미라클 린의원 최남현 원장의 당생물학과 나노의학을 이용한 피부안티에이징을 주제로 연재할 예정이다. 당생물학과 나노의학의 밀접한 관계들과 피부안티에이징에 미치는 여러 가지 원인에 대해 장수와 안티에이징의 비밀과 생명의 열쇠/코드-유전자의 발현, PTM, 당화(Glycosylation)와 당화장애에 대해 알아본다. 독자들의 많은 관심과 애독을 바란다.
<편집자 注>
☞첫 번째, 장수와 안티에이징의 비밀
생명의 열쇠/코드 - 유전자의 발현, PTM, 당화(Glycosylation)와 당화장애
두 번째, 노화와 안티에이징 - 건강트리 6기전
피부안티에이징과 당생물학, 나노의학
피부안티에이징을 위한 미래 치료용화장품 공법과 원료
진시황이 불로초를 찾아 헤맨 이유도 건강하고 오래 살고픈 꿈 때문일 것이다. 과학과 의학의 발달로 인류의 100세 시대를 넘어 140시대를 기대하고 있다. 2015년 미국타임지는 노화억제 기능이 있는 약을 복용하면 2015년에 태어난 아기는 특별한 사고나 질병이 없는 한 142세까지 살 수 있다고 보도 했다.
노화의 몇 가지 요인은 Telomere Shortening(텔로미어 단축), Chronological Ageing(나이 듦), Oxidative Stress(산화적 스트레스), Glycation(비효소적 당화=갈변반응) 등으로 설명하고 있다.
. 텔로미어가 일정 길이(노화점) 만큼 줄어들면 염색체는 복제를 멈춘다. 복제 기능을 상실한 세포는 스스로 사멸한다. 이것은 정상적인 세포의 노화 과정이다.
. 최근 도쿄 장수 연구소에서는 초장수 노인들의 혈액 속 면역기능을 하는 당사슬이 일반인과 다르다는 것을 밝혀냈다.
. 노화와 만성질환, 난치성질환의 주요 기전으로 꼭 생각해야 할 포인트는 유전자 발현에 의해 단백질이 합성되는 PTM(Post-translational Modification, 번역후 변형)과정 즉, DNA(제1생명의 코드)-RNA-미성숙단백질(제2생명의 코드)-PTM-당화과정(glycosylation)-당단백(제3생명의 코드)/folding protein 생성되어 생명현상을 수행하는 과정 중에서 독소, glycation, 산화적 스트레스 등에 위 과정을 방해하여 야기되는 당화장애가 주 원인이라 생각된다.
100세까지 건강하게 살기 위해서 필요한 것은 무엇일까?
건강관련 요소들은 유전자, 영양소, 환경오염, 스트레스 등이 문제이다. ‘세계 최고의 의사는 당신 몸 안에 있다’는 현대과학이 정복하지 못하는 암을 위시한 대부분의 질병 90% 이상이 면역기능 저하로 오며 진정한 세계 최고의 의사는 우리 몸속의 ‘면역체계’와 ‘자가치유능력’이다. 현대 사회는 환경오염으로 인한 독소와 영양의 불균형(설탕과잉, 필수영양소, 특히 글리코영양소 결핍), 그로 인한 당화장애로 인해 내 몸 안의 항산화방어/해독시스템, 조절시스템(항상성), 면역시스템, 복구/재건시스템, 자연치유능력이 떨어져 만성적인 질병이나 난치성질환으로 고통 받고 있는 사람들의 숫자가 해마다 늘어나고 있다.
정상적인 당화과정의 결과인 당사슬/당단백은 모든 세포벽, 세포내, 세포간질, 체액, 혈액 내에서 우리 몸의 항산화방어/해독시스템, 면역시스템, 항산성/조절시스템, 복구 및 재건시스템을 통한 자가치유력에 관여하고, 수정에서부터 항노화까지 모든 생명현상에 관여하는 DNA(Genomix), 단백질(Proteomix)에 이은 제3의 생명의 사슬 역할을 한다.
장수와 노화, 만성질환 등은 세포 수준에서 일어나고 있고, 노화 및 질환의 예방과 치유에 관여와 조절하기 위해서는 우리는 세포와 생명의 열쇠/코드를 만드는 과정인 DNA-RNA-PROTEIN-PTM-glycosylation-glycoprotein /glycolipid/PG에 대해서 좀 더 알 필요가 있다.
인간의 세포는 외부에서 섭취하는 탄수화물, 단백질, 지방 등의 영양소 분해대사를 통해서 에너지를 얻고 섭취 후의 영양소를 이용하여 저분자물질/고분자물질 등을 합성하여 세포, 조직, 기관, 시스템 등의 몸을 만들어 살아가게 된다. 매일 우리 몸은 1,500~5,000억 개의 새로운 세포를 만들고 있다. 새로운 세포를 만들어 기능을 잘 하기 위해서는 적절한 영양소가 반드시 필요하고, 분해대사와 합성대사를 방해하는 독소 및 활성산소 등이 없어야 정상적인 기능을 할 수 있다.
생체를 구성하는 생물학적 최소 단위인 세포는 다양한 분자로 구성되어 있지만 크게 핵산, 단백질, 지질, 당의 네 가지로 구성되어 있다. 이 중에서 현대의 세포생물학 및 분자생물학에서 가장 중요하게 생각하는 것이 DNA-RNA-단백질-PTM-GLYCOSYLATION-당단백, 당지질로 이어지는 유전정보의 복사와 전사, 번역을 통해 생성되는 당단백이나 folding protein에 의해서 생체의 다양한 생물학적 기능의 발현이다.
실제로 이 부분은 개체단위 및 종족단위에서의 생물의 생존과 번영을 위해 매우 중요한 기능들을 담당하고 있으며, 많은 학자들이 이들의 기능을 밝히기 위해서 매달려 있으나 아직도 기능이 다 밝혀지지 않은 유전자 및 단백질들이 허다하다.
B1. 핵(핵산 DNA, RNA) 기능
첫째, 세포 내에서 일어나는 모든 일을 조절하는 세포의 조절센터로서 대사 또는 증식 및 유전지배 등을 관할하고 세포가 분열할 때 주도적인 역할을 한다. 그리고 성장과 분열을 하여 단백질 합성에 관여하며, 유전자의 발현은 단백질을 합성하여 생물학적 기능으로 나타난다.
둘째, 유전인자의 정보센터로서 DNA를 갖고 있고, 핵이 이와 같이 중요한 기능을 수행할 수 있는 것은 세포나 조직의 작용 및 구조상의 특징을 결정짓는 정보가 유전인자라는 형태로 들어있기 때문이다. 이 유전자의 본체는 DNA라는 ‘핵산’이며, 이 DNA 사슬이 가지는 유전정보에 따라 특정 단백질, 당단백, 단백다당이 만들어지고 이 단백질의 기능에 의해 체구성 및 모든 대사의 조절이 가능해진다.
B2. 미토콘드리아
세포의 엔진 역할을 하는 미토콘드리아는 우리 몸속의 세포호흡에 관여하는 세포 기관으로, 미토콘드리아는 세포의 생존과 정상적인 기능유지에 절대적인 영향을 끼치고 면역력을 좌우한다. 독소와 활성산소에 취약하므로 기능이상(mitochondriopathy)에 빠진다. 미토콘드리아가 핵을 가진 세포 속에서 안정적으로 생존하고, 세포는 미토콘드리아를 통해 호흡을 하게 된 것이다. 이 공생관계는 인간을 비롯한 많은 고등생명체들의 탄생에 결정적인 기여를 했다. 이러한 미토콘드리아에 기능이상(mitochondriopathy)이 일어나면 우리 몸속의 세포들은 에너지를 제대로 생산해 내지 못하기 때문에 면역기능이 저하될 뿐만 아니라 미토콘드리아의 유전적 변이 자체는 암 발생의 중요한 메카니즘으로 밝혀지고 있다. 현재까지 많은 기능의학이 이 Mitochondriopaty를 가장 중요하게 생각하고 있다.
B3. 리보솜, 소포체(ER endotherial reticulum) /골지체
. 리보솜(RIBOSOMES) : 유전정보에 따라 1차 단백질인 미성숙단백질을 합성하는 장소이다.
. 소포체(ER endotherial reticulum)/골지체 : PTM 중 glycosylation(당화과정)이 일어나는 장소이고, 미성숙단백질을 생명현상을 수행하는 활성이 있는 성숙단백질인 folding protein, 당단백, 당지질, PG(단백당)을 합성하는 장소이다.
B4. 세포벽
. 세포막(PLASMA MEMBRANE, PM) : 세포에서 분자의 출입을 제어하여 세포간 대화와 세포부착에 관여하고, 많은 복합 당질(당사슬)을 포함한다.
. 세포 표면의 당단백(glycoproein), 당지질(glycolipid)의 당(glycans, 촉수, 당사슬, 당쇄)이 하는 역할이 있다.
① 수용체 역할 : 세포와 세포사이에 흐르는 혈액 또는 체액 속에서 각종 호르몬, 사이토카인, 성장인자, 신경전달물질 등을 인지하고 정보를 세포내로 전달한다. 이 수용체가 당단백이다.
② 세포의 1차 방어벽 역할 : 바이러스, 박테리아, 독소 등에 1차 면역작용을 한다. 예) 호흡기, 위, 장 점막의 뮤신과 점맥
③ 세포간 정보 교환(cell to cell communication) : 세포간의 인지를 통한 생체정보를 교환한다.
생명의 열쇠/코드 - 유전자의 발현, PTM, 당화(Glycosylation)와 당화장애
전자현미경의 발달로, 분자생물학 나노의학이 발달했고, Genomics, proteomics 뿐만 아니라 Glycomics를 공부해야만 수백만 가지의 생명 현상과 질환을 이해할 수 있다. Genomics, proteomics만으로는 우리 몸의 생명현상 즉, 방어/해독/면역/조절/복구/자가치유시스템에 대해 완벽히 설명하기는 어렵다.
2000초 지놈프로젝트의 교훈은 DNA가 생명 청사진의 출발점이라는 사실에는 이론의 여지가 없다. 25,000~ 30,000개의 제1생명의 코드인 인간DNA에 의해서 발현되는 약 십만 개 정도의 1차 미성숙단백질 및 transcriptome만으로는 수백만 개 이상의 인간 생명현상과 복잡성, 노화와 만성 및 난치성 질환을 설명하기는 충분치 않다. Human Genom Project가 끝나면서 내린 결론은 인간유전체 연구결과 부모님께 물려받은 유전체에 의해 질병이 결정되는 것 보다는 식이습관, 생활습관, 환경공해물 중독과 스트레스에 의해서 유전자 발현이 나빠져 발생되는 질환이 약 80%정도를 차지한다.
결과적으로 만성 및 난치성질환(암, 동맥경화, 알러지, 자가면역질환)은 식이습관, 생활습관, 환경공해물 중독과 스트레스에 의해 유전자 발현이 나빠져 자가치유능력(방어/보호/해독/면역/복구시스템)이 무너져 발생한다고 밝혀졌다.
1차 미성숙단백질 생합성 이후에 일어나는 “단백질 번역후 변형(Post-translational Modification, PTM)”이 위 문제의 답을 제시할 수 있다.
단백질 번역후 변형(Post-translational Modification, PTM)
최근 생명공학 분야에서는 단백질 번역후 변형(Post-translational Modification, PTM), 특히 당화, 당생물학에 대한 연구가 화두가 되고 있다. 단백질의 변형과정이 정상적으로 일어날 경우 단백질이 각자의 역할을 수행할 수 있는 능력을 가지게 되며, 신진대사가 정상적으로 일어나고 신체의 항상성을 유지할 수 있게 된다. 하지만 이러한 변형 과정에서 독소나 염증, 산화적 스트레스에 의해 이상이 생기게 되면 각종 질병의 원인으로 이어질 수 있기 때문에, 이는 많은 연구학자들이 PTM, glycosylation에 관심을 가지게 되는 이유이다.
PTM은 DNA-RNA-리보솜에서 1차 미성숙단백질이 만들어진 후에 리보솜과 골지체를 지나면서 선상의 미성숙단백질에 인산, 필수당(glycans), 아세틸 등의 물질이 첨가되면서 선상의 미성숙단백질 folding등을 유도하여 3차원/4차원 구조로 바꾸어 활성이 있는 folding protein, 당단백(glycoprotein), PG(proteoglycans) 등을 만들어 이들로 하여금 생명현상을 수행하게 하는 것을 ‘PTM’이라 한다.
인간을 포함한 진핵 생명체의 세포에서는 단백질 생합성 이후 변형(Post-translational Modification, PTM, 단백질 번역후 변형)이 일어나며, 아미노산잔기의 단백질 번역후 변형(Post-translational Modification, PTM)으로는 인산화, 글리코실화(glycosylation), 아세틸화, 카르복시화(carboxylation) 등 120여 종이 알려져 있다.
단백질 인산화와 아세틸화는 가장 광범위하게 일어나는 단백질 변형으로 세포내 신호전달에서 중요한 역할을 하며, 그 결과 세포의 대사, 성장, 분화, 사멸을 조절하는 역할을 한다. 단백질의 인산화 및 아세틸화는 세포의 생리작용을 전반적으로 조절하기 때문에 외부적인 요인이나 돌연변이로 인해서 비정상적인 변형이 발생하면 암을 포함한 각종 질병을 일으키는 직접적인 원인이 된다고 알려져 있다. 당화(glycosylation)의 자연계에 존재하는 모든 세포는 당사슬을 포함하고 있고 사람이 만들어내는 단백질의 50%이상은 당화(Glycosylation)과정을 거쳐 당단백을 만든다.
당사슬은 생명현상과 관련하여 어떤 역할을 할까?
분자생물학의 CentralDogma (중심원리) : 생명체는 정보가 저장된 DNA(제1생명의 코드)를 통해서 Protein(제2생명의 코드)을 만들어 이 Protein이 생명현상의 중요한 기능 역할을 수행하게 된다고 과거에는 생각했지만 이 단백질만으로는 수백만, 수천만의 생명현상과 만성질환들에 대한 발생기전을 설명할 수가 없고 이 단백질에 당이 첨가되면 당단백이 형성되어 새로운 기능을 얻게 된다.
1) 80년대엔 유전자재조합기술로 생체 단백질이 생산됐지만 생물활성이 발현되지 않는 예가 속출하였다.
2) 이 단백질만으로는 수백만, 수천만의 생명현상, 생명의 복잡성과 만성질환들에 대한 발생기전을 설명하기엔 충분치 않았다.
3) 이 단백질에 당이 첨가되면 당단백이 형성되어 새로운 기능을 얻게 되었으며, 당단백이 되어 활성화되고 생명현상을 수행하였다.
활성화 된 당단백/당사슬을 ‘제3생명의 코드’라 한다. 우리 신체는 무수한 세포들로 이루어져 있다. 매일 1,500~5천억 개의 세포가 새로 생성되며, 천연식품으로부터 세포가 필요한 영양소만 얻을 수 있다면 방어력과 자가치유시스템이 복구되면서 질병으로부터 해방될 수 있다. 여러 세포들이 세포의 언어, 생명 암호들로 정보를 전달하면서 생명현상을 유지한다.
신경계는 ‘신경전달물질(에프네프린, 노아에프네프린, 도파민, 세로토닌 등)’, 면역계는 ‘여러 사이토카인(인터류킨, 인터페론, 케모카인)’, 면역세포들간의 세포벽 수용체간의 직접적인 결합을 통한 ‘세포간 연락(communication)’, 줄기세포는 ‘여러 성장인자(EGF, IGF, FGF, TGF, PDGF 등)’, 여러 호르몬들이 세포와 세포사이에 정보를 전달하고 세포는 세포벽에 존재하는 ‘수용체(당단백질, 당사슬, 당쇄)’를 통해서 정보를 인지하고 세포내로 전달한다.
우리 몸의 항상성을 유지하기 위해서는 호르몬계, 신경계, 면역계, 재생시스템 등의 조절시스템, 치유시스템이 정상적으로 작동되어야만 건강을 유지할 수 있고, 이런 시스템이 정상적으로 작동하기 위해서는 이때 세포벽의 수용체(당단백), 전달물질(당단백질-사이토카인, 성장인자, 호르몬)이 정상적으로 생성(glycosylation)되고, 작동되어야만 세포간 정보가 정상적으로 전달된다.
PTM 중 정상적인 당화를 통해서 제3생명의 코드인 당사슬이 수백만 개 이상의 인간의 생명현상과 복잡성, 노화와 만성 및 난치성질환의 기전을 설명할 수 있다. 당화과정을 통해서 모든 생명현상을 수행하는 당단백, 당지질, PG 등을 만들고 방어/보호/해독/면역/조절/복구/재생/자가치유시스템을 만들어 건강을 유지하게 된다.
독소와 염증 및 영양의 불균형 없이 충분한 영양소만 공급된다면 우리 세포는 DNA-PROTEIN-PTM-정상적인 당화로 활성화된 생리물질(단백질/효소/호르몬/수용체/당사슬)을 만들어서 세포내, 세포벽, ECM, 체액, 혈액 내에서 정상적인 활동으로 우리 의지와 상관없이 스스로 방어/보호/해독/면역/조절/복구/재생/자가치유시스템을 작동하여 건강을 유지하게 할 것이다.
<다음호에 계속>