성별 연령 따라 물의 체성분 비율 달라
인체 삼투압 문제 발생 시 생명에도 문제

충북 단양군 시장약국 신창우 약사

물은 자연계에 널리 존재하는 수소와 산소의 화학적 결합물이다. 공기와 더불어 생물의 생존에 필요 불가결하며, 특히 사람이 목이 마를 때 갈증을 해소해 주는 물질이다. 상온에서는 투명한 액체이나, 섭씨 0도 이하에서는 얼음이 되고 100도 이상에서는 수증기로 변한다.
생명은 유기체가 태어나서 죽을 때까지의 살아 있는 상태. 또는 그동안 나타내는 모든 현상들의 전체. (출처: 다음백과)

지구상에 생명체가 탄생을 했다는 것은 기적과도 같은 일입니다. 여기에 지적 능력을 가진 인간의 탄생은 어떻게 생각을 하면 불가능한 일이 지구상에 나타난 것입니다. 인간은 지금까지 앞으로도 수많은 지적 탐구를 통해서 자연을 이해하고 배워갈 것입니다.
인류의 눈부신 발전은 지구 밖에 있는 공간에도 생명체가 있을 것이라 생각을 하고 찾아 떠납니다. 이 지구 밖의 공간에 생명을 찾기 위해서 가장 먼저 하는 것이 있으니 바로 물을 찾는 것입니다. 물이 곧 생명은 아니지만 물이 없는 생명은 생각할 수조차 없기 때문입니다.
생명은 물질대사를 하며 성장을 합니다. 또 자신과 닮은 개체를 생산해 내는 생식기능을 가지고 있으며 외부자극에 반응을 하고 내부적으로 외부적으로 움직임을 가지고 있습니다. 생명은 DNA, 효소, 세포 그리고 세포가 만들어낸 세포외기질 등을 통해서 움직이게 됩니다. 그리고 이 모든 반응을 인체의 대사를 통해서 이해를 합니다. 인체의 대사는 에너지를 생성하고 콜라겐을 만들며 인체의 조절을 위해서 많은 호르몬이나 신경전달물질을 분비합니다. 또, 우리는 분자생물학적으로 생명을 이해하기도 합니다. 단백질, 지방(지질, 지방산), 탄수화물, 핵산(DNA, RNA) 그리고 인체의 반응을 주도하는 효소의 반응으로 이해합니다.
유기체는 생명을 유지하기 위해서 모든 반응이 매 순간 매초 변화를 합니다. 이러한 변화에 공통점이 하나 있습니다. 바로 물에서 모든 반응이 나타나게 됩니다.
물은 인체의 70%정도를 구성하고 있습니다. 또 물이 없다면 음식도 섭취할 수 없으며 대변을 볼 수도 없습니다. 물 없이 호흡을 하는 것도 쉽지 않습니다.

1) 물의 특징
자연에서 물은 참 다양한 형태로 존재를 합니다. 물은 0℃~100℃에서는 액체로 존재를 하고 0℃이하에서는 고체 100℃이상에서는 기체로 존재를 합니다. 또 상온에서 수증기나 기타 증발로 물은 기체로도 존재를 합니다. 물의 밀도는 4℃에 가장 크기 때문에 얼음은 물에 뜨게 됩니다. 물의 이러한 특징은 물 분자의 모양에 의해서 나타나게 됩니다.

물(H2O)은 수소와 산소의 결합으로 만들어진 분자로서 그림1과 같은 구조를 가지고 있어서 극성을 띠게 됩니다. 물이 가지고 있는 극성은 공유결합의 5~10% 정도의 강도를 가지고 있는 수소결합을 합니다. 물의 구조와 물이 가지고 있는 수소결합은 생명을 유지하는데 가장 중요한 역할을 하게 됩니다.

① 물의 극성과 수소결합
물의 수소결합 능력은 물과 물이 서로 결합(cohesion)을 합니다. 물이 서로 결합을 하면서 물은 상온에서 액체로 존재가 가능합니다.

물은 이산화탄소, 산소, 질소보다 가볍습니다. 당연히 물은 상온에서 공기 중에 수증기로 존재합니다.(습도) 하지만 물의 수소결합은 물을 서로 연결을 하게 되고 서로 연결된 물은 거대한 분자를 형성하게 됩니다. 물이 하나씩 모여서 생긴 물의 거대분자는 상온에서 대부분의 물이 액체로 존재 할 수 있게 해줍니다.
물의 극성과 수소결합은 액체가 가지고 있는 특징을 높여줍니다. 표면장력과 모세관현상이 다른 액체에 비해서 물이 월등하게 높게 됩니다.

또 물의 극성과 수소결합은 물의 밀도를 높여줍니다. 밀도가 높은 물은 열을 저장을 할 수 있습니다. 물은 외부의 에너지가 전달이 되도 밀도가 높아서 온도가 쉽게 올라가지 않고 일정하게 유지를 할 수 있습니다. 즉 같은 질량을 가진 다른 물질보다 외부에너지에 의한 물의 온도의 변화가 상대적으로 적습니다. 즉 물은 비열이 높습니다.

② 물은 만능 용매이다
물의 수소결합은 항상 변합니다. 1×10-11초에 한 번씩 바뀝니다. 그리고 극성이 있는 물분자는 다른 분자와 결합(adhesion)을 합니다. 물의 수소결합 변화를 통한 강력한 진동(brownian motion브라운운동)과 다른 물질과 결합하는 특징은 다른 물질을 물에 녹이는 기능을 가지고 있습니다.

③ 물은 기름과 섞이지 않는다
모든 화합물은 안정적인 구조를 유지 하려고 합니다. 지질은 많은 탄소와 수소를 가지고 있습니다. 이 지질은 물이 수소결합 하는 것을 오히려 방해를 하게 됩니다. 또 극성이 있는 물은 비극성인 지질과 전기적으로 반발을 하게 됩니다. 이러한 성질은 물과 기름이 섞이지 않고 서로 분리가 되게 됩니다.

2) 물과 생명
인체를 구성 물질로 보면 단백질, 지방, 물, 그리고 다른 물질들로 이루어져 있습니다.

남녀에 따라서 나이에 따라서 체성분 비율은 차이가 있습니다. 신생아에서 물이 차지하는 비율은 90%로 가장 높고 나이가 들수록 지방의 비율은 높아지고 물의 비율이 낮아져 성인은 70%정도 노인이 되면 물이 50%정도를 이루고 있습니다. 인체에 있는 물도 물의 기본적인 특징을 그대로 가지고 있습니다.

① 물과 구조
물은 액체입니다. 액체는 유동성을 가지고 있습니다. 액체는 액체를 담는 그릇에 맞추어 형태를 바꾸게 됩니다. 인체에 있는 물도 액체입니다. 인체는 60조의 세포와 세포외기질이라는 그릇을 가지고 있습니다. 세포와 세포외기질은 단백질로 이루어진 세포골격cytoskeleton과 콜라겐섬유를 가지고 있습니다. 물은 단백질로 만들어진 골격의 빈 공간을 채우게 됩니다.
물은 표면장력이 높으면서 기름과 섞이지 않습니다. 세포의 가장 밖에는 지질이중층으로 되어 있습니다. 많은 소기관도 마찬가지 입니다. 세포 안이든 밖이든 물은 물끼리 서로 결합(수소결합)을 합니다. 또 지질은 지질끼리 서로 결합(hydrophobic interaction)을 합니다. 그리고 세포안과 밖에 있는 많은 섬유에 의해서 구조가 유지됩니다. 그리고 여기에 물의 표면장력의 힘으로 보통의 세포는 원형을 이루게 됩니다.
세포막의 두께가 3~10nm 정도이고 세포의 크기는 10~100um정도입니다. 이것을 이해하기 쉽게 세포막이 만약 3cm라고 하면 세포의 크기는 약 100~1,000m가 됩니다. 세포막에는 여러 가지 단백질이 존재합니다. 세포막단백질은 세포막에 떠 있다기보다는 막단백질은 세포의 cytoskeleton과 결합을 하고 있습니다. 세포의 필요에 의해서 막단백질은 세포막에 존재를 하는 것이고 막단백질 사이를 세포막이 메우고 있는 것으로 보는 것이 좋습니다.

세포막의 지질이중층은 물에 의해서 그 형태를 유지할 수 있습니다. 인지질의 친수성(hydrophilic)부분은 물과 결합을 하고 소수성(hydrophobic)부분은 지질끼리 결합을 해서 세포막의 형태를 유지하게 됩니다.

② 물, 세포막 그리고 삼투압
물은 수소결합의 강력한 진동에 의해서 모든 것을 녹이는 강력한 용매로서 작용을 합니다. 또 물의 강력한 진동은 물질의 확산을 도와줍니다. 물의 이런 기능은 인체에 있는 물질의 농도도 같게 만듭니다. 인체는 지질이중층으로 되어 있는 세포막이 있습니다. 세포와 세포외부는 지질이중층을 사이에 두고 구성성분의 다른 농도를 가지고 있습니다.

물에 의한 물질의 확산으로 세포와 세포외부는 같은 물질을 가지고 있어야 하지만 세포막에 의해서 물질의 확산을 조절하게 됩니다. 지질이중층으로 되어 있는 세포막은 산소, 이산화탄소 같은 비극성분자의 이동은 쉬우나 물이나 이온 같은 극성분자의 이동이 어렵습니다. 하지만 지질이중층의 막을 사이에 두고 물질의 농도에 차이가 생기면 삼투압이 발생을 하게 됩니다. 삼투압에 의해서 물(물의 크기0.2nm)의 수소결합이 끊어지면서 지질이중층을 통과하게 됩니다. 하지만 물보다 더 작은 이온(K+, Na+ 등)은 통과를 할 수 없습니다. 인체에 있는 모든 이온은 물과 결합(그림3참조)을 하고 있기 때문입니다. 이온만의 크기는 물보다 작지만 물과 결합한 이온은 물보다 훨씬 큰 분자를 형성하게 됩니다. 물의 수소결합은 이온과 물의 이온결합보다 더 쉽게 끊어지게 됩니다.

살아 있는 생명체는 끊임없이 외부에서 에너지를 섭취를 하고 세포는 그 영양소를 이용해서 대사를 합니다. 세포외부의 물질 변화는 삼투압을 일으키게 됩니다. 특히 염분(혈중농도0.9%)의 농도나 포도당(혈중농도100mg/이)의 변화가 발생을 하게 되면 인체는 삼투압의 변화가 일어납니다. 세포는 살아있기 때문에 항상 그 크기를 일정하게 유지를 합니다. 인체에 삼투압 변화가 일어나면 ion channel(Na pump, Ca pump 등 능동수송 ATP소비)을 움직여서 삼투압 변화에 대응을 합니다. 이 때 이온만 움직이는 것이 아니고 다른 물질(포도당, 아미노산 등)이 같이 움직이게 됩니다.

3) 맺음말
인체는 물, 단백질, 지방, 탄수화물과 미네랄 등으로 이루어져 있습니다. 인체는 단백질을 이용해서 인체의 골격을 만들고 지방을 통해서 세포와 세포외기질을 구분 짓고 나머지 공간을 물로 채우게 됩니다. 물과 지방은 서로 다른 물리적 화학적 특징을 가지고 세포막을 형성합니다. 또 인체는 물의 특징, 수소결합에 의한 강력한 진동, 삼투압, 모세관현상 등을 통해서 인체가 섭취한 에너지를 각 세포에 전달을 하게 되고 또 세포에서 만든 노폐물을 배설하게 됩니다.
인체의 체온은 36.5℃입니다. 아무리 추운 곳에 있든지 더운 곳에 있든지 체온은 늘 똑 같습니다. 즉, 인체의 대사에 의해서 발생하는 열이 몸에 저장되어 있는 온도가 같다는 것입니다.
물은 비열이 높기 때문에 열을 저장을 할 수 있고 저장된 열 덕택에 인체의 효소는 늘 같은 작용을 할 수 있습니다. 혈중에 소금농도는 0.9%, 포도당 농도는 100mg/dl로 항상 일정합니다. 즉, 인체의 삼투압도 늘 일정합니다.
인체의 삼투압은 소금농도, 포도당 농도 그리고 인체가 가지고 있는 물의 양에 의해서 결정이 됩니다. 인체의 물이 2%가 부족하게 되면 갈증을 느끼게 되고 5%가 부족하게 되면 혼수에 빠지며 15%정도 부족하게 되면 사망에 이르게 됩니다. 인체의 삼투압은 세포내외의 물질의 농도가 그림6과 같이 일정해야 합니다. 만약 인체의 삼투압에 문제가 발생을 하게 되면 세포는 제대로 된 영양의 공급에 문제가 발생을 하고 세포에 의해서 만들어지는 세포외기질에도 문제가 발생을 하게 됩니다. 삼투압의 문제는 인체 전체의 문제가 되고 이것은 곧 생명에 문제입니다.
물은 인체에서 단지 화학반응(인체의 대사반응)을 위한 용매만으로 작용하는 것은 아닙니다. 물은 인체의 구성성분으로, 인체의 물질 이동에 중요한 물질로서 중요한 역할을 합니다.