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콜라겐 Collagen
콜라겐 조성 및 합성과정
- 콜라겐 -> 젤라틴
콜라겐 역할
- 세포골격, ECM
- 증점(단순)다당류 , 복합다당류
- 엘라스틴 elastin, Proteoglycan
- 세포는 Fiber 덩어리다 ,
- 콜라겐 역할 : 세포 생명유지 & 세포자살
- 콜라겐 : 결합조직 질환
- 뼈는 콜라겐으로 되어 있다
식물(plant)의 지지물질이 셀루로즈(cellulose)라면, 동물의 지지물질은 콜라겐(collagen)이다. 콜라겐은 우리 몸 단백질의 25% ~ 35%을 차지하는, 양적으로 가장 많고, 중요한 단백질이다. 교원질(膠原質)이라고 불리며, 기관(organs)과 조직(tissues)을 하나로 묶어 연결하는 세포간 시멘트(intercellular cement)의 기능을 한다. 콜라겐이 부족하거나 튼튼하지 못하면 피부, 뼈, 연골, 혈관벽, 치아, 근육 등의 구조와 기능이 떨어진다. 소장에서 흡수된 영양소는 콜라겐을 매개체로 각 세포조직에 전달되고, 인체에 생기는 노폐물도 콜라겐을 통해 혈관으로 운반되어 몸 밖으로 배출된다. 같은 무게의 강철보다도 강인한 흰색 섬유성 단백질이다.
비타민C가 중요한 것은 이 콜라겐 때문이다. 이 콜라겐 합성에는 세 가지 종류의 아미노산이 사용된다. 글리신, 라이신, 프롤린 이들은 단백질을 섭취하여도 생기고 탄수화물을 먹어도 생긴다. 하지만 두 종류의 아미노산은 변신이 필요하다. 라이신과 프롤린의 일부가 –OH기로 치환되어야한다. -OH기의 증가로 세 가닥 꼬이는 콜라겐 사슬 간에 수소결합이 증가하여 단단한 구조체를 형성한다. 여기에 비타민 C가 쓰인다. 비타민 C가 부족하면 괴혈병이 걸려서 사망하는 이유다. 비타민 C가 부족하면 콜라겐 합성이 부족하여 모든 세포가 약해진다. 그중에서 가장 취약한 부분에서 출혈 등의 증세가 나타난다. 콜라겐은 여러 중요한 기능을 한다. 콜라겐이 피부 미용(탄력)의 핵심이고 단단한 세포 결합으로 감기 등의 바이러스 감염을 줄이는 것 같은 중요한 역할을 한다. 이러한 기능의 주체는 콜라겐이지 비타민 C가 아니다. 비타민 C는 콜라겐 합성에 필요한 원료중 하나일 뿐이다.
콜라겐의 분포
눈 : 눈의 수정체는 모두 콜라겐이다.
잇몸과 이빨 : 상아질의 18%, 잇몸이나 치근막도 주로 콜라겐으로 되어 있다.
손발톱 : 주성분인 케라틴은 구조적으로 콜라겐과 비슷하다.
내장 : 각종 내장을 반투막이 싸고 잇는데, 그 막이 콜라겐이다.
관절 : 뼈와 뼈를 이어주고 있는 연골의 50%가 콜라겐이다.
뼈 : 뼈중량의 20%가 콜라겐이고, 칼슘은 30%
혈관 : 혈관의 구성이 대부분 콜라겐이다.
피부 : 피부 아래의 진피의 70%가 콜라겐이다.
세포막 : 세포막을 보호하는 수화막(hydrated membrane)을 유지, 보존
콜라겐에 인회석이 있으면 경골, 물이 있으면 연골
양병찬 🦴 (뼈 완전정복) 뼈의 화학: 콜라겐
▶ 그리스의 유명한 의사 겸 철학자인 갈레노스Claudius Galenus는 뼈가 정자sperm로 만들어졌다고 썼는데, 그 이유는 색깔이 하얘서였다. 그로부터 1,000년 후, 페르시아의 천문학자 겸 의사 겸 다작 작가인 이븐 시나Avicenna는 뼈가─차갑고 건조하다는 데 착안하여─흙earth으로 만들어졌다고 생각했다. 또 다시 천 년이 지난 오늘날에는 전혀 다른 관념이 성행하고 있다. 그러나 이븐 시나는 중요한 원칙을 하나 언급했는데, 그 원칙에 따르면 뼈를 이해하는 최선의 방법은 ‘인체의 나머지 부분으로부터 분리하는 것’이었다. 그 원칙은 2,000여 년이 지금까지도 훌륭한 조언으로 남아 있다.
뼈에 대해 제대로 알려면, 그것을 인체에서 분리하여 화학적으로 살펴봐야 한다. 먼저, 다섯 개의 탄소 원자가 두 개의 산소, 하나의 질소, 그리고 아홉 개의 수소 원자와 결합하여 프롤린proline(C5H9NO2)이라는 아미노산이 생성된다. 아미노산은 필수적인 ‘생명의 빌딩블록building block’인데, 인간은 그것을 합성하기도 하지만 단백질을 소화하는 과정에서 만들어 내기도 한다. 다음으로, 특정한 세포들이 ‘프롤린이 풍부한 아미노산 혼합물’을 죽 이어 붙여, 인체 내에서 가장 흔한 단백질인 콜라겐collagen이라는 분자를 만든다. 초미세현미경ultramicroscope 의 시야에 나타난 프롤린 사슬의 첫모습은 ‘흐물흐물한 스파게티 가닥’과 아주 약간 비슷하다. 뒤이어 수많은 프롤린 분자에 엄청나게 많은 ‘수소-산소 부속물(-OH)’들이 부착되면 분자 사슬이 일정한 간격으로 예리하게 구부러져, ‘미세한 코르크스크루 파스타’ 모양으로 변신한다. 3개의 코르크스크루 파스타가 엮이면 하나의 콜라겐 분자가 형성되는데, 웬만한 현미경으로는 보이지 않지만 강력하고 안정적이다. 왜냐하면 한 가닥을 이루는 여러 개의 귀퉁이들이 인접한 가닥들의 틈 속으로 비집고 들어가기 때문이다.
콜라겐 분자는 여러 가지 종류의 세포 속에서 조립되는데, 그중에는 뼈를 만드는 세포도 포함된다. 뼈를 만드는 세포를 조골세포osteoplast─그리스어인 오스테오osteo(뼈)와 플라스트plast(만듦)의 합성어─라고 부른다. 콜라겐 분자가 생성된 후, 조골세포는 이 ‘화학적·기계적 경이로움’을 세포막 밖으로 밀어내어 ‘조골세포 사이의 미세한 공간’에 배치한다. 이 새로운 자리에서, 콜라겐 분자들은 일렬로 꼬리에 꼬리를 물 뿐만 아니라 좌우로도 정렬하여 여러 가닥의 섬유multistrand fiber를 생성한다. 콜라겐 분자는 매우 가늘므로, 1초마다 하나의 콜라겐 분자를 첨가하여 이 책의 한 페이지만 한 두께로 쌓으려면 17시간이 걸린다. 그리고 콜라겐 분자가 아무리 길쭉하더라도, 꼬리에 꼬리를 물게 하여 ‘o’의 직경만 한 길이로 만들려면 30만 개를 이어 붙여야 한다.
콜라겐 섬유들은 (촘촘하게 엮인) 기계적 중첩mechanical nesting과 (끈끈한 파스타 같은) 화학적 결합chemical bond을 총동원하여 단단히 잠겨 있다. 이게 무슨 뜻인지 알고 싶다면, 초강력 접착제가 발라진 3단 레고블록을 조립한다고 생각해 보라. 어떤가. 콜라겐 섬유가 왜 그렇게 강력한지 납득이 가지 않는가? 그것은 엄청나게 질긴 아미노산 사슬로, 똑같은 두께의 강철섬유를 능가하는 인장강도tensile strength를 자랑한다.
지금 당장 필요한 화학 지식은 이 정도로 족하다. 이제 1분만 시간을 내어 라임, 신발 가죽, 가구용 접착제, 젤라틴 디저트와 관련된 결합connection을 이해하기로 하자. 프롤린 분자에 달라붙는 -OH라는 부속물을 기억하는가? 그 과정을 매개하는 촉매가 바로 비타민 C이므로, 비타민 C가 없다면 분자 사슬이 코르크스크루 모양으로 돌돌 말릴 수 없다. 따라서 비타민 C가 부족하면 콜라겐 생성에 결함이 생겨, 괴혈병scruvy을 초래하게 된다. 괴혈병에 걸리면 잇몸에서 피가 나고 몸에 멍이 잘 든다. 초창기 선원들은 몇 달 동안 바다에서 생활하며 신선한 과일과 채소가 턱없이 부족한 식사를 해야 했다. 영국의 선원들은 고심 끝에, 신선한 라임즙을 ‘악취가 진동하는 음료수’에 첨가하여 고약한 냄새를 은폐하는 방법을 터득했다. 그런데 뜻밖에도 하루 한 알의 라임이 괴혈병을 치료해 준다는 사실을 발견했다. 그도 그럴 것이, 라임에 함유된 비타민 C가 콜라겐 생성 메커니즘을 원상 복구했기 때문이다.