인체 대사에 필수불가결한 물질이자 세포 생성의 동력
물에 의해 생명 존재하나 그로 인한 지속적인 대사 필요
죽음 혹은 사망은 생명체의 삶이 끝나는 것을 말한다. 자연계에서 생명체들은 다른 생명체에게 잡아먹히거나, 병에 걸리거나, 사고 나 노화 등으로 죽음을 맞는다. 인간의 가장 주요한 사망 원인은 노화, 질병, 사고이다. 예전에는 죽음을 심장의 정지와 함께 일어나는 호흡, 안구 운동 등 여러 가지 생명 활동의 정지가 죽음의 특징으로 여겨져 왔으나, 의학이 발전하면서 죽음의 구체적은 생물학적 정의를 내리는 일이 상당히 어려워지고 있다. - 출처: 위키피디아. 검색: 죽음
죽음에 대한 의미는 여러 가지가 존재하지만 가장 중요한 것은 어떤 생명도 죽는다는 것이다. 하지만 생명체는 죽음을 위해서 존재하는 것이 아니라 삶을 위해서 존재하는 것이다. 생명의 삶을 단순하게 보면 숨을 쉬고 음식을 먹는 것으로 생각할 수 있다.
왜 생명은 숨을 쉬어야 하고 음식을 먹어야 할까?
헤럴드기사(2015-8-10) “우리가 몰랐던 인체의 신비 40가지!”를 보면 다음과 같은 내용이 나온다.
3. 혀에 침이 묻어 있지 않으면 절대로 맛을 알 수 없고, 코에 물기가 없으면 냄새를 맡을 수 없다.
9. 뼈의 조직은 끊임없이 죽고 다른 조직으로 바뀌어 7년마다 한번씩 몸 전체의 모든 뼈가 새로 바뀐다.
16. 뇌는 몸무게의 2%밖에 차지하지 않지만 뇌가 사용하는 산소의 양은 전체 사용량의 20%이다.
23. 인체에서 가장 큰 기관은 피부이다. 어른 남자의 경우 피부의 넓이는 1.9평방미터, 여자의 경우는 1.6평방미터이다. 피부는 끊임없이 벗겨지고, 4주마다 완전히 새 피부로 바뀐다.
33. 남자의 몸은 60%가, 여자의 몸은 54%가 물로 되었기 때문에 대개 여자가 남자보다 술에 빨리 취한다.
위 내용을 다른 관점에서 보면 냄새를 맡거나 맛을 보는 세포의 기능은 물이 있어야 가능하다. 또, 인체의 조직(뼈, 피부)은 어떤 주기를 가지고 바뀌는데 이것은 세포의 조직이 파괴된다는 것이다. 생명에서 물은 필수이다. 물은 단일 분자로 인체의 가장 많은 부분을 차지하고, 인체의 대사에 필수불가결한 물질이다. 반대로 생각하면 물이 잘못되면 생명도 없다는 얘기이다.
1) 물 H2O
물이 가지고 있는 물리적 화학적 특성은 물의 구조와 수소결합에 있다. 물은 이산화탄소(CO2)보다 가볍지만 상온에서 주로 액체로 존재하고, 물이 가지고 있는 극성 및 수소결합은 다른 물질을 녹이는 만능용매로 작용한다.
① 물은 entropy가 증가하는 방향으로 움직인다
물의 증발 : 액체 상태의 물이 끓는점 이하에서 열을 흡수하여 기체 상태의 수증기로 변하는 현상이다.
<물의 증발이 잘 일어나기 위한 조건>
① 기온이 높을수록
② 공기가 건조할수록
③ 바람이 많이 불수록
④ 햇빛이 잘 드는 곳
⑤ 물 표면과 공기가 닿는 표면적이 넓을수록 증발이 잘 일어난다
모든 물질은 entropy(무질서도)가 증가하는 방향으로 움직인다(열역학 제2법칙). 물도 마찬가지이다. 물은 수소결합 덕분에 상온에서 액체를 유지한다. 하지만 표면에 있는 물의 수소결합은 에너지를 얻게 되면 수소결합이 끊어지고 기체 상태로 변한다. 인체도 마찬가지로 공기와 접촉하는 물의 수소결합은 끊어지면서 호흡을 통해 수증기가 외부로 배출이 된다. 즉, 물은 상온에서 액체이면서 기체이다.
물의 이러한 entropy증가의 움직임은 공기와 접촉하지 않는 상황에서도 발생한다. 물에 지방산(소수성 물질)이 녹아있을 때도 발생한다.
[그림 2]에서 물분자(H2O)의 정렬을 보자. 지질이 수용액에 들어오게 되면 물분자는 지질을 기준으로 물분자가 정렬하게 된다. 물분자는 entropy를 증가시키는 방향으로 움직인다. 지질분자끼리 서로 모이게 되면 물분자와 지질분자와의 상호작용은 줄어들게 되고, 물분자의 entropy는 증가하게 된다. 또한 반응계에서 열역학적 안정성을 이루게 된다. 우리는 이러한 작용을 소수성 상호작용(hydrophobic interaction)이라 한다.
인체는 많은 양극성 분자를 가지고 있다. 단백질, 일부의 비타민 그리고 막의 스테롤과 인지질은 극성과 비극성 영역을 모두 가지고 있다. 소수성 상호작용은 생체막 구조의 중요한 요인이 되고, 비극성 아미노산간의 소수성 상호작용은 단백질의 3차원 접힘 유형을 안정화시킨다.
② 이온은 물의 entropy를 감소시킨다
염(鹽, salt)은 음이온과 양이온이 정전기적 인력으로 결합하고 있는 이온성 물질인 화합물이다.
물의 극성은 Na+과 Cl-이온을 수화(정전기적 인력의 약화)해서 NaCl이 가지고 있는 정전기적 상호작용을 약화시키고, 결정격자로 회합하는 성향을 방해함으로써 NaCl과 같은 염을 용해시킨다. Na+과 Cl-이온은 NaCl에 비해서 매우 큰 운동 자유도를 얻게 된다. 반대로 물분자는 이온을 둘러싸면서 entropy가 감소하게 된다. 이 반응이 자발적으로 일어나는 이유는 NaCl은 엔트로피가 증가하고, 물의 엔트로피는 감소하지만 두 반응의 함인 entropy가 증가하기 때문에 전체적인 자유에너지가 증가하면서 자발적으로 일어나는 반응이 된다.
2) 물과 생명
물은 인체에서 용매로만 작용하는 것은 아니다.
[그림 4]에서 보는 것처럼 물은 단순한 용매가 아니고 인체의 단백질을 구성하는 하나의 물질로 작용하고, 물과 지질의 소수성 상호작용은 지질이중층을 형성하는데 중요한 힘으로 작용을 한다. 또한 물에는 많은 이온(전해질)이 녹아 있다. 이러한 물의 기능이 생명을 이루는 가장 기본단위인 세포를 만드는 중요한 동력이 된다.
① 물은 삼투압에 따라 반투막(지질이중층)을 통과한다
세포는 DNA에 의해서 수많은 세포소기관을 만들고 세포소기관은 세포의 생존을 위해서 많은 대사를 하게 된다. 세포의 이러한 작용은 세포내부에 고농도의 생체 분자와 이온을 가지고 있게 된다. 이것은 세포내부가 외부보다 더 높은 농도를 가지게 되면서 높은 삼투압 농도를 가지게 된다. 삼투압에 따라 물은 세포외부에서 내부로 흐르게 된다. 세포내부로 물이 계속해서 들어오게 되면 세포는 결국 삼투성 용해가 일어나면서 파괴된다.
세포는 삼투압에 의한 세포의 파괴를 막기 위해서 Na/K ATPase를 통해서 Na+을 외부로 내보내고, 이와 동시에 물을 밖으로 내보내서 일정한 삼투압을 유지하게 된다. 즉, 삼투압과 물질 농도의 차이에 따라 세포 외부의 물과 이온 등은 끊임없이 세포 안으로 이동하고, 세포는 Na/K ATPase에 의해서 Na+과 물을 밖으로 내보내서 세포의 삼투압을 유지한다.
② ATP생성은 수소이온의 증가를 가져온다
세포의 삼투압 유지를 위해서 ATP는 필수이다. ATP는 전자전달계에서 주로 생성이 된다.
에너지원(포도당, 지방)에서 ATP생성의 net 반응을 보면 다음과 같다.
ATP의 생성은 이산화탄소(CO2), 수소이온, 전자를 생성한다. 이산화탄소는 혈중으로 이동을 하여서 carbonic anhydrase에 의해서 H2CO3로 전환이 되고, H2CO3는 인체에서 중요한 buffer system으로 작용을 한다. 수소이온과 전자는 산소(O2)와 결합을 하여서 물로 전환이 된다. 이러한 반응이 가능한 것은 물에서 일어나기 때문이다. 순수한 물은 pH가 7(중성)이다. 또, 물은 매우 적은 양이지만 H3O+과 OH-로 해리되기도 한다. 물의 해리는 양성자 건너뛰기(proton hopping)가 가능하게 된다.
양성자 건너뛰기는 수소결합을 하고 있는 물분자에서 양성자의 매우 빠른 원거리 이동에 영향을 미친다. 이러한 이유로 수소이온과 전자는 다른 세포조직에 영향을 미치기 이전에 산소와 결합을 하여서 물로 전환이 되는 것이다.
만약에 산소가 부족하게 되면 수소이온과 전자는 세포의 기능에 악영향을 미치게 된다. 세포는 이것을 막기 위해서 전자는 항산화시스템으로 제거를 하고 수소이온은 농도기울기에 의해서 세포외액(세포외액의 pH는 7.4로 세포의 pH7보다 높다)으로 이동하게 된다.
3) 물과 생화학
우리는 생화학을 크게 2가지를 통해서 배운다. 하나는 ‘변하지 않는다(항상성, Homeostasis)’와 또 하나는 ‘변한다(대사, Metabolism)’이다.
대사는 어떤 변화에 대한 생명의 대응이고, 항상성은 대사에 대한 결과이다. 생명을 둘러싼 많은 변화가 존재하지만 생명을 둘러싼 변화가 없다고 하더라도 인체에 영향을 주는 변화가 있다. 그것이 바로 생명을 만든 물이다.
물은 인체를 구성하는 중요한 요소이다. 단백질의 구조, 지질이중층 등 물이 있음으로 인해서 생성이 가능하다. 하지만 물은 결코 가만히 있지 않는다. 비록 피부를 통해 물의 증발을 막았지만 호흡으로 물은 항상 증발한다. 세포내 조직이 하나씩 증가할 때마다 삼투압은 증가하고 물은 끊임없이 물질의 농도를 맞추기 위해서 세포 안으로 이동을 한다.
생명은 물에 의한 파괴를 막기 위해서 Na/K ATPase를 통해서 일정한 삼투압 농도를 유지하고, 물의 증발에 따른 세포의 감소를 막기 위해서 항상 음식을 섭취하고 호흡을 해야 한다. 결론적으로 보면 물에 의해서 생명이 존재하지만 물 때문에 생명은 끊임없이 대사를 해야 하는 운명을 가지고 있는 것이다.
--------------------------------------------------------------------------------------------------
<참고문헌>
레닌저 생화학 제5판, David L. Nelson, Michael M. Cox, 도서출판 월드사이언스
New Human Physiology, Paulev-Zubieta 2nd Edition, http://www.zuniv.net/physiology/book/