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일산화 탄소 (Carbon monoxide) 
- 호흡독 : 헤모글로빈 역할
- 신경전달물질
- 신경전달 Gas , 원초적 물질
일산화질소 (NO), 일산화탄소 (CO) , 황화수소 (H2S) ,에틸렌
● Carbon monoxide poisoning : 불완전 연소 - 연탄가스
헤모글로빈의 일산화탄소농도, 증상
1% 정상
5% 고속도로 운전자
15% 흡연자 일반농도
40 ~50% 두통, 혼동, 운동시 기절, 실신
80% 짧은 시간내에 사망
● 신경전달물질 기능도 한다 neurotransmitter
- NO, CO
- cAMP, 칼슘
Carbon monoxide is produced naturally by the human body as a signaling molecule. Thus, carbon monoxide may have a physiological role in the body, such as a neurotransmitter or a blood vessel relaxant.[21] Because of carbon monoxide's role in the body, abnormalities in its metabolism have been linked to a variety of diseases, including neurodegenerations, hypertension, heart failure, and inflammation. Following the first report that carbon monoxide is a normal neurotransmitter in 1993,[4] as well as one of three gases that naturally modulate inflammatory responses in the body (the other two being nitric oxide and hydrogen sulfide), carbon monoxide has received a great deal of clinical attention as a biological regulator. In many tissues, all three gases are known to act as anti-inflammatories, vasodilators and encouragers of neovascular growth.[5] Clinical trials of small amounts of carbon monoxide as a drug, are on-going.
저농도 CO, 폐질환 등 치료 입증
서울경제 2011/05/31
최명근 교수, 호암상 의학상 수상. "치명적인 독성이 있는 일산화탄소(CO)가 우리 몸에서도 발생하는데 왜 몸은 멀쩡한지 궁금했습니다."
20여년전 당시 미 피츠버그대 의대의 한국인 교수는 단순한 호기심에 이끌려 연구를 시작, 2000년 과학저널'네이처'에 저농도의 CO를 신체에 주입하면 세포를 보호하는 효과가 있다는 것을 입증하는 쾌거를 이뤘다. '독(毒)도 잘 쓰면 약(藥)이 될 수 있다'는 발상의 전환으로 연구에 임해 최근 미국 의학계의 주목을 받고 있는 주인공은 하버드 의대 부속 브라이엄 여성병원의 호흡기내과를 총괄하고 있는 최명근(52ㆍ사진, Augustsine Choi)교수다. 그는 CO의 작용기전을 규명의 성과를 평가받아 2011년 호암상 의학상 수상자로 선정됐다.
저농도 CO주입을 환자 치료에 쓰기 위해 미 FDA(식품의약국)안정성 1단계를 통과해 2단계 연구를 진행하고 있는 그는 "FDA안정성 테스트 3단계를 거치면 각종 질환 치료에 효과가 있다는 것이 검증된다"며 "3단계 통과 일정은 빠르면 3~4년 후 정도"라고 말했다. 그는 이어 "저농도 CO의 치료효과는 폐질환, 혈관염증성질환 등은 물론 장기이식의 부작용을 줄이는데도 효과가 있는 것으로 밝혀졌다"며 "든든한 투자가 지원된다면 각종 의학품으로 응용될 가능성이 크다"고 말했다. 그의 연구 성과에 대해 노벨의학상 수상자 조셉 머레이 박사는 "자동차 배기가스의 주성분이며 인체에 치명적인 CO의 유해물질이 질병 치료에 쓰일 수 있다는 점은 새로운 발상"이라고 평가했다.
‘일산화탄소’로 뇌 손상 치료한다
강원大 연구진, 외상후내상(TBI) 치료법 개발
외상후뇌손상(TBI)에 걸린 쥐의 뇌(왼쪽)와 일산화탄소를 투여한 뒤 쥐의 뇌(오른쪽). 검게 손상된 부위가 줄어듬을 알 수 있다. - 강원대 제공
국내 연구진이 일산화탄소를 이용해 손상된 뇌를 치료할 방법을 찾아냈다. 일산화탄소는 중독될 경우 체내 산소공급을 차단해 사망에 이르게까지 하는 유해 기체로 알려져 있다. 과거 자주 발생했던 ‘연탄가스 중독 사고’의 원인이 일산화탄소다. 최윤경 강원대 연구원 팀은 머리에 충격이 가해졌을 때 발생하는 외상후뇌손상(TBI) 환자에게 소량의 일산화탄소를 투여하면 인지능력 개선에 효과가 있다는 사실을 동물실험을 통해 증명했다고 25일 밝혔다.
외상후뇌손상은 뇌에 충격을 받을 경우 생기는 뇌 질환이다. 많은 뇌세포가 동시다발적으로 기능 이상을 일으켜 뇌 기능이 감소하거나 소실된다. 운동선수나 건축 근로자에게 종종 발생하는 질환이지만 아직 완전한 치료법은 없었다. 연구진은 최근 소량의 일산화탄소를 고혈압, 항암제, 염증 억제제로 사용하고자 하는 연구가 진행 중인 것에 착안해 이를 외상후뇌손상 치료에 적용했다. 뇌 손상에 걸리게 한 쥐에게 손상 1시간 뒤 체중 1kg 당 4mg에 해당하는 소량의 일산화탄소를 투여했다.
그 결과 일산화탄소가 쥐의 혈관주위 세포를 보호하고, 신경줄기세포의 증식과 분화를 촉진함을 확인했다. 또 이들 쥐는 손상됐던 인지능력과 운동능력도 개선됐다.
최 연구원은 “이번 연구를 기반으로 혈관 주위 세포 및 신경세포와 일산화탄소의 관계를 연구한다면 더 다양한 치료법 개발이 가능해질 것”이라며 “뇌졸중, 알츠하이머 등 일산화탄소 치료제 개발에 가능성이 될 수있다”고 말했다.
이 연구 성과는 학술지 ‘네이처’ 자매지인 ‘네이처 메디슨(Nature Medicine)’ 9월 26일자 온라인 판에 실렸다.
권예슬 기자 yskwon@donga.com
바다코끼리가 일산화탄소를 좋아하는 이유
일산화탄소에 대한 우리의 이미지는 대체로 부정적이다. '도시의 대기오염, 간접흡연, 질식' 하면 떠오르는 게 일산화탄소다. 그러나 한 연구에 의하면, 바다코끼리는 오히려 일산화탄소를 좋아한다고 한다.
과학자들은 바다코끼리의 혈액 속에 엄청난 양의 일산화탄소 가스가 들어 있는 것을 확인했다. 그 양은 자그마치 하루에 담배 40개비를 피우는 사람의 수준과 맞먹을 정도였다.
이게 도대체 어찌 된 일일까? 땅딸막한 바다코끼리들이 해변에 말보로 박스를 통째로 숨겨 놓은 걸까? 그건 아니다, 바다코끼리들은 그저 심해 잠수의 악영향으로부터 장기를 보호하기 위해 일산화탄소를 많이 품고 있을 뿐이다.
바다코끼리들은 사냥을 하기 전에 심호흡을 한 후, 300~800m의 심해 속으로 잠수한다. 그런데 이들은 산소를 보존하기 위해 '별로 중요하지 않은 장기(예: 신장, 간)'로 가는 혈류를 최대한 억제하는데, 이 같은 허혈 상태는 일반적으로 치명적 결과를 낳는다.
하지만 산소가 부족했던 곳에 갑자기 산소가 재공급되면, 이 역시 장기를 손상시킬 수 있다. 그런데 지난 10년간의 연구결과에 의하면, 일산화탄소가 이 같은 장기손상을 막아 준다고 한다. 바다코끼리의 혈액 속에 일산화탄소가 많이 들어 있는 것은 바로 이 때문이라는 것이 과학자들의 설명이다.
일산화탄소, 선천면역계엔 복덩이
강석기 과학칼럼니스트다른 기사 보기kangsukki@gmail.com
저작권자 2014.11.21 ⓒ ScienceTimes
집집마다 김장을 하며 겨울맞이가 한창이다. 한 세대 전 필자가 어렸을 때만 해도 또 다른 큰 일이 하나 더 있었다. 한 겨울에도 아랫목을 뜨뜻하게 해주는 연탄을 준비하는 일이었다. 광에 연탄 수백 장을 쌓아놓으면 마음이 든든했다.
그런데 연탄으로 겨울을 나다보면 가끔 큰 일이 생겼다. 자다가 연탄가스에 중독돼 혼수상태로 병원에 실려 가고 결국 깨어나지 못해 사망하는 일도 벌어졌다. 연탄가스로 가족을 잃은 안타까운 사연이 신문에 실리기도 했다. 물론 요즘도 연탄을 사용하는 집들이 있지만 대부분 보일러의 물을 데우는 방식이기 때문에 예전 같은 사고는 거의 일어나지 않는다.
소위 연탄가스는 연탄이 연소될 때 주로 나오는 이산화탄소(CO2)가 아니라 불완전 연소를 할 때 나오는 일산화탄소(CO)를 말한다. 일산화탄소는 혈액의 적혈구에서 산소(O2)를 운반하는 분자인 헤모글로빈에 산소 대신 달라붙는데 그 힘이 산소의 245배나 된다. 따라서 일산화탄소 농도가 낮을 때는 별 문제가 없지만 농도가 높아지면 심각한 일이 벌어진다. 일산화탄소는 냄새도 색깔도 없는 기체이기 때문에 그 존재를 알 수 없다. 침묵의 살인자인 셈이다.
그런데 이처럼 무시무시한 기체인 일산화탄소를 미량이기는 하지만 우리 몸에서 만든다는 사실이 50여 년 전에 발견됐다. 예상치 못한 사실에 과학자들은 당황했지만 그 뒤 우리 몸이 만든 일산화탄소가 일종의 신호분자로 다양한 생리반응에 관여한다는 사실을 하나둘 밝혔다.
즉 일산화탄소를 신경계를 보호하는 작용을 하고 일주리듬이나 감각, 기억 등이 제대로 작동하는데 도움을 준다. 알츠하이머병이나 파킨슨병 같은 신경퇴행성 질환을 지닌 환자들은 일산화탄소 생성에 문제가 있는 것으로 알려져 있다. 일산화탄소는 심혈관계의 건강에도 중요한 역할을 한다. 즉 혈관벽을 이루는 평활근을 이완시켜 혈압을 낮추고 혈소판의 활동을 억제해 피가 엉기는 걸 억제한다.
학술지 ‘임상연구저널’ 11월호에는 일산화탄소의 또 다른 역할을 밝힌 논문이 실렸다. 즉 우리 몸의 선천면역계가 침입한 병원체를 무찌르는데 도움을 준다는 것. 면역계라면 보통 항체를 떠올리지만 이는 적응면역계다. 즉 병원체의 분자를 인식해 그에 맞는 항체를 대량으로 만들어 박테리아나 바이러스를 퇴치한다. 그러나 이 과정은 1주일 이상의 시간이 걸린다.
따라서 우리 몸은 적응면역계와 별도로 병원체가 침입했을 때 즉시 대응하는 체계를 마련해 뒀는데 이를 선천면역계라 부른다. 사실 진화적으로는 선천면역계가 적응면역계보다 훨씬 오래된 방어체계다. 적응면역계는 턱뼈가 있는 척추동물만이 갖추고 있지만 선천면역계는 다세포 생물이 공통적으로 가지고 있는 부분이 있을 정도다.
미국 하버드대 의대 외과 바바라 웨지엘 교수팀은 우리 몸에 세균이 침입했을 대식세포라는 면역세포가 이를 인식해 잡아먹는 과정에 일산화탄소가 개입된다는 사실을 발견했다. 이 과정은 꽤 복잡하다. 먼저 대식세포가 침투한 세균을 인식하면 세포 안에서 헴산화효소가 활성화돼 일산화탄소가 만들어진다. 이 효소는 헴이라는 분자를 빌리루빈이라는 분자로 바꾸는데 이 과정에서 일산화탄소도 생긴다.
이렇게 만들어진 일산화탄소 기체는 대식세포 밖으로 나와 주변의 세균 표면에 달라붙는다. 그러면 세균은 이를 신호로 인식해 ATP라는 분자를 만들어낸다. 대식세포는 다시 세균의 ATP를 인식해 염증조절복합체라는 시스템을 통해 사이토카인(면역활성인자)의 하나인 인터류킨-1베타(IL-1β)를 잔뜩 만들어 방출한다. IL-1β는 대식세포가 세균을 잡아먹게 유도하고 염증반응을 일으키는 등 선천면역계를 활성화해 몸에 침투한 세균을 퇴치한다.
연구자들은 이 과정에 일산화탄소가 꼭 필요하다는 사실을 여러 조건의 실험을 통해 ‘증명’했다. 예를 들어 헴산화효소를 고장내면 일산화탄소가 만들어지지 않고 그 결과 세균이 ATP를 과량 생산하지 않아 결국 IL-1β도 조금밖에 만들어지지 않는다. 그 결과 세균을 제대로 무찌르지 못한다. 그런데 이때 외부에서 일산화탄소를 넣어주면 이 과정이 복구돼 선천면역계가 제대로 작동한다.
그런데 왜 선천면역계는 이런 번거로운 시스템을 갖추게 된 것일까. 즉 대식세포가 일산화탄소를 만들어 세균을 자극해 ATP를 만들게 하고 다시 이를 인식해 IL-1β를 만들어 행동에 나서기 때문이다. 이에 대해 연구자들은 만약 대식세포가 외부 존재를 인식한 뒤 바로 활동을 개시한다면 우리 몸으로서는 낭비라고 지적했다. 즉 대식세포가 보낸 신호분자에 세균이 반응하는 걸 보고 다음 행동을 결정하는 게 효율적인 시스템이라는 말이다.
문득 대식세포는 연탄이고 세균은 연탄가스에 중독된 사람으로 비유할 수 있겠다는 생각이 든다.
● 일산화탄소를 먹고 사는 미생물도 있다
Carbon monoxide is a nutrient for methanogenic bacteria, a building block for acetylcoenzyme A. This is the theme for the emerging field of bioorganometallic chemistry. In bacteria, carbon monoxide is produced via the reduction of carbon dioxide by the enzyme carbon monoxide dehydrogenase, an Fe-Ni-S-containing protein. CooA is a carbon monoxide sensor protein.[24] The scope of its biological role is still unknown; it may be part of a signaling pathway in bacteria and archaea. Its occurrence in mammals is not established.
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