3. 자외선의 DNA 손상 기전
자외선 하면 인체에 나쁜 영향만 주로 미치는 것으로 오해하는 경우도 있지만 사실 꼭 그런 것은 아닙니다. 자외선은 여러가지 화학 반응을 일으켜 인간이나 다른 생명체에 이롭게 작용하는 측면도 있습니다. 인간에서는 특히 비타민 D 생성에서 270 - 300 nm 파장의 UV - B 의 역활이 중요합니다. 비타민 D 는 칼슘 대사에 특히 중요한 역활을 하며 인체에 꼭 필요한데 주로 피부에서 UV - B 에 의해 합성되거나 아니면 경구로 섭취해야만 합니다.
또 자외선은 인공적으로 만들어져 미용이나 치료 (주로 피부과 영역에서 건선 (Psoriasis) 등의 치료) 에도 이용됩니다. 하지만 여기서 주로 다룰 내용은 이것이 아니라 자외선이 왜 인체와 생명체에 나쁜 영향을 미치는 지에 대한 설명입니다.
이전에 방사선에 인체에 미치는 영향을 설명할 때도 간단히 언급한 바 있지만 이런 고에너지 광자 (Photon) 들은 여러가지 방법으로 DNA 에 영향을 미칠 수 있습니다. 그 중 가장 대표적인 경우는 바로 광자 자체의 에너지로 DNA 에 직접 손상을 주는 경우입니다. DNA 는 매우 크고 긴 이중 나선 분자이며 평소 이 결합은 단단히 유지되지만 고에너지 입자에 의해 손상을 입을 수 있습니다.
(자외선이 DNA 분자에 손상을 입히는 기전. the copyright holder of this work, release this work into the public domain. )
(자외선에 의해 DNA 가 손상되는 Direct damage 를 설명하는 그림. 여기서는 UV B 만 표시했지만 C 도 가능 the copyright holder of this work, release this work into the public domain. )
위의 그림은 그중 한가지를 표시하는 것으로 염기 결합을 깨서 DNA 중간이 벌어지게 만드는 경우 입니다. UV 에 의해 벌어진 thymine 염기들이 자기들 끼리 결함해서 thymine dimer 가 형성 DNA 의 한쪽이 계속 벌어지게 만들 수 있습니다. 이와 같은 손상이 생기면 그냥 복구되기도 하지만 경우에 따라서는 DNA 가 정상적으로 작동하는 일을 방해해서 세포에 손상을 입힐 수도 있습니다. 이와 같이 직접 자외선이나 혹은 다른 방사선이 DNA 에 손상을 일으키는 메카니즘을 Direct Damage 라고 부릅니다. 대개는 주로 UV C 나 UVB 등 에너지가 높고 파장이 짧은 방사선이 이런 손상을 유발합니다.
다만 오해하지 말아야 할 내용은 실제 DNA 는 이런 자외선의 공격에 매우 강한 분자라는 점입니다. 언뜻 생각하기에 두 가닥의 아주 긴 분자가 결합한 DNA 가 쉽게 손상당할 듯 하지만 역시 수십억년에 달하는 진화 과정은 DNA 를 꽤 단련시켜서 실제로는 전체 UV 에너지의 99.9% 는 무해한 열로 전환되며 오직 0.1% 만이 이런 손상을 일으킵니다. 따라서 우리가 햇빛에 노출되도 살아갈 수 있는 것입니다.
UV C 의 경우 강력한 Direct Damage 를 입힐 수 있는데 충분한 세기의 자외선은 세균까지 모두 파괴할 수 있으므로 살균 소독의 목적으로 사용되곤 합니다. 음식점 같은데서도 흔하게 컵이나 접시를 소독하는 자외선 소독기를 볼 수 있습니다. 또 정수목적이나 기타 살균 소독 목적으로도 흔히 이용됩니다.
(실험실에서 사용되는 자외선 살균 장치 the copyright holder of this work, release this work into the public domain. )
바이러스나 박테리아 중에서는 인간보다 훨씬 강력한 방사선에 잘 견디는 것들이 존재합니다. 그러나 254 nm 파장대의 강력한 자외선을 조사하면 대부분 DNA 가 direct damage 에 의해 심각하게 파괴되어 죽게 됩니다. 다행히 이런 UV C 는 앞서 이야기 했듯이 성층권의 오존에 의해 사실상 모두 흡수되어 지표에는 도달하지 않게 됩니다.
대개 지표에 일부가 도달해서 DNA 에 direct damage 를 일으키는 것은 UV B 입니다. 대부분의 UV B 는 열에너지로 전환되지만 일부는 피부를 그을리거나 피부조직의 DNA 손상을 유발 장기적으로 축적되면 피부암의 원인이 됩니다.
UV A 의 경우 DNA 에 직접 손상을 일으키기엔 에너지가 낮기 때문에 과거에는 DNA 손상과는 관련 없는 것으로 생각되어 왔습니다. 하지만 이후에 밝혀진 indirect DNA damage 메카니즘에 의해 UV A 및 다른 파장대의 자외선이 DNA 손상을 유발할 수 있다고 알려져 있습니다.
이것은 직접 자외선이 DNA 에 손상을 입히는 대신 자외선에 의해 생성된 free radical (자유 라디컬) 및 Reactive Oxygen species (ROS : 활성 산소종) 들이 DNA 에 손상을 입히는 기전입니다. 이런 자유라디칼들은 DNA 를 산화 (Oxidation) 시켜 DNA 의 성질을 변화 시켜 손상을 입힙니다. (아래 그림) 대개는 피부에 존재하는 chromophore (색소포) 가 이런식으로 생기는 자유 라디칼들을 흡수해서 열에너지로 전환하지만 경우에 따라 과도한 자유 라디칼을 처리 못하는 경우가 생깁니다. 그러면 chromophore 는 들뜬 상태 (Excited) 에서 그 에너지를 다른 분자에 전달하는데 DNA 가 그 표적이 되기도 합니다.
( chromophore 에서 처리 못한 에너지가 OH 나 1O2 의 형태로 변형되어 DNA 를 산화시키면서 손상을 준다. the copyright holder of this work, release this work into the public domain. This applies worldwide. )
한가지 흥미로운 특징은 Direct damage 의 경우 그 원리상 자외선을 받는 부위에서 나중에 악성 흑색종 (Malignant melanoma) 가 생긴다고 보여지지만 indirect damage 를 받는 경우 이 자유 라디칼이 몸속에서 이동할 수 있기 때문에 햇빛을 받지 않은 신체 부위에서도 생길 수 있다는 것입니다.
아무튼 이와 같은 방식으로 UV C 는 물론 UV B 와 A 모두 DNA 손상을 일으킬 수 있습니다. 강력한 자외선은 피부세포 자체를 파괴하지만 더보다 덜 강력한 경우 DNA 에 손상을 받은 세포가 살아남아 나중에 돌연변이를 통해 악성 변화를 할 가능성이 있습니다. 이와 같은 일은 사실 자연 상태에서도 일어납니다.
다만 이전에 이야기 했듯이 자외선, 특히 치명적인 UV C 가 대부분 오존층에서 걸러지기 때문에 우리는 지표에서 큰 문제 없이 살아갈 수 있는 것입니다. 만약 오존층의 존재가 없다면 꽤 심각한 문제가 발생할 것입니다.
다음에는 DNA 손상에 의한 자외선 관련 피부암 및 기타 자외선이 건강에 미칠 수 있는 영향에 대해 설명해 보겠습니다. 다소 설명이 길어지고 오존층과 관련이 언뜻 없어보일 수 있지만 결국 오존층 파괴가 어떤 문제를 일으키는지를 설명하려면 이와 같은 설명이 우선되어야 하기 때문입니다.
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