활성 산소

3. 활성 산소의 생성

• 하이드록실 라디칼 (HO•): 제일철 화합물 및 관련 환원제와 과산화수소의 펜톤 반응에 의해 생성된다.
• 과산화물 (O₂⁻): O₂의 환원에 의해 생성된다.^[4]
• 과산화수소 (H₂O₂): 호흡의 부산물로 생성된다.^[4]
• 과산화 질산염 (ONO₂⁻): 과산화물과 산화 질소의 반응으로 생성된다.
• 단일항 산소 (¹O₂): 엽록소와 같은 광과민제는 삼중항 (³O₂)을 단일항 산소로 변환할 수 있다.^[6]

4. 활성 산소의 생체 내 기능

산소의 정상적인 신진대사 과정에서 생성되는 활성 산소(ROS)는 세포 신호 전달과 항상성 유지에 중요한 역할을 한다.^{[7][8][9][10]} 활성 산소는 세포 기능에 필수적이며, 정상적인 세포에서는 낮고 안정적인 수준으로 존재한다.^[11]
세포 신호 전달:활성 산소는 세포 성장, 분화, 세포자멸사 등 다양한 생리적 과정을 조절하는 신호 전달 물질로 작용한다.^[13][14][15]
면역 반응:백혈구의 일종인 호중구나 대식세포는 체내에 침입한 세균 등의 외부 물질을 제거하기 위해 활성 산소를 이용한다.^[102] 이들은 NAD(P)H 산화 효소를 사용하여 과산화 수소를 생성하여 세균을 살균하고 감염증으로부터 신체를 보호한다.^[102]
항상성 유지:활성 산소는 세포 내 산화 환원 균형을 유지하는 데 기여한다.
식물에서의 역할:식물에서 활성 산소는 광보호 및 다양한 스트레스(가뭄, 염분, 냉해, 병원체, 영양 결핍, 금속 독성, UV-B 방사선 등)에 대한 내성과 관련된 대사 과정에 관여한다.^[12][17][18]
어류의 시각적 외관 변화:활성 산소는 어류의 시각적 외관 변화에 영향을 미치며, 이는 체온 조절, 시각적 의사소통, 생식, 생존 등 어류의 행동과 생태에 영향을 줄 수 있다.^[16]
장내 면역 반응:초파리의 장에서 활성 산소는 세균을 죽이는 살균제 역할뿐만 아니라 상피 복구 메커니즘을 유도하는 신호 분자 역할도 한다.^[40]
기억 형성:활성 산소는 기억 형성에 중요한 역할을 한다.^[85][86] 특히, 뇌 신경세포 DNA의 탈메틸화를 유도하여 학습과 기억에 관여한다.^[87][88] 활성산소는 CpG 부위에서 구아닌을 공격하여 8-히드록시-2'-데옥시구아노신 (8-OHdG)을 형성하고, 염기 절제 복구 효소인 OGG1은 8-OHdG를 표적으로 삼아 즉시 절제하지 않고 병변에 결합한다. 5mCp-8-OHdG 부위에 존재하는 OGG1은 TET1을 모집하고, TET1은 8-OHdG에 인접한 5mC를 산화시킨다. 이것은 5mC의 탈메틸화를 시작한다.^[83] 신경세포 DNA 내 유전자 프로모터의 CpG 부위의 ROS 의존적 탈메틸화에 의해 부분적으로 조절되는 신경세포의 변화된 단백질 발현은 기억 형성에 핵심적이다.^[89]

5. 항산화 방어 시스템

세포 대사 과정에서 활성 산소의 해로운 작용을 막기 위한 방어 시스템이 존재하며, 이를 항산화물질계(antioxidant system)라고 부른다.^{[15][21][22][23]}

생체 내 항산화 방어 시스템은 크게 항산화 효소, 항산화 물질, 그리고 기타 항산화 시스템으로 나눌 수 있다.

• '''항산화 효소:''' 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(SOD), 카탈라아제, 글루타티온 과산화 효소, 과산화 효소 등이 활성 산소를 무해한 물질로 전환하는 역할을 한다.
• 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(SOD):** 슈퍼옥사이드를 산소와 과산화 수소로 바꾸는 효소이다. 포유류에서는 세 가지 형태(SOD1, SOD2, SOD3)가 존재하며, 각각 세포질, 미토콘드리아, 세포 외부에 위치한다.^[91][99]
• '''카탈라아제:''' 과산화 수소를 물과 산소로 분해하는 효소로, 과산화소체에 많이 존재한다.
• '''글루타티온 과산화 효소:''' 과산화 수소를 글루타티온을 이용하여 환원시킨다.
• '''퍼옥시레독신:''' 과산화 수소를 분해하며, 미토콘드리아, 세포질, 핵 내에 존재한다.
• '''항산화 물질:''' 비타민 C(아스코르브산), 비타민 E, β-카로틴, 글루타티온 등은 활성 산소와 직접 반응하여 활성 산소를 제거한다.^[26]
• '''기타 항산화 시스템:''' NAD(P)H 산화 효소를 사용하는 백혈구 (호중구)는 과산화 수소를 생성하여 세균을 살균한다.^[102]

6. 산화 스트레스와 질병

활성 산소(ROS) 생성과 제거의 불균형으로 인해 발생하는 산화 스트레스는 세포 손상, 노화, 그리고 다양한 질병을 유발할 수 있다.^[13][14][15]

• 세포 손상: 활성 산소는 DNA, 단백질, 지질 등 세포 구성 성분을 산화시키고 손상시킨다.^[39]
• 노화: 노화의 활성 산소설에 따르면, 산화 스트레스는 노화의 주요 원인 중 하나이다.
• 암: 활성 산소는 DNA 손상, 유전자 변이, 세포 증식 촉진, 혈관 신생, 전이 등을 통해 암 발생 및 악화에 기여한다.^[62]
• 심혈관 질환: 활성 산소는 혈관 내피세포 손상, 염증 반응, 동맥경화 등을 유발한다.^[20]
• 신경 퇴행성 질환: 활성 산소는 신경세포 손상을 유발하여 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 질환을 일으킬 수 있다.
• 기타 질환: 활성 산소는 당뇨병, 만성 염증, 청력 손실, 허혈성 손상, 뇌졸중, 심근 경색 등 다양한 질병과 관련이 있다.

7. 산화 스트레스와 건강 관리 (한국의 관점)

한국인의 건강 관리에 있어 산화 스트레스는 중요한 고려 사항이다. 특히, 한국인의 식습관과 생활 습관은 산화 스트레스에 큰 영향을 미칠 수 있다.
항산화 물질 섭취의 중요성한국인의 식단에서 빠지지 않는 김치, 된장, 고추장 등의 발효 식품과 다양한 채소는 항산화 물질을 풍부하게 함유하고 있다. 이러한 식품들은 체내 활성 산소를 제거하여 산화 스트레스를 줄이는 데 도움을 줄 수 있다.^[98] 특히, 슈퍼옥사이드 디스뮤테이스(SOD)는 슈퍼옥사이드를 산소와 과산화수소로 바꾸는 효소로, 세포를 보호하는 중요한 항산화제 역할을 한다.
생활 습관 개선미토콘드리아에서 에너지를 생성하는 과정에서 활성 산소가 발생하는데, 이는 세포 손상 및 여러 질병의 원인이 될 수 있다.^[99] 규칙적인 운동과 충분한 수면, 금연은 활성 산소 생성을 줄이고 건강을 유지하는 데 필수적이다. 특히 흡연은 활성 산소를 증가시켜 세포를 손상시키고 비타민 C를 파괴하여 피부 문제를 일으킬 수 있다.^[101]
정기적인 건강 검진산화 스트레스와 관련된 질병을 조기에 발견하고 관리하기 위해 정기적인 건강 검진이 필요하다. 특히, 근위축성 측삭 경화증과 같은 질환은 활성 산소와 관련이 있을 수 있으므로 주의 깊게 관찰해야 한다.
대기 오염에 대한 주의미세먼지와 황사는 한국에서 흔히 발생하는 대기 오염 문제로, 활성 산소 생성을 증가시킬 수 있다. 따라서, 대기 오염이 심한 날에는 마스크를 착용하고 외출을 자제하는 등 개인 위생 관리에 신경 써야 한다.
활성 산소의 양면성활성 산소는 세포 손상을 일으키는 유해한 물질로 알려져 있지만, 백혈구의 호중구와 대식세포는 활성 산소를 이용하여 세균을 제거하는 등 생체 방어 메커니즘에 중요한 역할을 하기도 한다.^[102] 또한, 활성 산소는 세포 내 신호 전달 물질로 작용하기도 한다.^[103]

8. 결론

호기성 생물은 에너지를 얻기 위해 미토콘드리아에서 산소를 소비하며, 이 과정에서 일부 산소는 반응성이 높은 활성 산소로 변환될 수 있다.^[98][100] 활성 산소는 세포에 손상을 줄 수 있지만, 항산화 효소에 의해 제거되거나 무해화된다. 그러나 여분의 활성 산소는 암, 생활 습관병, 노화 등 다양한 질병의 원인이 될 수 있으며, 흡연은 활성 산소를 증가시켜 세포 손상 및 멜라닌 증가를 유발할 수 있다.^[101]

한편, 활성 산소는 외부에서 들어온 이물(미생물)을 제거하는 데 중요한 역할을 한다. 백혈구(호중구)는 NAD(P)H 산화 효소를 사용하여 과산화 수소를 생성, 세균을 살균하여 감염증으로부터 신체를 보호한다.^[102] 또한, 자외선이나 방사선에 의해 발생하는 활성 산소는 방사선 치료에 이용되기도 한다.

활성 산소는 세포 내 신호 전달 물질로도 작용하며,^{[103][104][105]} 생체와 활성 산소의 관계는 유해성과 유용성 양 측면에서 연구가 진행되고 있다.

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