인체 ≫ 호흡 ≫ Gas ≫ 산소 O2
공기의 20%가 산소인데 답답한 이유 : 산소는 거의 물에 녹지 않는다
- ATP는 2분 사용량 : 항상 산소로 포도당을 태워서 ATP를 보충해야한다
- 산소 용해도는 고작 : 0.035g/Liter. 자주 많은 혈액이 흘러야 한다.
- 혈액은 산소 운반을 위한 헤모글로빈으로 포화상태
- 조그만 포도당 농도 또는 지방의 농도 증가도 부담이 된다
- 철분의 역할 : 헤모글로빈, 효소, 성장의 속도
- 철분의 독성 : 심장질환
- 산소의 용해도만 높다면 그렇게 숨가쁠 이유가 없다
- Protoporphyrin 개요 : Protoporphyrin 합성경로
- 엽록소의 역할, 헤모글로빈의 역할
- 호흡독
● 헤모글로빈의 Fe에 의해 운반된다
● 일산화탄소 CO, 일산화질소 NO는 Fe와 O2보다 훨씬 강하게 결합한다
- CO와 NO는 신경전달 물질로 약으로 사용을 연구중이다
- 헤모글로빈의 산소 이동능력이 억제된다
- 80%가 억제되면 생명을 잃게 된다. 연탄의 불완전연소로 발생한 일산화탄소로 수많은 생명이 ...
- 일산화질소 : 아질산류는 헤모글로빈의 산화를 막아 색을 유지시킨다
- KCN의 독성 : 호흡
피가 빨간 것은 적혈구 때문이다. 적혈구에는 헤모글로빈이라는 단백질이 들어 있으며, 숨을 쉴 때 코로 들어온 산소는 폐(허파)에서 헤모글로빈과 결합한다. 헤모글로빈이 산소와 결합하면, 피는 빨간색을 띠게 된다. 혈액 속에서 산소운반을 담당하는 물질을 혈색소라 하며, 척추동물은 헤모글로빈이 혈색소의 역할을 한다.
산소는 물에 녹으므로 피 속에 녹아 들어갈 수도 있다. 그러나 헤모글로빈과 결합을 하면 산소가 피 속에 그냥 녹는 것보다 약 60~65배 정도 더 많이 포함될 수 있으므로, 몸에서 요구하는 산소를 전달해 주기 위해서는 헤모글로빈이 꼭 필요하다. 헤모글로빈에 결합한 산소는 온몸을 돌아다니다가 산소를 필요로 하는 세포에 다다르면 헤모글로빈에서 해리되어 세포로 들어간다. 대신 세포에서 대사 과정에서 생성된 이산화탄소가 헤모글로빈에 결합한다. 따라서 적혈구는 산소는 물론 이산화탄소와도 결합하는 셈이다. 산소는 우리 몸이 정상적으로 유지되기 위해서 꼭 필요한 원소이며, 이를 적재적소에 운반해 주는 적혈구는 생명유지를 위한 필수 세포이자 혈액에 포함된 가장 중요한 성분이라 할 수 있다.
사람의 몸에는 약 25조가 넘는 적혈구가 존재한다
가로세로 높이가 1mm인 직육면체(1mm3=1μl)에 적혈구는 약 500만 개가 존재한다. 남성은 약 540만 개, 여성은 약 480만 개로 남성이 여성보다 더 많은 적혈구를 가지고 있다. 같은 부피에 포함된 백혈구가 약 8천 개, 혈소판이 약 40만 개인 것을 고려하면 혈액 내에 들어 있는 세 가지 세포 중 적혈구가 전체의 90%를 훨씬 넘는다는 사실을 알 수가 있다. 사람의 몸에 들어 있는 피가 약 5리터이므로 적혈구는 약 25조 개가 존재하고 있으며, 수명이 약 120일이므로 1초에 파괴되는 적혈구만 약 300만 개에 육박할 정도로 많다. 전체 피 중에 적혈구가 차지하는 비율을 백분율로 표시한 것을 적혈구 용적률(hematocrit)이라 한다. 혈액을 원심 분리했을 때 전체 부피 중에 가라앉은 적혈구가 차지하는 부피를 측정하여 적혈구 용적률을 구할 수 있다. 성인 남성의 평균은 46%이고, 여성은 42%로 남성의 용적률이 더 높은데, 그 이유는 남성호르몬인 안드로겐이 적혈구 생성을 촉진하기 때문이다.
헤모글로빈은 포르피린 고리를 가진 구조를 하고 있는데, 연체동물이나 갑각류의 혈액에서 산소 운반 기능을 담당하는 헤모시아닌은 포르피린 고리를 가지지 않은 구조를 하고 있다. 그뿐만 아니라 헤모글로빈에 산소가 결합하는 역할을 철이 담당하는 것과 달리 헤모시아닌에서는 그 자리를 구리가 대신하고 있다. 이 구리에 산소가 붙게 되면 특이하게도 엷은 파란색을 띠게 된다. 이런 이유 때문에 토끼 눈이 빨갛게 보이는 것과 달리 연체동물의 눈은 파랗게 보이는 것이다. 이론적으로 피는 초록색을 띨 수도 있다. 황화수소의 형태로 몸에 들어온 황(sulfur)이 헤모글로빈에 결합하면 설프헤모글로빈을 형성할 수 있다. 감염성 질환에 사용하는 약의 하나인 설파제에도 황이 포함되어 있으므로 이를 투여하는 때도 설프헤모글로빈이 형성된다. 피 속에 설프헤모글로빈이 증가한 경우를 설프헤모글로빈혈증(sulfhemoglobinemia)이라 하며, 이때 피의 색이 초록색으로 변할 수 있다. 설프헤모글로빈은 산소에 결합하는 능력이 떨어지므로 산소부족현상이 야기되어 청색증 등의 증상이 나타날 수 있다.
철은 산소보다 일산화탄소와 결합하는 능력이 250배나 더 강하다. 따라서 공기 중에 일산화탄소 농도가 증가하여 그 공기에 노출된 사람에게서 이상증세가 나타나는 현상을 일산화탄소 중독이라 한다. 만약, 공기 중에 일산화탄소의 양이 산소의 1/250만 포함되어 있더라도 우리 몸속에서 적혈구가 산소를 공급하는 능력은 반으로 떨어지게 된다.
● 고기맛은 피맛??
임파서블푸드의 특징은 단순히 야채와 콩을 모아서 고기 같은 걸 만든 게 아니라는 것이다. 고기를 분자 수준으로 분석해 어떤 게 햄버거 패티 맛과 냄새, 식감을 만들어내는지 밝혔다고 한다. 이를 통해 가열하면 소고기 같은 질량과 색으로 변화하는 음식을 개발한 것이다.
그러면서도 모든 동물에 있는 지방이나 근육 같은 세포는 식물 유래 화합물로 대체한다는 것. 고기 맛과 모양의 열쇠가 되는 건 산소를 운반하는 단백질로 알려진 헤모글로빈이다. 동물의 피 뿐 아니라 식물에도 존재한다. 헤모글로빈을 추출하기 위해 연구팀은 먼저 콩과 식물 뿌리에서 레그 헤모글로빈이라고 불리는 단백질을 추출하는 방법을 이용했다. 하지만 비용이 너무 많이 들고 추출할 때 탄소를 대기 중에 방출하는 문제가 있었다고 한다.
따라서 연구팀은 다음으로 유전자를 이용해 단백질을 효모로 바꾸는 방법을 시도했다. 이 방법을 이용해 동물 혈액과 비슷한 화합물을 대량으로 얻는 데 성공했고 임파서블푸드 2만 개를 제조했다고 한다.
● 식물에도 피가 흐른다?
풋콩의 뿌리에는 작은 혹이 줄줄이 달려 있어 뿌리가 병든 것처럼 보이기도 하는데 그렇지는 않다. 혹의 주인은 풋콩의 뿌리에 기생하며 풋콩과 공생하는 뿌리혹박테리아이다.
뿌리혹박테리아는 풋콩의 뿌리에 기생하며 광합성으로 생긴 당분을 먹고 산다. 한편 뿌리혹박테리아는 공기 중의 질소를 흡수하는 특수한 능력이 있다. 풋콩은 뿌리혹박테리아 덕분에 질소가 부족한 토양에서도 생육할 수 있다.
콩과 식물과 뿌리혹박테리아의 공생은 연꽃, 토끼풀, 살갈퀴 등의 들풀에서도 관찰된다. 들에 나가지 않아도 채소가게에서 사와 뿌리혹박테리아를 관찰할 수 있는 것은 뿌리째 뽑아 가지에 달린 그대로 파는 풋콩뿐이다.
신선한 풋콩의 뿌리혹을 잘라보면 피가 번지듯이 옅은 붉은색 물이 배어나온다. 이것은 말하자면 풋콩의 피다.
인간의 혈액이 붉은 이유는 헤모글로빈이라는 물질 때문이다. 헤모글로빈은 세포에 산소를 운반하는 역할을 한다. 콩과 식물 역시 인간의 헤모글로빈과 비슷한 레그헤모글로빈이라는 물질을 갖고 있다.
콩과 식물과 뿌리혹박테리아의 공생에는 한 가지 문제점이 있다. 뿌리혹박테리아의 효소는 산소와 만나면 활성을 상실한다. 반면 뿌리혹박테리아가 공기 중의 질소를 흡수할 때는 엄청난 에너지가 필요한데, 에너지를 만들어내려면 충분한 산소가 필요하다. 이 모순을 해결하기 위하여 콩과 식물은 산소를 효율적으로 운반할 레그헤모글로빈을 갖고 있다. 두 생물이 이러한 공생구조를 갖추기까지는 피나는 노력이 있었음이 틀림없다.
그런데 식물에게도 피가 있다니 믿기지 않을 것이다. 그러나 식물의 엽록소는 헤모글로빈과 구조적으로 매우 비슷하다. 헤모글로빈은 중앙에 철 원자를 가지고 있는데, 간이나 시금치 등의 철분이 함유된 음식이 빈혈에 좋다는 이유도 그 때문이다. 엽록소는 철 대신에 마그네슘 원자를 가진 점이 다를 뿐 그 밖의 구조는 헤모글로빈과 똑같다. 철이냐 마그네슘이냐의 차이로 피와 잎의 색깔이 달라진다니 흥미롭다.
인간의 붉은 피가 혈관을 따라 온몸을 돌 듯이, 식물의 엽록소는 햇볕을 받고 푸르게 빛난다. 생명의 근원은 인간이나 식물이나 별반 차이가 없는 것이다.
『보약보다 좋은 채소』 中에서
● 저온 저산소 : 한 의학자의 호기심 사로잡은 기적의 사건
얼어 죽었던 사람이 다시 부활하는 기적의 비밀이 풀렸다. 초기에 산소결핍 상태에 놓이면 다시 살아나게 하는 것이 가능하다는 연구 결과가 나왔다. 효모와 예쁜꼬마선충을 이용한 실험을 통해서 밝혀졌다. 효모와 예쁜꼬마선충을 초기에 극심한 산소결핍에 놓이게 하자 얼어 죽은 것처럼 보이던 효모와 예쁜꼬마선충이 되살아나는 것이다. 2001년 겨울, 에리카 노비(Erica Norby)라는 13개월의 캐나다 유아가 기저귀만 채워진 채 영하의 바깥 날씨에 수 시간 동안 방치되어 있었다. 발견 당시 노비의 체온은 고작 16℃. 차갑게 얼어붙은 노비의 몸을 다시 따뜻하게 해주고 회생술을 시도했다. 그러자 노비는 멀쩡하게 살아났다. 2006년 이런 기적이 일본인에게 또다시 일어났다. 산악인 우치코시 미쯔다카 씨가 눈 내린 산에서 잠에 빠져든 지 23일 만에 구조되었다. 당시 그의 체온은 22℃. 심장도 멈춰있고 숨도 쉬지 않아서 그는 분명 죽은 것처럼 보였다. 그러던 그도 되살아났다. 어떻게 이런 기적이 일어나는 걸까. 이 두 사건을 접한 미국 시애틀 소재의 프레드 허친슨 암 센터의 마크 로스(Mark Roth) 박사는 의문을 품었다. 혹시 이 기적이 자신의 실험과 관련이 있지 않나 하는 것이었다. 로스 박사는 산소결핍을 통해 몸의 화학반응을 갑자기 멈추게 하는 ‘가사상태’로 알려진 강압적인 동면에 대해 연구 중이었다. 가사상태가 되면 심장의 박동, 혈액순환, 호흡 등이 거의 감지되지 않아 마치 죽은 것처럼 보인다. 로스 박사는 작은 벌레들을 대상으로 강압적인 동면 상태가 벌레들에게 어떤 영향을 미치는지를 조사했다.
이런 로스 박사는 얼어 죽은 것처럼 보이는 가사상태의 사람들이 되살아날 수 있는 게 혹시 저산소와 관련이 있지 않을까 생각했다. 이를 확인하기 위해 그는 효모와 예쁜꼬마선충을 대상으로 실험을 벌였다. 우선 효모와 예쁜꼬마선충을 단순히 저온 상태에 놓이게 했다. 그랬더니 24시간이 흐르자 99% 정도가 죽었다. 로스 박사는 다른 상황은 동일하게 하대 초기에만 효모와 예쁜꼬마선충을 산소결핍상태에 놓이게 하는 실험도 벌였다. 그러자 결과가 달라졌다. 효모의 66%와 예쁜꼬마선충의 97%가 죽지 않고 살아난 것이었다. 추위에 노출된 이들 효모와 예쁜꼬마선충을 천천히 주변을 따뜻하게 해주고 산소도 다시 제공하자 이 효모와 예쁜꼬마선충이 되살아났다. 게다가 이들은 이 일이 있고 나서 아무 일도 없었다는 듯이 정상적인 수명을 살았다. 로스 박사는 앞서 얘기한 두 건의 회생기적의 경우도 초기에 산소결핍 증상이 이뤄졌을 것이라고 추측했다. 그런 그는 “이번 연구결과를 통해 저온과 저산소의 관계에 대한 이해가 높아졌다”고 보았다. 로스 박사의 연구 최종 목표는 죽음을 코앞에 둔 환자에게 의학적 처치를 받기 전까지 시간을 벌어주고 것이다. 심장마비나, 심각한 출혈로 인해 생명이 경각에 달린 사람을 안전하게 처치를 하기 전까지 죽지 않고 살려놓는 것이다. 이를 통해 생존확률을 높이려는 것이다