Toxic Effects of Metals

금속의 독성

금속이란?

금속은 고체에서의 물리학적 특성으로 정의됩니다. 금속은 광택이 나며(빛을 잘 반사), 열 전도성과 전기 전도성이 좋고 전성과 연성이 좋습니다. 또한, 전자를 잃고 양이온이 되기 쉬운데 이 점이 독성학적으로 중요하지요.

납과 카드뮴은 중요한 금속 독성 물질이고, 구리와 아연은 생체 유지에 필수적인 금속이며, 백금과 비스무트는 의학적으로 이용되는 금속 독성 물질입니다. 또한 준금속인 비소, 셀레늄과 불소 등이 수의학적으로 중요합니다.

독성 물질로서의 금속

독성 물질로서 금속을 주목해야 하는 이유는 이미 자연에 널리 존재하는 물질이기 때문입니다. 공업 처리 과정에서 아무리 안전하게 처리한다고 한 들, 이미 우리 주변은 금속으로 오염되어있습니다. 금속에 대한 노출을 막는 것은 애시당초에 불가능합니다.

금속이 인간 활동으로 생성되거나 파괴되는 물질은 아니지만, 인간 활동에 의해 공기, 토양, 음식 속의 금속 농도는 변할 수 있습니다. 또한 인간 활동으로 금속은 화학적 성질이 변할 수 있지요. 즉, 우리의 활동으로 인해 금속의 독성이 커지거나 작아질 수 있습니다.

금속 자체는 원소이기 때문에 생체 내에서 분해할 수 있는 물질은 아닙니다. 즉, 생체 내에 축적될 가능성이 높습니다.

독성 물질로서 금속의 화학적 성질

반응성이 크다

금속은 전자를 잃고 양이온 형태가 되었을 때 매우 반응성이 큽니다. 생체 분자들과 다양하게 반응할 수 있다는 것이지요. 특히, 생명 현상 유지에 중요한 효소와 반응하여 효소의 활성을 저해할 경우가 있는데, 이게 금속 독성의 매우 중요한 메커니즘입니다.

생체 유지에 필수적인 금속을 대체한다

생체 유지에 필수적인 금속(아연, 철 등)과 화학적 성질이 유사한 금속은 독성이 있습니다. 예를 들어, 아연과 화학적 성질이 유사한 카드뮴(아연, 카드뮴, 수은은 12족 원소이다)은 생체 내에서 아연이 반응을 일으켜야 하는 자리를 대신 차지하여 정상적인 생리 작용이 일어나지 못하게 하지요.

산화환원반응을 일으킨다

금속은 산화환원 반응을 통해 독성을 나타내기도 합니다. 많은 금속은 산화환원 반응의 촉매 역할을 합니다. 그 결과 단백질이나 DNA의 분자 구조가 변형될 수 있지요. 특히 DNA가 변형되어 암이 발생하는데, 이 메커니즘을 통해 금속은 발암물질이 될 수 있습니다. 또한 금속 양이온은 반응성이 크기 때문에 생체 내에서 다양한 라디칼(radical)을 만들어냅니다. 이러한 라디칼 역시 반응성이 커서 세포막이나 다양한 단백질이 제 기능을 못하게 만듭니다.

금속 농도가 높아졌을 때 생체의 반응

금속은 세포에 산화적 스트레스를 주어 세포를 손상시킵니다. 세포막 인지질을 과산화시키고, 단백질을 변성시키며, DNA가 손상되고 미토콘드리아가 제 기능을 못하게 됩니다. 추가로 정상적으로 생리 활동에 필요한 금속을 대치하거나 단백질과 직접 결합하여 제 기능을 못하게 하기도 하지요.

이러한 손상에 대항하여 생체는 반응을 보입니다.

1. 세포 내의 금속을 제거할 수 있는 단백질을 많이 생성한다. 이러한 단백질은 금속 통로 단백질이나 킬레이팅 단백질이 있다.

2. 산화적 스트레스를 줄이기 위한 단백질을 많이 생성한다.

3. 금속으로 인한 세포 손상을 복구한다.

그러나, 이 과정이 적절하게(과도하지도, 너무 적지도 않게) 이루어지지 못하면 병이 생깁니다.

금속과 단백질의 결합

금속과 단백질이 결합하는 현상은 생체가 금속을 어떻게 처리하는지 이해하는데에 매우 중요합니다. 여러 단백질이 금속과 결합할 수 있습니다. 혈청의 알부민이나 헤모글로빈은 아무 금속과 결합하여 혈류를 타고 금속을 체내 곳곳으로 이동시킬 수 있습니다. 반면에 특정 금속에만 결합하는 단백질도 있습니다. 이러한 단백질에 독성 금속은 'mimicry' 현상(화학적 성질이 유사한 금속이 기존 금속을 대치하는 현상)으로 결합하지요.

Thionein

금속과 결합하는 단백질 중에 가장 잘 알려진 것은 thionein입니다. thionein의 thiol기는 금속과 친화력이 높습니다. 즉, 생체 유지에 필수적인 금속이나 독성 금속과 잘 결합합니다. thionein은 아연, 카드뮴, 구리, 수은과 쉽게 결합하여 metallothionein 형태로 존재합니다.

Transferrin,Ferritin

Transferrin은 기본적으로 철과 결합하여 철을 세포 안으로 들어오게 해주는 당단백입니다. 그런데 Transferrin은 철 뿐만 아니라 알루미늄, 망간 등도 세포 안으로 들어오게 하지요. Ferritin은 기본적으로 철을 저장할 수 있게 철과 결합하는 단백질입니다. 그런데 Ferritin도 알루미늄, 카드뮴, 아연, 베릴륨과 결합합니다. 이러한 성질로 인해 ferritin이 금속의 주요 해독제로서 작용할 수 있다는 주장이 있습니다.

킬레이트

한 개의 분자가 두 자리 이상에서 금속과 배위결합하여 생기는 이온을 킬레이트라고 부릅니다. 생체 내에 금속 이온이 과량으로 존재할 때 킬레이팅 물질을 투여하여 금속을 제거할 수 있지요. 킬레이팅 물질로는 2,3-dimercaptopropanol(BAL), EDTA, penicillamine, desferrioxamine(DFOA), dithiocarbamate(DTC) 등이 있습니다