활성산소종(ROS)과 노화 - 활성산소종과 항산화제

생체 내에는 항상성을 유지하기 위하여 다양한 방어기제가 존재하여 생체 내에서 생성되는 자유기를 효율적으로 제거할 수 있는데, 수퍼옥사이드디스뮤타제(SOD), 카탈라제, 글루타치온퍼옥시다제(GPX), 글루타치온-S-트랜스퍼라제(GST), 글루타치온 환원요소(glutathione reductase)와 같은 인체 내의 자체적인 항산화 효소계들과 글루타치온, 아스코르브산, 베타카로틴, 비타민E 등과 같은 비효소성 항산화계가 있습니다.

활성산소의 유해성을 막기 위해서 우리의 신체는 항산화 비타민, 비효소적 항산화 물질, 그리고 항산화 효소로 구성되어 있는 효율적인 항산화 방어체계를 가지고 있는데 이러한 항산화 체계 각각의 역할은 독특할 뿐 아니라, 기능적으로 상호 보완적 그리고 중복적으로 작용할 수 있습니다. 일반적으로 항산화 비타민은 직접적으로 자유기를 제거하는 역할에 관여하며, 항산화 물질인 글루타치온(glutathionine)과 다른 티올(thiol) 물질들은 세포의 산화-환원상태를 유지하는데 중요한 역할을 하고, SOD(수퍼옥사이드 디스뮤타제), CAT(카탈라제), 그리고 GPX(글루타치온 퍼옥시다제)와 같은 항산화 효소는 활성산소의 하나인 전자 환원반응을 촉매합니다. SOD는 수퍼옥사이드를 분해해서 과산화수소와 산소를 만들과, 카탈라제(catalase) 효소는 과산화수소를 물과 산소로 분해합니다. GPX는 과산화수소를 소멸시키며, 이때 글루타치온의 도움을 받습니다.

 

SOD(Superoxide dismutase)

세포의 산화작용에 대한 첫 번째 방어체계는 SOD효소이며, 과산화수소(H₂O₂)와 산소(O₂)를 형성시키기 위하여 산화물을 균질화(dismutation)시킵니다. 

세포에서 SOD의 활성분포는 조직들 사이에 다양하게 나타나는데 쥐의 간에 있어서는 대략적으로 SOD의 활성의 2/3이 세포질에서 나타나며, 1/3은 미토콘드리아에서 나타납니다. 포유동물의 경우 가장 높은 SOD의 활성은 간(liver)에서 나타나고, 그 다음이 신장(kidney), 뇌(brain), 부신(adrenal gland) 그리고 심장(heart)에서 나타납니다. 거의 모든 진핵세포의 세포질에는 구리(Cu)와 아연(Zn)을 가지는 SOD가 존재하며 대부분의 미토콘드리아에는 망간(Mn)을 가지는 SOD가 존재합니다.

 

CAT(Catalase)

Catalase의 주요 기능은 과산화수소(H₂O₂)의 분해를 촉진시키는 것입니다. 비록 CAT(카탈라제)와 GPX(글루타치온 퍼옥시다제)의 기능이 중복되는 부분이 있지만, 두 효소는 기질로서 H₂O₂에 대한 친화도가 다르게 나타납니다. 즉, 포유동물의 GPX는 CAT와 비교해서 낮은 농도의 H₂O₂에 대한 친화도가 더 크게 나타납니다. 이는 낮은 H₂O₂ 농도에서 GPX는 근육세포로부터 H₂O₂를 제거하는데 있어 더욱 활발한 역할을 한다고 볼 수 있습니다. CAT의 경우 급격한 운동 후에 쥐의 심장, 간, 그리고 골격근에서 활성이 증가하는 현상을 보입니다.

 

GPX(glutathione peroxidase)

GPX는 지방산 과산화물과 핵산에서 파생된 과산화물을 포함하여 과산화수소에서부터 복합조직 과산화물까지 낮은 특수성을 가지고 있기 때문에 세포에서 왕성하게 과산화물을 억제하는 역할을 합니다. GPX는 세포질과 세포의 미토콘드리아 기질에 많이 분포되어 있습니다. GPX는 셀레늄(Se)를 포함하는 효소입니다. 글루타치온(GSH)은 H₂O₂를 H₂O로 전환시키는 GPX의 반응에 전자를 주면서 글루타치온 디설파이드(GSSG)로 산화가 일어납니다. GSSG는 glutathione reductase에 의하여 GSH로 다시 환원이 일어납니다. 이때 전자공여체로 사용되는 것은 NADPH입니다. 

 

식이성 항산화제

• 비타민C
  비타민C는 열에 불안정하기 때문에 조리 시에 쉽게 파괴되고 물에는 쉽게 녹기 때문에 식품이나 식품의 원료에서 쉽게 녹아서 빠져나갑니다. 강한 환원제로서 콜라겐 합성효소 활성화에 기여합니다. 노화과정에서 결정적인 변화를 나타내는 피부구조에서 진피층 콜라겐 함량 및 합성증가는 피부보습과 탄력의 증가를 의미하는데 비타민C는 silicon, 철분과 함께 조효소로 작용하여 전구 콜라겐(procollagen) 합성을 돕는 역할을 합니다. 이후 Hydroxylase는 2가 상태의 철분(Fe²⁺)과 느슨하게 결합함으로써 활성화 되고 3가의 철분(Fe³⁺)으로 산화가 되면 효소의 활성을 잃게 되는데 이 과정에서 비타민C는 산화된 철분을 다시 환원시켜 효소를 활성화시키는 것으로 알려져 있어 피부노화방지를 위한 연구도 활발히 진행되고 있습니다.
• 비타민E
  비타민E는 과산화물에 의해서 파괴되는 세포막을 보호하도록 작용하는 지용성 항산화제입니다. 비타민E는 격렬한 운동으로 유발되는 과산화물에 의한 적혈구와 근육의 손상을 감소시키는 것으로 알려져 있는데 에너지 소비가 많은 신체활동과 노동에 있어서 일관성있는 연구결과를 얻지 못하고 있습니다. 어떤 연구는 체력과 지구력을 향상시킨 결과를 얻었는가 하면 어떤 여구는 영향이 없었다는 결과를 보고하고 있습니다.
• 베타카로틴
  베타카로틴(베타-carotene)은 비타민A의 전구물질이긴 하나 비타민A와는 다르게 과량을 섭취해도 독성은 거의 없습니다. 그러나 계속해서 과량을 섭취하면 피부가 황염이 됩니다. 일반적인 식단대로 과일과 야채의 양을 섭취하면 충분한 베타카로틴을 섭취하게 됩니다. 베타카로틴은 일중항 산소(singlet oxygen, ¹O₂) 또는 프리라디칼의 유독한 독성을 제어하는 기능을 가집니다.
• 라이코펜(토마토의 색소성분)
  라이코펜(lycopene)은 카로틴의 일종으로 강력한 항산화 작용이 있습니다. 하버드대 공중보건대학에서 발표한 연구에 의하면 1주일에 10회 이상 식단 단위의 토마토를 섭취하면 전립선암의 발병률 약 45% 예방할 수 있는 것으로 시사되고 있습니다.
• 카테킨
  카테킨은 페놀고리 구조를 가진 천연물질로서 에피갈로카테킨 갈레이트(EGCG), 에피카테킨 갈레이트(ECG), 에피갈로카테킨(EGC), 에피카테킨(EC) 등을 포함합니다. 녹차잎의 주성분인 EGCG는 녹차 한잔에 200~300mg 포함되어 있습니다. 녹차는 5000년 이상 인류와 함께 해왔으며 특유의 페놀고리와 고유의 작용기로 인한 항산화 효과로 여러 가지 유익한 효과를 주는 것으로 알려집니다. 유익한 역할로 항암작용, 혈관세포 보호, 당뇨병 예방 및 지연 체중감소 등의 효과가 알려집니다.
• 커큐민
  커큐민은 심황(turmeric)이라는 생강과 식물의 성분으로 '카레'의 주성분이라고 잘 알려진 화합물입니다. 1815년에 염료로 발견되어 1910년 구조가 밝혀지고 합성이 가능하게 되었습니다. 지질친화성이 높고 활성산소종 뿐만 아니라 2,2-diphenyl-1-picrylhydraxyl(DPPH), 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid)(ABTS) 등과 같은 라디칼과 반응성을 가져 지질성분의 산화를 효과적으로 억제할 수 있는 것으로 밝혀졌습니다. 항산화 능력에 중요한 작용기는 양쪽의 페놀고리 구조보다 가운데 위치한 메틸렌기가 중요한 것으로 알려졌으며, 조건에 따라 산화촉진제로도 작용하여 암세포의 사멸을 유도할 수 있음이 밝혀졌습니다. 활성산소종(ROS)과 활성질소종(RNS)에 대한 반응성이 있는 것으로 알려져 있으며 간에서도 대사속도가 빨라 섭취 후 1시간 이내에 체외로 배출됩니다.
• 레스베라트롤(resveratrol)
  레스베라트롤은 폴리페놀계 화합물로서 적포도주의 성분 중 하나입니다. "프렌치 패러독스"라고 하는 심혈관질환의 유병률과 적포도주 섭취의 역관계성에 대한 역학조사결과에서 처음으로 주목받기 시작했습니다. 레스베라트롤은 그 자체의 항산화능력과 질산화물(nitric oxide, NO) 생성 증가를 통해 혈관을 확장시킴으로써 심장의 재관류 손상과 부정맥을 억제하는 것으로 확인되었습니다. 그 외에도 Akt, ERK1/2 등의 활성화를 통해 활성산소종의 처리에 관련된 효소들이 Nrf2-ARE(antioxidant response element)를 통해 발현 증가됨이 확인되었습니다. 레스베라트롤은 sirtuin 단백질량을 증가시켜 미토콘드리아의 기능을 증진시키고 당대사 흐름의 개선시킬 수 있다고 알려졌습니다. 실험동물을 이용하여 실험한 결과로 볼 때 수명연장 효과를 보기 위해서는 하루에 수십 병의 포도주를 마셔야 한다는 계산이 나오는데 이것은 좋은 방법이 아닙니다. 그렇지만 레스베라트롤이 건강한 삶을 사는데 도움을 줄 수 있다는 보고들은 계속되고 있습니다. 또한 레스베라트롤은 여전히 암의 발명, 심혈관질환, 당뇨병, 뇌질환 등에 대한 치료제로서의 가능성을 가지고 실험들이 진행되고 있습니다. 
• 플라보노이드, 스쿠알렌, 인삼, 멜라토니 등의 항산화 영향제
  신선한 과일과 야채에는 위에서 언급된 항산화제 이외에도 플라보노이드, 스쿠알렌, 인삼, 멜라토닌 등의 항산화 영향제들이 풍부하게 들어있어서 신선한 과일과 야채를 권장식대로 충분하게 섭취하면 이들 효능이 복합적으로 작용하여 인체에 이롭게 작용됩니다. 아연과 셀레늄의 섭취가 부족하게 되는 경우는 드물지만 항산화 효과는 크게 나타나는 것으로 알려져 있습니다.