조의 가교 결합으로 이어질 수 있다. 자유 라디칼 유도 연쇄 반응이 DNA 가닥의 염기쌍 분자와 관련된 경우 DNA가 가교 결합될 수 있다.[19]DNA 가교 결합은 암과 같은 다양한 노화 효과로 이어질 수 있다.[21] 다른 가교 결합은 지방과 단백질 분자 사이에서 발생하여 주름을 유발할 수 있다.[22] 자유 라디칼은 LDL을 산화시킬 수 있으며, 이는 동맥에 플라크가 형성되는 핵심 사건으로 심장병 및 뇌졸중으로 이어진다.[23] 이는 노화의 자유 라디칼 이론이 많은 만성 질환의 기원을 설명하는 데 사용된 예이다.[24]
3. 2. 3. LDL 산화
자유 라디칼은 LDL을 산화시킬 수 있으며, 이는 동맥에 플라크가 형성되는 핵심 사건으로 심장병 및 뇌졸중으로 이어진다.[23] 이는 노화의 자유 라디칼 이론이 많은 만성 질환의 기원을 설명하는 데 사용된 예이다.[24]3. 3. 주요 자유 라디칼
자유 라디칼은 짝을 이루지 않은 전자를 포함하는 원자 또는 분자이다.[2] 전자는 일반적으로 원자 또는 분자의 특정 원자 궤도에서 쌍으로 존재한다.[17] 모든 궤도에 단일 전자만 포함하는 자유 라디칼은 일반적으로 추가 전자를 잃거나 얻는 데 불안정하여 원자 또는 분자의 모든 전자가 쌍을 이룬다.[17]
짝을 이루지 않은 전자가 전하를 의미하는 것은 아니며, 자유 라디칼은 양전하, 음전하 또는 중성을 띨 수 있다.
자유 라디칼이 다른 분자와 만나 짝을 이룰 다른 전자를 찾으려고 할 때 손상이 발생한다. 자유 라디칼은 종종 인접 분자에서 전자를 빼앗아 해당 분자를 자유 라디칼 자체로 만든다. 그런 다음 새로운 자유 라디칼은 다음 분자에서 전자를 빼앗을 수 있으며, 자유 라디칼 생성의 화학적 연쇄 반응이 발생한다.[18] 이러한 반응에서 생성된 자유 라디칼은 종종 분자에서 전자를 제거하여 종결되는데, 이 분자는 변경되거나 전자가 없으면 기능을 할 수 없게 된다. 특히 생물학에서 그러하다. 이러한 사건은 분자, 따라서 분자를 포함하는 세포에 손상을 일으킨다(분자가 종종 기능 장애가 되기 때문에).
자유 라디칼에 의해 발생하는 연쇄 반응은 원자 구조의 가교 결합으로 이어질 수 있다. 자유 라디칼 유도 연쇄 반응이 DNA 가닥의 염기쌍 분자와 관련된 경우 DNA가 가교 결합될 수 있다.[19]
수산화 라디칼 및 슈퍼옥사이드 라디칼과 같은 산화성 자유 라디칼은 DNA 손상을 일으킬 수 있으며, 이러한 손상은 중요한 조직의 노화에 중요한 역할을 하는 것으로 제안되었다.[20] DNA 손상은 유전자 발현 감소, 세포 사멸 및 궁극적으로 조직 기능 장애를 초래할 수 있다.[1]
DNA 가교 결합은 다양한 노화 효과, 특히 암으로 이어질 수 있다.[21] 다른 가교 결합은 지방과 단백질 분자 사이에서 발생하여 주름을 유발할 수 있다.[22] 자유 라디칼은 LDL을 산화시킬 수 있으며, 이는 동맥에 플라크가 형성되는 핵심 사건으로 심장병 및 뇌졸중으로 이어진다.[23] 이는 노화의 자유 라디칼 이론이 많은 만성 질환의 기원을 깔끔하게 "설명"하는 데 사용된 예이다.[24]
노화 과정과 관련이 있다고 생각되는 자유 라디칼에는 슈퍼옥사이드와 산화 질소가 포함된다.[25] 구체적으로 슈퍼옥사이드의 증가는 노화에 영향을 미치며, 산화 질소 생성 감소 또는 생체 이용률 감소도 마찬가지이다.
4. 자유 라디칼 노화 이론의 수정 및 확장
노화의 자유 라디칼 이론은 자유 라디칼이 생체 분자에 손상을 일으켜 세포 노화와 유기체 노화를 유발한다는 주장에 대해 비판을 받아왔다.[30] 이에 따라 현재 연구 결과를 반영하여 이론을 수정하고 확장하기 위한 여러 제안들이 이루어졌다.
4. 1. 미토콘드리아와 노화
노화의 미토콘드리아 이론은 1978년에 처음 제안되었으며,[26][27] 2년 후 노화의 미토콘드리아 자유 라디칼 이론이 소개되었다.[28] 이 이론은 미토콘드리아를 라디칼 손상의 주요 표적으로 지목한다. 미토콘드리아는 활성 산소(ROS)를 생성할 수 있는 화학적 메커니즘을 가지고 있고, mtDNA와 같은 미토콘드리아 구성 요소는 핵 DNA만큼 잘 보호되지 않으며, 핵 및 mtDNA에 대한 손상을 비교한 연구에서 미토콘드리아 분자에 더 높은 수준의 라디칼 손상이 나타나기 때문이다.[29]
이 이론은 광범위하게 논의되었으나,[31] ROS에 의해 유도된 mtDNA 돌연변이가 어떻게 발생하는지는 아직 불분명하다.[30] Conte 등은 철로 치환된 아연 핑거가 DNA와 근접하여 자유 라디칼을 생성하여 DNA 손상을 초래할 수 있다고 제안한다.[32]
Afanas'ev는 CuZnSOD의 슈퍼옥사이드 불균등화 활성이 수명과 자유 라디칼 간의 중요한 연관성을 보여준다고 제안한다.[33] CuZnSOD와 수명 간의 연관성은 Perez 등이 CuZnSOD를 암호화하는 Sod1 유전자의 결실에 의해 생쥐의 수명이 영향을 받는다는 것을 보여주면서 입증되었다.[34]
일반적으로 관찰되는 미토콘드리아 ROS(mtROS)와 수명 감소 사이의 연관성과는 반대로, Yee 등은 최근 세포 사멸 경로에서 mtROS 신호 전달에 의해 매개되는 수명 증가를 관찰했다. 이는 ROS 손상과 노화 간의 관찰된 상관관계가 반드시 노화 과정에서 ROS의 인과적 관련성을 나타내는 것이 아니라, 노화 과정에 대한 세포 반응의 일부인 신호 전달 경로를 조절하기 때문일 가능성이 높다는 것을 뒷받침한다.[35]
4. 1. 1. 양성 피드백 루프
미토콘드리아는 활성 산소(ROS)를 생성하는 화학적 메커니즘을 가지고 있으며, mtDNA와 같은 미토콘드리아 구성 요소는 핵 DNA만큼 보호받지 못한다. 핵 및 mtDNA 손상을 비교한 연구에서 미토콘드리아 분자에서 더 높은 수준의 라디칼 손상이 나타났다.[29] 세포 호흡 과정에서 미토콘드리아 내 전자 전달 연쇄에서 전자가 빠져나갈 수 있으며, 이 전자는 물과 반응하여 슈퍼옥사이드 라디칼 같은 ROS를 형성하거나 간접 경로를 통해 하이드록실 라디칼을 형성할 수 있다. 이러한 라디칼은 미토콘드리아 DNA와 단백질을 손상시키고, 손상된 구성 요소는 더 많은 ROS 부산물을 생성하기 쉽다. 따라서 시간이 지남에 따라 세포, 장기, 그리고 신체 전체의 악화를 초래할 수 있는 양성 피드백 루프의 산화 스트레스가 확립된다.[30]4. 2. 후성유전학적 산화 환원 변화
브루어는 노화의 자유 라디칼 이론과 노화에서 인슐린 신호 전달 효과를 통합하는 이론을 제안했다.[36] 브루어의 이론은 "노화와 관련된 앉아서 하는 활동은 산화된 산화 환원 이동과 손상된 미토콘드리아 기능을 유발한다"고 제시한다.[36] 이러한 미토콘드리아 손상은 더 앉아서 하는 활동과 가속화된 노화로 이어진다.[36]4. 3. 대사 안정성 이론
노화의 대사 안정성 이론은 수명이 세포의 활성산소(ROS) 농도를 안정적으로 유지하는 능력에 의해 결정된다고 본다.[37] 이 이론은 활성산소가 정상적인 세포 기능을 유지하는 데 필수적인 특정 신호 분자라는 점을 간과한다는 이유로 노화의 자유 라디칼 이론을 비판한다.[37]4. 4. 미토호르메시스(Mitohormesis)
산화 스트레스는 초기 활성산소(ROS) 수치 증가에 대한 이차 반응을 유도하여 ''예쁜꼬마선충''의 수명을 연장시킬 수 있다.[38] 포유류에서 활성산소의 노화에 대한 순 효과에 대한 문제는 더욱 불분명하다.[39][40][41] 최근의 역학적 연구 결과는 인간의 미토호르메시스 과정을 뒷받침하며, 심지어 외부 항산화제의 섭취가 인간의 질병 유병률을 증가시킬 수 있음을 시사한다(이론에 따르면, 항산화제가 산화성 화합물에 대한 유기체의 자연적인 반응을 자극하는 것을 막기 때문에, 이는 산화성 화합물을 중화할 뿐만 아니라 다른 이점도 제공한다).[42]5. 자유 라디칼 노화 이론에 대한 비판
자유 라디칼 노화 이론은 활성 산소 종(ROS)이 세포 손상을 일으켜 노화를 유발한다는 이론이지만, 몇 가지 비판이 제기되고 있다.
조류 연구에서 앵무새는 메추라기보다 약 5배 더 오래 살지만, 두 종의 심장, 골격근, 간, 적혈구에서 ROS 생성량은 유사하게 나타났다.[43] 이는 수명 차이가 ROS 생성량만으로는 설명되지 않음을 보여주며, 산화 스트레스 노화 이론에 대한 의문을 제기한다.[43]
5. 1. 조류 연구
앵무새는 메추라기보다 약 5배 더 오래 산다. 심장, 골격근, 간 및 온전한 적혈구에서 ROS(활성 산소 종) 생성은 앵무새와 메추라기에서 유사한 것으로 나타났으며, 이는 수명 차이와 일치하지 않았다.[43] 이러한 발견은 산화 스트레스 노화 이론의 견고성에 의문을 제기하는 것으로 결론지어졌다.[43]참조
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