카복시헤모글로빈
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1. 개요
카복시헤모글로빈은 헤모글로빈이 일산화 탄소와 결합된 형태를 의미한다. 생체 내에서 헴 산소화효소에 의해 생성되는 일산화 탄소는 헤모글로빈과 결합하여 카복시헤모글로빈을 형성하며, 일산화 탄소는 산소보다 헤모글로빈에 훨씬 강하게 결합한다. 카복시헤모글로빈은 주로 폐를 통해 배설되지만, 다른 경로로도 배출될 수 있다. 일산화 탄소 중독은 카복시헤모글로빈혈증이라고도 불리며, 산소 운반 방해를 통해 독성을 나타낸다. 치료법으로는 산소 투여, 고압 산소 치료 등이 있으며, 일산화 탄소의 치료적 잠재력을 활용한 의약품 개발도 진행 중이다.
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| 카복시헤모글로빈 - [화학 물질]에 관한 문서 | |
|---|---|
| 일반 정보 | |
 | |
| 다른 이름 | 카르보닐헤모글로빈 카복시헤모글로빈 카복시헤모글로빈 콜렌옥시헤모글로빈 콜렌옥시하모글로빈 콜렌옥시드하모글로빈 콜렌모녹시하모글로빈 카본모녹시헤모글로빈 카본-모노옥사이드-헤모글로빈 카본-모노옥사이드-메트헤모글로빈 탄산 산화 헤모글로빈 |
| 개요 | |
| 정의 | 일산화탄소와 헤모글로빈의 복합체 |
2. 내인성 일산화탄소 생성
생체 내에서 일산화 탄소는 헴 산소화 효소에 의한 헴 분해 과정에서 주로 생성된다.[7] 이 과정은 적혈구 재활용의 일환으로 비장 등에서 활발하게 일어난다. 헴은 카복시헤모글로빈 형태로 일산화 탄소를 운반하거나 효소적 이화 작용을 거쳐 일산화 탄소를 생성할 수 있다.
일산화 탄소는 산소보다 헤모글로빈에 약 240배 더 강하게 결합한다.[9][4] 헤모글로빈과 일산화 탄소의 결합은 가역적이어서, 카복시헤모글로빈으로 운반되는 일산화 탄소의 20%가 원격 조직에서 해리될 수 있다는 연구 결과도 있다.[7]
16세기 마르첼루스 도나토는 만토바에서 숯 연기에 질식사한 희생자를 부검하면서 비정상적으로 붉은 안색을 기록했다.[4] 17세기 요한 야콥 베프퍼와 18세기 앙투안 포르탈도 비슷한 발견을 문서화했다.[4]
일산화 탄소는 1993년에 신경 전달 물질로 특징지어졌으며, 이후 가스 전달 물질로 세분화되었다.[4]
대부분의 내인성 일산화 탄소는 카복시헤모글로빈으로 저장된다. 이 가스는 주로 폐 배설을 거치지만, 미량은 특정 사이토크롬에 의해 이산화 탄소로 산화되거나, 상주하는 인간 마이크로바이옴에 의해 대사되거나, 경피 확산에 의해 배설될 수 있다.[4][7]
3. 헤모글로빈과 일산화탄소의 친화력
헤모글로빈의 일산화 탄소 친화력은 종과 개체에 따라 차이가 있다. 1950년대에 에스터 킬릭은 성인과 태아 혈액, 그리고 인간과 양 사이의 일산화 탄소 친화력 차이를 처음으로 발견했다.[4][10][11] Hb-Kirklareli 돌연변이는 산소보다 일산화 탄소에 80,000배 더 높은 친화력을 가져, 전신성 카르복시헤모글로빈 수치가 16% COHb에 이르게 한다.[5] 다른 헤모글로빈 변이체도 존재한다.[12][13] 사이토크롬 P450과 같은 다른 혈색소 단백질의 구조적 변화와 돌연변이도 일산화 탄소가 헴 보철 그룹과 상호 작용하는 방식에 영향을 주는데, 특정 형태의 CYP3A 계열은 일산화 탄소의 억제 효과에 비교적 덜 민감하다.[4]
쥐아과 종은 사람(300분)보다 COHb 반감기(20분)가 짧다.[4] 따라서 일산화 탄소 노출에 대한 대사 역학, 혈액 포화점, 내성은 종에 따라 다르며, 이는 일산화 탄소 중독의 독성학 및 저용량 치료 프로토콜의 약리학 관련 데이터 불일치를 야기할 수 있다.[4]
일부 잠수 해양 포유류는 혈액에 만성 흡연자 수준의 일산화 탄소를 포함하는데, 이는 저산소증에 대한 이점을 줄 수 있다.[14] 흡연자의 높은 일산화 탄소 수치는 흡연자의 역설의 원인이 될 수 있다는 주장도 있다.[4] 흡연 등으로 장기간 일산화 탄소에 노출되면 적혈구 증가증이 발생한다.[4] 인간은 적응을 통해 일산화 탄소의 독성 수준에 대한 내성을 갖기도 한다.[4]
4. 역사
18세기 조지프 프리스틀리는 플로지스톤 설을 통해 내인성 카복시헤모글로빈에 대한 초기 화학적 설명을 시도했다. 그는 플로지스톤이 동물의 혈액에 의해 운반되어 배출되는 세포 폐기물이라고 생각했다.[4]
18세기 후반 토머스 베드도스, 제임스 와트, 험프리 데이비, 제임스 린드 등은 인공 공기 흡입의 치료적 가능성을 연구했다. 이 중 탄화수소 가스가 주목을 받았는데, 이는 수성 가스로, 코크스 위에 증기를 통과시켜 생성되며, 일산화탄소와 수소를 생성한다. 베드도스와 와트는 1793년에 탄화수소가 정맥혈을 밝게 한다는 것을 알았고, 와트는 석탄 연기가 혈액 속 산소의 해독제 역할을 할 수 있다고 제안했다. 1796년에는 탄화수소가 산소보다 동물 섬유에 대한 친화력이 더 크다고 추측했다.[4]
1800년 윌리엄 크루익생크가 일산화탄소를 발견한 후, 요한 요제프 됨링(1803)과 존 보스톡(1804)은 혈액이 일산화탄소를 채운 채 심장으로 돌아가 폐에서 이산화탄소로 산화되어 배출된다는 가설을 세웠다.[4] 1854년 아드리앙 셰노는 일산화탄소가 혈액에서 산소를 제거하고 신체 내에서 이산화탄소로 산화될 수 있다고 제안했다.[4] 클로드 베르나르는 1846년부터 1857년에 걸쳐 일산화탄소 중독 메커니즘을 연구하여 "동맥혈이 정맥혈이 되는 것을 막는다"라고 발표했다.[4] 펠릭스 호페-자일러는 이듬해 독립적으로 유사한 결론을 발표했다.
펠릭스 호페-자일러는 1858년 카복시헤모글로빈을 검출하는 최초의 분석 방법인 비색법을 개발했고, 최초의 정량 분석 방법은 1880년 요제프 폰 포도르가 개발했다.[4]
4. 1. 어원
탄소는 석탄을 의미하는 라틴어 '카르보(carbo)'에서 유래되었으며, 1786년에 처음 출판된 프랑스어 charbone|샤르본프랑스어을 거쳤다.[15] 산소의 어원은 일반적으로 라부아지에의 시스템을 기반으로 '산'을 의미하는 것으로 받아들여지는데, 이 시스템은 또한 탄소를 산화가 가능한 비금속 원소로 인식했다.[15]
코크스 실험을 통해 일산화 탄소를 발견한 크루익생크는 새로운 분자를 "탄소의 기체 산화물"이라고 명명했고, 이것은 "탄산 산화물"로 발전하여 독일어로 "kohlenoxyd"로 번역되었다. Kohlen은 석탄을 뜻하는 독일어 단어이다.[4][17]
Haem은 피를 의미하는 그리스어에서 유래되었고,[18][19] 글로빈은 일반적으로 구형을 의미하는 라틴어 '글로부스(globus)'에서 파생되었다.[18] haem과 관련하여, "ae / æ"의 사용은 현대 영국 영어에서 여전히 널리 사용되고 있다.[20]
펠릭스 호페-자일러는 1864년에 "헤모글로빈(hämoglobin)"이라는 이름을 만들었다.[21] 독일어에서 움라우트인 ä는 "ae"로 표기하는 것과 동의어이므로, hämoglobin은 독일 문헌에서 일반적으로 haemoglobin으로 표기되었고, 따라서 haemoglobin은 영어 문헌에서 채택된 용어이다. 호페-자일러는 마찬가지로 Kohlenoxydhämoglobin이라는 이름을 만들었으며,[22] 이 역시 "carbonic oxide hæmoglobin"으로 영어로 직접 번역되었을 수 있다.[23] 카복시헤모글로빈(carboxyhæmoglobin)이라는 용어는 존 홀데인의 연구에서 1895년경에 처음 등장했다.[24]
"일산화탄소"라는 용어는 1879년에 공식적으로 도입되었지만, 수십 년 동안 주류가 되지 못했다.[4] carbonmonoxyhemoglobin과 같은 COHb 용어의 변형이 뒤따랐고[25][11] 결국 "carboxyhemoglobin"으로 발전하고 단순화되었다.
carboxy가 이제 CO2 카르복실 그룹과 확고하게 관련되어 있고, 일산화탄소가 일반적으로 카르보닐로 간주되므로, IUPAC는 "carbonylhemoglobin"을 선호하는 COHb 명명법으로 권장했다.[4] IUPAC 지침에도 불구하고, carboxyhemoglobin은 가장 널리 사용되는 용어로 남아있다.
5. 분석 및 검출 방법
역사적으로 카복시헤모글로빈 검출은 색상 분석, 화학 반응성, 분광 광도법, 가스 측정법, 열전 검출 방법을 통해 이루어졌다.[4] 1961년 기체 크로마토그래피 분석이 등장하여 현재까지 널리 사용되는 방법이다.[4]
현대적인 방법으로는 맥박 산소 측정기와 CO-옥시미터를 포함하며, 다양한 다른 분석 기술도 사용된다.[26][27] 대부분의 방법은 실험실 장비, 숙련된 기술자 또는 고가의 전자 장치를 필요로 하므로, 빠르고 경제적인 검출 기술 개발이 계속 진행 중이다.
호기 일산화 탄소는 카복시헤모글로빈 수치와 상관관계가 있을 수 있는 또 다른 검출 방법이다.[28]
6. 일산화탄소 중독
일산화 탄소 중독(카르복시헤모글로빈혈증)은 인류가 불을 사용하기 시작하면서부터 발생한 질병이다.[29][30] 현대 의학에서는 카르복시헤모글로빈 수치를 통해 중독을 진단하지만, 이 수치가 반드시 증상과 일치하지는 않는다.[31] 일반적으로 혈중 카복시헤모글로빈 농도가 30%를 넘으면 심각한 중독으로 간주한다.[4]
일산화 탄소는 헤모글로빈에 산소보다 훨씬 강하게 결합하는 성질을 가지고 있다.[9][4] 쥐아과 종은 일산화탄소혈색소(COHb) 반감기가 20분으로, 인간(300분)보다 짧다.[4]
일산화 탄소 중독과 관련하여, 1570년경 마르첼루스 도나토가 숯 연기에 질식사한 희생자의 붉은 안색을 기록한 것이 초기 흔적 증거이다.[4] 18세기에는 조지프 프리스틀리가 내인성 카복시헤모글로빈에 대한 설명을 제시했고, 토머스 베드도스, 제임스 와트 등은 인공 공기 흡입의 치료적 가능성을 연구했다.[4] 1800년 윌리엄 크루익생크가 일산화탄소를 발견한 후, 1857년 클로드 베르나르가 일산화탄소 중독의 메커니즘을 발표했다.[4] 펠릭스 호페-세일러는 1858년 최초의 카복시헤모글로빈 검출 분석 방법을 개발했다.[4]
6. 1. 독성 작용 기전
일산화 탄소는 헤모글로빈에 산소보다 약 240배 더 강하게 결합한다.[9][4] 이러한 강력한 결합 때문에 일산화 탄소는 헤모글로빈이 산소를 운반하는 것을 방해한다. 헤모글로빈 분자의 헴 부위에 산소 대신 일산화탄소가 결합하면, 헤모글로빈의 구조가 바뀌어 산소 운반 능력이 떨어진다.일산화 탄소 중독은 카바미노헤모글로빈 형성을 방해하여 이산화 탄소 배출을 막는다.[37] 일산화탄소에 중독되면, 세포에 산소가 제대로 공급되지 않아 저산소증이 발생하고, 이산화탄소 배출이 원활하지 않아 산증이 나타난다.[7][38]
정상적인 가스 교환 과정에서, 헤모글로빈은 폐에서 산소와 결합하여 세포로 운반하고, 세포에서 생성된 이산화탄소를 받아 폐로 운반하여 배출한다. 이 과정은 보어 효과와 홀데인 효과를 통해 조절된다. 하지만 일산화탄소는 헤모글로빈과 산소의 결합을 방해하고, 이산화탄소 운반도 막아 가스 교환을 방해한다.
일산화 탄소 중독 환자의 정맥혈은 카르보닐/일산화 탄소가 유지되기 때문에 동맥혈과 유사하게 밝은 붉은색을 띤다.[13] 이는 정상적인 정맥혈의 어두운 붉은색, 카바미노헤모글로빈의 푸른색과 대조적이다.[13]
6. 2. 독성동태학
일반적인 대기 조건에서 카복시헤모글로빈의 반감기는 약 300분이다.[4] 고유량의 순수 산소를 투여하면 90분으로 줄어들 수 있으며,[4] 고압 산소 챔버에서 치료하면 반감기를 30분으로 줄이는 데 더욱 효과적이다.[4]보조 산소는 르 샤틀리에의 원리를 이용하여 카복시헤모글로빈이 헤모글로빈으로 빠르게 분해되도록 한다:[39]
:HbCO + O2 ⇌ Hb + CO + O2 ⇌ HbO2 + CO
7. 카복시헤모글로빈 의약품
일산화탄소가 치료적 잠재력을 가지고 있다는 사실이 밝혀짐에 따라, 제약 업계는 일산화탄소 방출 분자 및 선택적 헴 산소화 효소 유도제 개발에 주력하고 있다.[40]
약물 전달을 위한 또 다른 방법은 현재 후기 임상 개발 단계에 있는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 변형된 소 카복시헤모글로빈에 고정된 일산화탄소를 사용하는 것이다. 마찬가지로, 말레이미드 PEG가 결합된 사람 카복시헤모글로빈도 이전에 제약 개발의 대상이 된 적이 있었다.[41]
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