마스크 Part 8

[K김상수(인천)]

5. 미토콘드리아

인체 내에서 산소와 영양분을 재료로 에너지 화폐인 ATP를 생산하는 곳은 세포 안에 있는 미토콘드리아이다. 미토콘드리아는 매우 역동적인 세포 내 소기관으로 세포 활동에 필요한 ATP를 생산하는 ‘세포의 발전소’이다.1) 미토콘드리아는 ATP 생산 외에도 선천 면역, 세포 사멸 등 다양한 생물학적 과정에 관여한다.2)3)

미토콘드리아는 세포의 종류 및 에너지 사용 정도에 따라 하나의 세포에 적게는 100개 많게는 2천5백 개까지 있으며 ATP 생산을 위해 인체가 흡입한 산소의 98%를 소비한다.4)5)6) 미토콘드리아가 체내 산소의 주된 소비자이다 보니 산소량 변화를 예민하게 감지하는 산소 센서 역할을 하며, 산소가 부족한 저산소 및 허혈 손상의 주요 표적이 되기도 한다. 하지만 한편으론 체내 산소가 부족해지는 경우 가장 먼저 반응하여 산소 결핍으로 인한 인체의 피해를 최소화하기 위해 노력하기도 한다.7)8)

미토콘드리아가 효율적으로 기능을 유지하기 위해 지속적인 산소 공급은 필수적이며, 이는 세포가 생명을 유지하고 맡은 바 ​​역할을 수행하는 전제조건이 된다. 산소 부족(저산소증)은 미토콘드리아의 기능장애를 유발하며, 미토콘드리아의 손상은 전 세계 인구의 생명을 위협하는 심혈관 질환, 암, 뇌신경 질환을 포함하여 다양한 질병의 발병에 중심 역할을 한다.9)

미토콘드리아가 질병을 유발할 수 있는 이유는 ATP 생산 과정에서 부산물로 활성산소(ROS)가 발생하기 때문이다.10) 활성산소는 노화와 알츠하이머병과 같은 신경 퇴행성 장애를 유발하고 암의 발병과 진행 및 전이에 중요한 역할을 하는 등 다양한 질병과 관련이 있는 것으로 알려져 있다.11)12) 하지만 이는 활성산소의 생산량이 증가하여 인체가 산화스트레스를 받을 때 발생하는 현상이다.13) 적절한 양의 활성산소는 세포의 내외 환경 변화에 반응하여 세포 간 신호 전달 경로에서 중요한 역할을 하며 세포 내 항산화 시스템에 의해 제거되어 세포 내 산화 환원 평형을 정밀하게 유지하는데 기여한다.14)

문제는 미토콘드리아에 산소 공급이 부족해지거나 갑자기 많아지면 활성산소의 생산이 급격히 증가한다는 데 있다. 많은 양의 활성산소가 축적되면 항산화 메커니즘이 압도되고 산화적 세포 스트레스가 발생할 수 있다.15) 활성산소의 증가는 항산화능력이 취약한 미토콘드리아 내부 단백질과 DNA를 훼손한다. 손상된 미토콘드리아는 활성산소를 더욱 많이 생산하고 증가한 활성산소는 다시 미토콘드리아를 훼손하는 악순환이 반복된다.16)

저산소증에 대한 미토콘드리아의 반응은 세포 운동성의 변화, 혈관 신생, 염증 유발 및 적혈구 생성, 호흡 및 심장 기능의 변화 등 전신 신진대사의 변화로 나타나며 이런 이유로 저산소증에 의한 미토콘드리아의 기능 장애가 다양한 신체 증상 및 질병으로 나타날 수 있게 된다.17)

저산소증이 지속되어 미토콘드리아가 손상될 때 발생할 수 있는 질병은 앞서 언급한 심혈관 질환과 암을 포함하여 조기 노화, 근위축성 측색 경화증(루게릭병), 알츠하이머병, 파킨슨병, 자폐증, 심혈관 질환, 만성 피로 증후군, 치매, 당뇨병, 헌팅턴병(신체적, 정신적으로 심각한 무능력 상태), 편두통 등이다.

우리가 흔히 사용하는 약물이 직접 미토콘드리아를 훼손하기도 하는데 그 예로는 아세트아미노펜(타이레놀), 항생제, 아스피린, 비스테로이드성 해열진통소염제(부루펜 등, NSAIDs), 스타틴(고지혈증약), 인도메타신(류마티스약), L-도파(파킨슨약), 지도부딘(항바이러스제, AZT), 메스암페타민(각성제), 그리세오풀빈(백선약, 항진균제), 코카인(마약) 등이 있다.18)

6. 뇌

인간의 뇌는 신체에서 에너지를 가장 많이 요구하는 조직 중 하나로 근육이나 심장과 같은 기계적 작업을 수행하지 않음에도 불구하고 신진대사가 활발하게 일어난다. 정상적인 인간의 뇌는 1분에 뇌 조직 100g당 3.5ml의 산소를 소비하며, 이 값은 각성 및 수면 동안 일정하게 유지된다.20)

뇌의 중량은 체중의 2%밖에 차지하지 않지만, 우리가 흡입하는 산소의 20%를 소비하여 많은 양의 ATP를 생산한다.21)22) 뇌에서 생산되는 ATP의 75~80%는 정보처리와 신호 전달을 위해 뇌신경 접합부에서 신경전달물질을 방출하는데 사용된다.23) 뇌는 에너지를 저장할 수 없으므로 정상적인 뇌기능을 유지하기 위해서는 끊임없는 산소와 영양 공급을 통한 ATP 생산이 필수적이다.24)25)

강력한 환경 스트레스 요인인 저산소증은 뇌세포의 미토콘드리아 기능장애를 유발하며 이는 불충분한 ATP 생산과 과도한 활성산소의 축적으로 이어져 뇌신경을 구성하는 뉴런을 훼손하여 뇌 가소성(환경 변화에 대한 적응력)을 저해하고26)뇌의 인지장애 및 기억장애를 유발한다.27)28)

이는 곧 뇌의 노화를 의미하며29) 뇌의 노화는 에너지 대사의 쇠퇴, 즉 ATP의 생산 부족에서 비롯된다는 증거가 늘어나고 있다. 하지만, 불행하게도 이러한 손상은 초기에 인식되는 경우가 드물어 이미 돌이킬 수 없을 정도로 구조적 손상을 입은 후에야 인식되는 경향이 있다.30)

이렇듯 뇌세포는 ATP 의존적 방식으로 다양한 역할을 수행하므로 충분한 산소 공급을 통해 지속적인 ATP 생산이 이루어지지 않으면 앞에서 언급한 루게릭병, 알츠하이머, 파킨슨, 치매, 자폐증, 헌팅턴병 등 뇌신경계 질환이 발생할 수 있음은 물론 인지장애, 기억장애 등 뇌의 노화가 앞당겨지고 태아의 경우 자폐, 유아의 경우 발달장애, 청소년의 경우 학습장애가 유발될 수 있다.31)32)33)

 7. 심장 & 혈관

부족한 산소(저산소증)는 죽상동맥경화증, 폐고혈압 및 심부전을 포함한 수많은 심혈관질환의 선행 요인이며, 저산소증에 의한 심혈관 손상은 주로 미토콘드리아를 매개로 발생한다.34) 이는 미토콘드리아가 산소의 가장 큰 소비자이고35) 미토콘드리아가 산소를 소비하여 생성한 ATP는 심장과 혈관의 세포 항상성을 유지하기 위한 에너지원으로 사용되기 때문이다. 저산소 상태에서 세포는 항상성을 유지할 수 없으므로 ‘저산소증’은 ‘세포 기능 장애'와 동의어로 볼 수 있다. 만성적인 저산소 상황에서 기능을 잃은 세포는 사멸로 이어질 수 있어36) 심장 세포의 손실을 유발하는 저산소증은 심각한 심혈관 질환의 주요 원인이 된다.37)

저산소증 상태에서 심혈관 조직이 손상을 입는 이유는 앞서 설명한 활성산소의 과도한 생산 때문이다. 미토콘드리아의 ATP 생산 과정에서 발생하는 활성산소는 정상 산소 조건에서도 생성되지만, 이러한 활성산소는 세포 신호 전달에 기여하며 세포 손상을 일으키지 않는다.38) 하지만 저산소 상태에서는 활성산소의 과도한 생산과 축적이 발생하며 미토콘드리아 내막을 포함한 많은 세포 구성요소에 심각한 산화 손상을 초래한다.39) 활성산소에 의해 손상을 입은 세포는 결국 쓸모없는 존재가 되어 용도 폐기된다. (세포자살, apoptosis)

죽상 동맥 경화증은 저산소증과 관련된 심혈관 질환의 전형적인 예이다. 대중에게 고지혈증의 결과로 알려진 죽상 동맥 경화증은 혈관벽에 지질, 면역세포 및 기타 세포가 침착되어 플라크가 형성되는 질환이다. 이렇게 형성된 플라크에 의해 혈관이 좁아지거나 막히고, 불안정한 플라크가 떨어져 나와 혈중을 떠다니는 혈전이 되기도 하는데 이 두 가지 문제로 발생되는 질환이 뇌경색, 심근경색, 협심증 등이다. 

대중은 죽상 동맥 경화증의 원인을 잘못된 식이 요법에 의한 혈액 내 지질(저밀도지단백, LDL)의 증가로 알고 있지만 실제 죽상 동맥 경화증의 주요 원인은 혈관 세포에 산소 공급이 충분치 못한 저산소증에 의한 산소 항상성의 파괴이다.40)41)42)43)44)45)46)47)48)49)

산소 부족에 의한 미토콘드리아의 활성산소 과다 생산은 혈관 내피세포의 기능장애를 유발하고 이러한 기능장애가 혈관 내벽에 손상을 주면 이 손상을 치유하기 위해 손상 부위에 플라크가 형성되는 것이 죽상 동맥 경화증의 주된 병리이다.50)51)52)

심장 기능의 장애를 뜻하는 용어인 심부전은 신체의 산소(대사) 요구를 충족시키기에 충분한 혈액을 분출할 수 없는 진행성 장애이다. 심부전은 심근 경색, 비대 및 고혈압을 포함한 거의 모든 종류의 심장 질환의 말기 단계를 나타내며, 이 질환들은 모두 높은 사망률과 관련이 있다. 심부전의 병리생리학에 대한 광범위한 연구에 따르면, 저산소증으로 인한 미토콘드리아 이상은 심부전의 주요 원인이자 특징이다.53)54)

산소 부족과 그에 따른 미토콘드리아 기능 장애는 심근세포의 신진대사를 현저하게 훼손할 수 있는 에너지 공급의 감소를 유발한다. 또한 미토콘드리아에 의해 증가한 활성산소의 생성은 결국 심근세포의 기능을 훼손하여 세포 사멸을 유발할 수 있다. 심근 세포의 사멸에 의한 심각한 심장 근육의 손실은 심장 수축 장애로 이어질 수 있으며, 이는 심장의 혈액 박출량 감소로 이어지고 결과적으로 목숨을 위협하는 심부전의 진행에 결정적 요인이 될 수 있다.55)56)

=================(9편에 계속)

[참고문헌]

1) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4075653/

미토콘드리아의 형태와 기능

2)https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(06)01781-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982206017817%3Fshowall%3Dtrue

미토콘드리아 ; 발전소 그 이상의 의미

3) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8718682/#ref14

심혈관 질환에서 FUNDC1 매개 Mitophagy의 새로운 역할

4) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4750107/

O 2 감지, 미토콘드리아 및 ROS 신호: 안개가 걷히고 있습니다.

5) https://www.nature.com/articles/4402307

Mitochondrial complex III는 HIF(저산소증유도인자)의 저산소 활성화를 조절합니다

6) https://physoc.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1113/expphysiol.2006.033506 

복잡한 III에서 미토콘드리아에 의한 산소 감지: 저산소증 동안 증가된 활성산소종의 역설

7) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33253916/

저산소증 유발 미토콘드리아 활성산소종(mtROS)은 폐 및 전신 맥관 구조의 평활근 세포(SMC) 증식을 차별적으로 조절합니다

8) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5161736/

저산소성 허혈성 손상에서의 미토콘드리아 기능과 노화의 영향

9)https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8869508/#B7-biology-11-00300

심혈관 질환 및 암에서 미토콘드리아 기능 장애 및 염증에 대한 저산소증 신호의 상호작용: 분자 메커니즘에서 치료적 접근까지

10) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6016996/

암 치료에서 치료 잠재력을 가진 ROS 조절자 분자

11) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/18388851/

활성산소종의 두 얼굴

12) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3835081/

암의 특징에서 활성산소중과 지질 과산화 생성물인 4-Hydroxynonenal의 "두 가지" 효과

13) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5012454/

활성산소중: 시냅스 가소성에 대한 생리학적 및 생리병리학적 효과

14) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6016996/

암 치료에서 치료 잠재력을 가진 ROS 조절자 분자

15) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5012454/

활성산소종: 시냅스 가소성에 대한 생리학적 및 생리병리학적 효과

16) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005272806001629?via%3Dihub

미토콘드리아 활성산소중 유발 활성산소중 방출: 업데이트 및 검토

17) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5546320/

산소 가용성 및 대사 적응

18) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4684129/

미토콘드리아—생명과 건강의 기초

19) https://www.journals.uchicago.edu/doi/epdf/10.1086/204350

인간과 영장류의 진화에서 뇌와 소화기관이라는 값비싼 조직 가설. 

20) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3078506/

뇌졸중에서 뇌 조직 산소화 및 아라키돈산 캐스케이드의 의의

21) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7695180/

노화 뇌의 에너지 대사 감소 - 신경 퇴행성 장애의 병인

22) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3587194/

뇌의 신호 및 비 신호 구성 요소의 피질 에너지 요구는 포유류 종 및 활동 수준에서 보존됩니다.

23)https://www.cell.com/neuron/fulltext/S0896-6273(12)00756-8?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0896627312007568%3Fshowall%3Dtrue

시냅스 에너지 사용 및 공급

24) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5390465/

심정지 후 저산소성 허혈성 뇌 손상의 임상 병태생리학: "투-히트" 모델

25) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3074242/

심정지에서 소생 후 뇌손상 관리

26) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6023993/

뇌 에너지 및 산소 대사: 정상 기능 및 질병에서 새로운 역할

27) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5012454/

활성산소종: 시냅스 가소성에 대한 생리학적 및 생리병리학적 효과

28)https://www-sciencedirect-com-ssl.openlink.inha.ac.kr:8443/science/article/pii/S0048969721063063

저산소증은 Cirbp 감소에 의해 매개되는 방식으로 미토콘드리아 기능 장애 및 뇌 기억 장애를 유발합니다. 

29)https://www-sciencedirect-com-ssl.openlink.inha.ac.kr:8443/science/article/pii/S0047637401002883

미토콘드리아 DNA 돌연변이, 산화 스트레스 및 노화

30) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7695180/

노화 뇌의 에너지 대사 감소 - 신경 퇴행성 장애의 병인

31) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4684129/

미토콘드리아—생명과 건강의 기초

32)https://www-sciencedirect-com-ssl.openlink.inha.ac.kr:8443/science/article/pii/S0047637401002883

미토콘드리아 DNA 돌연변이, 산화 스트레스 및 노화

33) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3671662/

노화와 알츠하이머병에서 미토콘드리아 DNA 산화 손상 및 복구

34) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7375027/

저산소증 관련 심혈관 질환에 대한 새로운 치료 표적: HIF(저산소증유도인자)-1의 역할

35)https://www.cell.com/cell-metabolism/fulltext/S1550-4131(06)00062-3?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1550413106000623%3Fshowall%3Dtrue피루브산 탈수소효소 키나아제의 HIF(저산소증유도인자)-1 매개 발현: 저산소증에 대한 세포 적응에 필요한 대사 스위치

36)https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physiol.00016.2013?rfr_dat=cr_pub++0pubmed&url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org 

저산소 상태에서 세포 사멸 세포 사멸

37) https://physoc.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1113/EP086051

폐쇄성 수면 무호흡증과 간헐적 저산소증이 심혈관 및 뇌혈관 조절에 미치는 영향

38) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5474758/

미토콘드리아는 저산소증에 대한 급성 및 만성 반응을 조절합니다.

39) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5161736/

저산소성 허혈성 손상에서의 미토콘드리아 기능과 노화의 영향

40) https://jcp.bmj.com/content/65/10/872.long

죽상동맥경화증에서 저산소증 유도 인자 1의 역할

41) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2176090/

만성 간헐적 저산소증은 죽상 동맥 경화증을 유발합니다

42) https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0306987796900171?via%3Dihub

동맥벽의 비허혈성 저산소증은 죽상동맥경화증의 주요 원인입니다.

43) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2846209/

간헐적 저산소증이 아포리단백질 E-결핍 마우스의 죽상동맥경화증에 미치는 영향

44) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9365608/

간헐적 저산소증과 죽상동맥경화증: 분자 메커니즘에서 치료적 처치까지

45) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3778753/ 

만성 간헐적 저산소증은 지방 안지오포이에틴 유사 4의 활성화를 통해 죽상경화증을 유발합니다.

46) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26483345/ 

내피 저산소증-유도 인자-1α는 MicroRNA-19a를 상향 조절하여 죽상동맥경화증 및 단핵구 모집을 촉진합니다

47) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3938975/

무증상 제2형 당뇨병 환자에서 혈청 저산소증 유도인자 1α와 관상동맥 석회화의 관계

48)https://www.kidney-international.org/article/S0085-2538(16)30238-1/fulltext

저산소증 유도인자-1은 인산염 유도 혈관 평활근 세포 석회화에 역할을 한다

49) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/19644366/

죽상 경화증에서 저산소증의 역할

50)https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1756231712001570

죽상 동맥 경화증 : 병인 및 병리학

51) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8954705/

죽상동맥경화증의 병태생리학

52) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2716189/

죽상동맥경화증의 병인: 다인성 과정

53) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6309415/

심부전에서 미토콘드리아 기능 장애 및 산화 스트레스 표적화: 도전과 기회

54) https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/15623423/

아폽토시스 및 심부전: 임상적 관련성 및 치료 목표

55) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5350035/

심부전의 치료 표적으로서의 미토콘드리아 기능

56) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7375027/#B66

저산소증 관련 심혈관 질환에 대한 새로운 치료 표적: HIF(저산소증유도인자)-1의 역할

[이규호(강원도)]

염증으로 일주일이상 항생제복용했는데요. 좀 거시기 하네요.;;;~~

[박현진(충남)]

감사합니다

[정경아(일산)]

바쁘신 와중에도 불구하고 늘 감사드립니다.
원장님께서도 건강관리 잘 하세요.

[우정식(서울)]

감사합니다

[장영임(남해)]

감사합니다!

[가현경(충남)]

아....
이런줄도 모르고
지금도 줄기차게 마스크 쓰고 다니는 사람들...
가슴이 답답하네요.
선생님! 무한한 감사의 마음입니다.
고맙습니다._()_

[정성인(게시판지기)]

감사합니다~