산화 스트레스

3. 산화제의 생성과 소비

정상적인 인간의 상태에서 활성산소의 한 원천은 미토콘드리아에서 산화적 인산화 과정 중 활성산소가 누출되는 것이다.^[41] 초과산화물을 생성할 수 있는 다른 효소로는 크산틴 산화효소, NADPH 산화효소 및 시토크롬 P450이 있다. 과산화수소는 여러 가지 산화효소를 포함한 다양한 효소에 의해 생성된다. 활성산소종은 세포 신호 전달에서 중요한 역할을 하는데, 이 과정을 산화환원 신호 전달이라고 한다. 따라서 적절한 세포 항상성을 유지하려면 활성산소 생성과 소비 사이의 균형을 맞춰야 한다.^[42][43]

가장 잘 연구된 세포 항산화제는 초과산화물 불균등화효소(SOD), 카탈라아제 및 글루타티온 과산화효소이다. 덜 연구되었지만(아마도 똑같이 중요할) 효소 항산화제로는 퍼옥시레독신과 최근에 발견된 술피레독신이 있다.

4. 질병

산화 스트레스는 루게릭병, 파킨슨병, 알츠하이머병, 헌팅턴병, 우울증, 다발성 경화증과 같은 신경퇴행성 질환과 자폐증과 같은 신경 발달 장애에 중요한 역할을 한다.^[45][46][47] 미토콘드리아 기능 장애로 인한 산화 스트레스 증가는 알츠하이머병, 파킨슨병 등의 신경 퇴행성 질환과 관련이 있다.^[50]

산화 스트레스는 플라크 형성에 영향을 주어 특정 심혈관 질환과 관련이 있으며,^[54] 뇌졸중, 심장 마비를 포함하는 허혈 연쇄 반응에도 영향을 준다. 또한 만성 피로 증후군(ME/CFS),^[51] 당뇨병에도 관여한다. 혈액암에서 활성 산소종은 면역 세포의 기능을 방해하여 암세포의 면역 회피를 촉진할 수 있지만, 한편으로는 암세포에 선택적으로 독성을 나타낼 수도 있다.^[52][53]

산화 스트레스는 DNA에 직접적인 손상을 주어 돌연변이원성을 가지며, 세포자멸사를 억제하고 전이를 촉진하여 암 발생에 관여한다.^[54] ''헬리코박터 파일로리'' 감염 또한 위암 발생에 중요한 것으로 알려져 있다.^[55] 유리기나 과산화물 등을 포함한 활성산소는 산화 스트레스의 부정적 측면 중 하나인데, 이들은 장기적으로 DNA 손상을 일으킬 수 있다.^[111]

4. 1. 알츠하이머병과 산화적 DNA 손상

5. 항산화 보충제

일부 질병 예방을 위한 항산화제 사용은 논란의 여지가 있다.^[59] 흡연자와 같은 고위험군에서는 고용량의 베타카로틴이 폐암 발생률을 증가시켰는데, 이는 흡연으로 인한 높은 산소분압과 함께 고용량의 베타카로틴이 산소 분압이 높을 때는 프로옥시던트 효과를, 산소 분압이 높지 않을 때는 항산화 효과를 나타내기 때문이다.^[60][61] 고위험군이 아닌 경우에는 비타민 E를 사용하면 심장병 위험이 감소하는 것으로 나타난다.^[62] 그러나 비타민 E가 풍부한 음식을 섭취하면 중년에서 고령의 남성과 여성의 관상동맥 심장병 위험이 감소할 수 있지만, 비타민 E 보충제를 사용하면 전반적인 사망률, 심부전 및 뇌출혈이 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 미국심장협회(American Heart Association)는 항산화 비타민 및 기타 영양소가 풍부한 음식 섭취는 권장하지만 심혈관 질환 예방을 위한 비타민 E 보충제 사용은 권장하지 않는다.^[63]

6. 금속 촉매

철, 구리, 크롬, 바나듐, 코발트와 같은 금속은 전자를 주고받는 산화환원 반응을 통해 활성산소종 생성을 촉매한다.^[75] 이러한 금속이 생체 내에서 단백질 등에 결합되지 않은 형태로 존재하면 산화 스트레스를 크게 증가시킬 수 있다. 이 금속들은 과산화 수소로부터 하이드록실 라디칼이 생성되는 펜톤 반응과 하버-바이스 반응을 유도한다.^[76] 하이드록실 라디칼은 아미노산을 변형시키는데, 예를 들어 페닐알라닌이 수산화 반응을 통해 메타-티로신과 오르토-티로신으로 변형된다. 지질 과산화 및 핵염기의 산화도 일어난다. 금속 촉매 산화는 아르기닌, 라이신, 프롤린, 트레오닌의 비가역적 변형을 일으켜 단백질 분해 또는 응집을 유발한다.^[77][78]

7. 비금속 산화환원 촉매

금속 산화환원 촉매 외에도 특정 유기 화합물이 활성 산소종을 생성할 수 있다. 그중 가장 중요한 종류 중 하나는 퀴논이다. 퀴논은 자신과 결합된 반퀴논 및 하이드로퀴논과 산화환원 순환을 할 수 있으며, 경우에 따라서는 산소로부터 슈퍼옥사이드 또는 슈퍼옥사이드로부터 과산화수소의 생성을 촉매할 수 있다.

8. 면역 방어

면역계는 산화제의 치명적인 효과를 이용하여 산화종 생성을 병원체 사멸 메커니즘의 중심 부분으로 만든다. 활성화된 식세포는 활성 산소종과 활성 질소종을 모두 생성한다. 여기에는 초과산화물(•O₂⁻), 일산화질소(•NO) 및 그들의 특히 반응성이 높은 생성물인 과산화질산염(ONOO⁻)이 포함된다.^[80] 식세포의 세포독성 반응에서 이러한 고반응성 화합물을 사용하면 숙주 조직이 손상되지만, 이러한 산화제의 비특이성은 표적 세포의 거의 모든 부분을 손상시키기 때문에 장점이 된다.^[40] 이는 단일 분자 표적의 돌연변이를 통해 병원체가 이러한 면역 반응에서 벗어나는 것을 방지한다.

9. 남성 불임

산화 스트레스는 정자 DNA 단편화의 주요 원인이며,^[81] 정자 DNA 단편화 수치가 높은 남성은 임신 성공률이 현저히 낮아 남성 불임의 중요한 원인으로 여겨진다.^[81] 산화적 DNA 손상 지표인 8-옥소-2'-데옥시구아노신(8-oxo-2'-deoxyguanosine)의 높은 수치는 비정상적인 정자 및 남성 불임과 관련이 있다.^[82]

10. 노화

조기 노화 쥐 모델에서 산화 스트레스로 인한 DNA 손상은 정상적으로 노화되는 대조군 쥐보다 신피질과 해마에서 상당히 높았다.^[83] 수많은 연구에 따르면 산화 스트레스의 산물인 8-옥소-2'-데옥시구아노신의 수치는 쥐, 랫트, 저빌 및 인간의 뇌와 근육 DNA에서 나이가 들면서 증가한다.^[84] 산화적 DNA 손상과 노화의 연관성에 대한 자세한 내용은 노화의 DNA 손상 이론 문서에 제시되어 있다. 그러나 최근 플루오로퀴놀론 항생제인 에녹사신이 산화 스트레스를 유도함으로써 선충 ''C. elegans''에서 노화 신호를 감소시키고 수명 연장을 촉진할 수 있다는 것이 밝혀졌다.^[85]

유리기나 과산화물 등을 포함한 활성산소의 발생은 산화 스트레스의 매우 큰 부정적 측면 중 하나이다. 방사선에 의한 DNA 손상은 산화 스트레스에 의한 것과 유사하며, 이러한 손상은 노화와 암과 깊은 관련이 있다.

11. 진핵생물의 기원

약 24억 5천만 년 전, 대산소사건이 시작되면서 산소가 지구 대기에 나타나기 시작했다. 고대 미세 환경에서 시아노박테리아의 광합성으로 인한 산소 수치 증가는 주변 생물군에게 매우 유독했을 것이다. 이러한 조건에서 산화 스트레스의 선택적 압력은 고세균 계통의 진화적 변형을 최초의 진핵생물로 이끌었다고 생각된다.^[86] 산화 스트레스는 자외선 방사선 및/또는 건조와 같은 다른 환경적 스트레스와 상승 작용을 하여 이러한 선택을 주도했을 수 있다. 산화적 DNA 손상의 효율적인 복구에 대한 선택적 압력은 세포 세포융합, 세포골격 매개 염색체 이동 및 핵막의 출현과 같은 특징을 포함하는 진핵생물의 유성 생식 진화를 촉진했을 수 있다.^[86] 따라서 감수분열 유성 생식과 진핵세포 발생은 산화적 DNA 손상의 복구를 용이하게 하기 위해 진화한, 상당 부분 분리할 수 없는 과정이었을 수 있다.^[86][87][88]

12. COVID-19와 심혈관계 손상

산화 스트레스가 COVID-19의 심장 합병증을 결정하는 데 중요한 역할을 할 수 있다는 주장이 제기되었다.^{[114][89][90]} 산화 스트레스는 화학적으로 산화종 생성량의 증가 또는 글루타티온 등의 항산화 방어 효과가 크게 저하되는 것과 관련이 있다.^[109]

13. 한국의 산화 스트레스 연구 및 정책 동향

(빈칸)

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