비소(arsenic)는 해당과정에서 무기인산(inorganic phosphate, Pi)을 대체하거나 시트르산 회로(citric acid cycle)의 인산화를 방해하여 ATP 합성을 차단하고, 활성산소종(reactive oxygen species, ROS) 생성으로 세포 구조를 손상시킨다.
❶ 생각해 보셨나요?
비소가 독성을 나타낼 때 단순히 산소를 차단하는 게 아니다. 세포는 산소를 충분히 들이마시고 있는데도 에너지를 만들지 못하는 상황이 될 수 있다. 그 원리가 해당과정에 있다.
❷ 비소가 해당과정에서 어떻게 ATP 생성을 막는가
해당과정 6단계에서 글리세르알데하이드 3인산(glyceraldehyde-3-phosphate, G3P)이 산화될 때, 무기인산(Pi)이 1번 자리에 결합하여 1,3-비스포스포글리세르산(1,3-bisphosphoglycerate, 1,3-BPG)이 만들어진다. 이 1번 자리의 인산기가 다음 단계에서 ADP로 넘어가면서 ATP 1개가 생성된다.
비소는 이 무기인산 자리를 빼앗는다. 인산 대신 비소가 1번 자리에 결합하면 1-아르세노-3-포스포글리세르산(1-arseno-3-phosphoglycerate)이 형성된다. 이 물질은 불안정하여 자발적으로 가수분해(hydrolysis)되면서 그냥 3-포스포글리세르산(3-phosphoglycerate, 3-PG)이 된다. ADP로 인산을 넘기지 못하므로 이 단계에서 ATP가 만들어지지 않는다.
즉 해당과정 중 기질 수준 인산화(substrate-level phosphorylation) 한 단계가 통째로 비어버린다.
❸ 비소가 추가로 어떻게 에너지 계통 전체를 망가뜨리는가
피루브산 탈수소효소 억제
비소는 피루브산 탈수소효소(pyruvate dehydrogenase)를 억제한다. 이 효소가 막히면 피루브산이 아세틸 CoA로 전환되지 못해 시트르산 회로로 진입할 수 없다. 결국 피루브산은 젖산(lactate)으로 전환되어 혈액으로 분비되고, 젖산혈증(lactic acidosis)이 발생한다. 산이 혈액 내에 축적되면 전신 대사에 치명적인 영향을 미친다.
시트르산 회로에서의 무기인산 경쟁
해당과정과 동일한 방식으로, 비소는 시트르산 회로에서도 무기인산과 경쟁하여 인산화 반응을 방해한다. 세포 호흡의 핵심 경로 전체에서 ATP 합성이 억제된다.
활성산소종(ROS) 생성
비소는 세포 내에서 과산화수소(H₂O₂)를 생성한다. H₂O₂는 불안정하여 히드록실 라디칼(hydroxyl radical, •OH)을 만들고, 이 라디칼이 세포막, 단백질, DNA를 무작위로 손상시킨다. 특히 전압 의존성 포타슘 채널(voltage-gated potassium channel)을 손상시켜 신경과 심장처럼 전기 신호가 중요한 조직에 심각한 악영향을 미친다.
병리적 심장 리모델링
비소는 전사인자(transcription factor)를 활성화하여 심근 비대(cardiac hypertrophy)를 유발한다. 심근이 무작위로 비대해지는 것은 병리적 리모델링(pathological remodeling)으로, 심장 기능을 오히려 떨어뜨린다.
❹ 결국
비소 독성의 핵심은 인산 자리를 빼앗는 경쟁이다. 해당과정과 시트르산 회로에서 무기인산 대신 자리를 차지하므로, 세포는 산소가 있어도 ATP를 충분히 만들지 못한다. 여기에 젖산혈증, ROS에 의한 세포 손상, 심장 리모델링이 더해져 전신 독성이 나타난다.
▶ 영상으로 보기 (멤버십)
선행: glycolysis10-products 연관: glycolysis13-pfk1-regulation 다음: glycolysis13-pfk1-regulation