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탄산탈수효소 Carbonic Anhydrase  Zinc CO2

아연 Zn
- 아연 Zinc 효소 :  탄산효소 Carbonic Anhydrase

이산화탄소(CO2)
- 일산화탄소 (CO)
- 탄산의 혈중 pH완충
- 탄산수 탄산볼륨
- 팽창제 이산화탄소 : 팽창제, 중조
- 탄산의 맛, 감각
- 탄산효소 Carbonic Anhydrase

탄산음료의 효능
- Gas 감각 : O2, CO2
- 차가움, 갈증의 생리학

탄산탈수효소는 이산화탄소를 물에 녹이는 촉매 역할을 하는 단백질이다. 사람 몸속에서는 세포에서 발생한 이산화탄소를 혈액에 녹여 폐까지 전달하거나 혈액의 pH, 콩팥에서 산도와 이온 교환에 중요한 역할을 한다. 그리고 혀에서 탄산을 감각하는데도 중요한 역할을 한다

이 효소에 이상이 생기면 녹내장이나 산성혈증, 골석화증 등의 질병이 생긴다고 알려졌다.
이 효소의 작용은 매우 빠르다. 1초에 약 100만 번까지 이산화탄소를 탄산의 형태로 변환시킬 수 있다고 알려졌다. 탄산음료의 뚜껑을 따면 이산화탄소가 휘발하는데 상당한 시가니 걸리는데 혀에 닿으면 침에 존재하는 이 효소 덕분에 이산화탄소로 재빨리 휘발하여 그 자극을 느낄수 있다.

Carbonic acid has a pKa of around 6.36 (the exact value depends on the medium), so at pH 7 a small percentage of the bicarbonate is protonated.

carbonic anhydrase억제제

carbonic anhydrase(탄산탈수효소)의 주로 근위세뇨관의 강막에 많이 존재하며 이곳에서 탄산염의 탈수를 촉매하여 중탄산이온을 재흡수. 따라서, 탄산탈수효소의 억제는 중탄산나트륨( NaHCO₃) 재흡수를 차단하여 NaHCO₃이뇨를 증진하고 체내 중탄산이온 저장량을 감소시킴.
근위세뇨관의 NaHCO₃재흡수는 상피세포의 강막(apical membrane)의 Na+-H+ exchanger는 세포내 H+과 일대일 교환에 의해 Na+을 세뇨관 내강에서 세포내로 재흡수시킨다. 이어서 네프론 전부분 기저막(basolateral membrane)에 있는 Na+/K+ ATPase는 재흡수된 Na+를 간질로 보내어 세포내 Na+농도를 낮춘다. 또한 내강으로 분비된 H+는 HCO3-과 결합하여 H2CO3을 형성하고 이것은 carbonic anhydrase(CA)에 의해 탈수되어 CO2 와 H2O가 된다. 탄산염의 탈수에 의해 생성된 이산화탄소는 단순 확산에 의해 근위세뇨관 세포내로 들어가 물이 가해져 다시 탄산염이 된다. 이 탄산염이 분리되어 H+은 Na+-H+ exchanger에 의한 이동에 사용되고, HCO3-는 transporter에 의해 기저막을 통하여 혈중으로 들어간다.
그러므로 근위세뇨관 중탄산염 재흡수는 carbonic anhydrase 활성에 의존하며 carbonic anhydrase 억제제는 이 효소의 활성을 억제해 NaHCO₃재흡수를 차단함으로써 이뇨제로 쓰임.

carbonic anhydrase 억제제의 기본형: acetazolamide

-SO2NH2(Sulfonamide)기가 약효에 필수적이며 이부분의 염기 치환이 carbonic anhydrase활동을 차단.
pharmacodynamic : 경구투여 후 잘 흡수되고, 일회 투약으로 30분 애내 중탄산 이뇨에 의한 요 pH증가를 보이며 2시간에 최고치에 달아 12시간 지속. 신기능 감소시 약을 감량.
pharmacokinetic : acetazolamide에 의해 표재성 근위세뇨관의 중탄산이온 재흡수력의 85%가 억제, IC50는 4μmol/L. 전체 신장의 중탄산염 재흡수의 약 45%억제.
사용한 지 수일이 지나면 심한 중탄산염 소실을 초래하여 네프론의 근위세뇨관 이외의 다른 세뇨관 부위에서의 NaCl 재흡수를 증가시키므로 이뇨 효과 현저히 떨어짐.

<임상적용>

1.녹내장 : carbonic anhydrase 억제는 방수 생성률을 감소시켜 안압을 감소시킴. 최근에는 국소 활동성 carbonic anhydase 억제제(dorzolamide)가 이용되고 있는데 이 약제는 경구용 약제에 상당하는 안압 감소를 얻으면서 적혈구에 의해 흡수는 되지만 dorzolamide 혈장치는 미미. 즉 이뇨 및 전신적 대사효과는 제거되어 있음.
2.요 염기화 : carbonic anhydrase억제제로 요 pH를 증가시켜 요산과 시스틴의 신배설을 증가시키고 아스피린 같은 약산의 신배설을 촉진시킴. 지속적 치료는 중탄산염 병용이 필요.
3.대사성 염기증 : 심한 심부전 환자에서 과도한 이뇨제 사용으로 생긴 염기증의 경우 acetazolamide는 염기증을 교정할 뿐만 아니라 심부전 교정을 위한 약간의 이뇨 효과를 얻을 수 있으므로 유용. 또한 호흡성 산증에서 발생할 수 있는 대사성 염기증을 급속히 교정하는데 사용됨.
4.급성 고산병 : 3000m 이상의 높은 산에 올랐을 때 허약함,어지러움,불면,두통,오심등이 생길 수 있는 데 심한 경우 급속히 진행하는 폐나 뇌부종으로 치명적일 수 있다. acetazolamide는 뇌척수액 생성억제와 뇌척수액과 뇌의 pH를 감소시켜 행동상태를 향상시키고 고산증 증세를 감소시킴. 등산 24시간 전에 acetazolamide를 복용하여 예방할 수 있음.
5. 기타 : 간질 치료의 보조, 저칼륨혈증성 주기성 마비, 심한 고인산혈증시 요인산 배설을 증가시키는 데 사용됨.

<부작용>

1. 고염소혈증성 대사성 산증 : 탄산탈수 효소 억제에 의해 만성적으로 중탄산염의 저장이 감소되므로 산증이 생김.
2.신결석 : 탄산탈수효소 억제에 의한 중탄산염뇨 반응으로 인산뇨와 고칼슘뇨가 발생. 지속적으로 사용하면 citrate같은 결석 용해인자의 요배설이 감소되고 칼슘염은 염기 pH에서 불용성이므로 이들 염분에 의한 신결석 형성 가능성이 높아짐.
3.신칼륨 소실 : 집합관에 이른 NaHCO₃는 내강의 음전압을 증가시켜 K+배설을 증가시켜 칼륨 소실이 생김. 이것은 KCl 동시 투여로 중화 될 수 있음.
4.기타 : 과량투여로 기면과 감각이상이 올 수 있고 신부전 시 축적될 수 있음. 이런 경우 심한 중추신경계 독성이 발생할 수 있고 발열,발진,골수억제,간질성 신염 같은 과민반응이 올 수도 있음.

<금기>
carbonic anhydrase 억제제는 간경변증 환자에 사용을 금해야 함. carbonic anhydrase 억제제에 의한 요 염기화는 NH4의 요 배설을 감소시켜 간성뇌증 발생에 기여하므로.


 



 


C4 식물의 이산화탄소축적
 

 


삼투압, 음이온균형
 

피리미딘 합성
- Pyrimidine 피리미딘 : cytosine, urasil, thymine  

 

 


혈액의 CO2 운반
 

 

식혜도 좋고 과일주스도 좋고 커피도 좋은데 콜라만큼은 안됩니다? 요즘은 많이 줄었지만 과거에는 콜라에는 몸에 치명적인 성분이라도 든 것 인양 유난히 비난하는 사람이 많았다. 최근에 만난 한 분도 콜라 때문에 어머니랑 자주 다툰다는 것이다. 어머니는 콜라 하루에 한 잔 정도는 마셔줘야 속이 개운하다고 고집하여 그것을 말리다 보면 서로 얼굴 붉히는 일도 있다는 것이다.
그리고 의사나 언론에서도 유난히 탄산음료가 나쁘다는 주장이 많다. 도대체 콜라에는 어떤 나쁜 성분이 있다는 것일까? 사실 오랫동안 콜라의 핵심성분은 비밀로 감추어졌고, 색도 검정색이라 마치 위험한 첨가물이 들어 있는 것처럼 보인다. 그런데 콜라는 전 세계의 콜라 보틀링회사에서 제조하고, 거기에서 사용하는 원료는 평범하기 그지없고, 단지 코카콜라에 들어가는 성분 중 1퍼센트가 안 되는 원액만 비밀로 감추어져 있었다. 그리고 그 레시피는 신비주의 마케팅에 대표적인 산물이기도 하다. 코카콜라의 원액의 비밀을 아는 사람은 세 명뿐인데 그들은 비법을 3분의 1씩 나눠 가지고 있으며, 이 세 사람의 신분은 완전히 비밀로 되어있고, 뜻밖의 사고 발생으로 비밀 전수가 끊길 것을 방지하기 위해 이 세 사람은 동시에 어디에 가거나 같은 비행기를 탈 수 없다고 하는 식이다.
그런데 코카콜라가 개발될 당시에는 그런 류의 제품은 매우 많았고, 2011년에는 최초의 코카콜라 레시피가 공개되기도 했다. 기본 배합은 코카추출액 4온즈, 구연산 3온즈, 카페인1온즈, 설탕 30리터, 물 2.5캘런, 라임주스 1쿼더, 바닐라 1온즈, 캐러멜이었다. 그리고 절대비밀이라는 7X의 성분은 용매(알코올)에 오렌지오일 80방울, 레몬오일 120방울, 육두구오일 40방울, 고수오일 20방울, 네롤리오일(등화유) 40방울, 계피오일 40방울이다.
콜라에 사용되는 색소는 카라멜색소로 천연색소 였고, 향료도 라임, 바닐라, 오렌지오일, 레몬오일, 육두구오일, 고수오일, 네롤리오일, 계피오일로 완전 천연이다.
콜라의 당류 함량이 식혜나 과일주스보다 높은 것도 아니고, 치아에 다른 음료보다 손상을 주는 것도 전혀 아니다. 콜라하면 치아를 손상하는 주범으로 알려졌지만 실제로는 건강에 좋다고 하는 과일주스가 치아 부식을 더 유발하는 것으로 분석됐다. 서울대학교 치의학대학원 예방치학교실 진보형 교수팀이 과일주스, 이온·섬유음료, 탄산음료, 어린이음료 등을 비교 실험한 결과이다. 대부분의 음료는 설탕이 10~12%가 들어 있는데 콜라에 특별히 설탕이 많이 들어간 것은 아니다. 콜라보다 당류 함량이 높은 음료가 많다.
그런데 최근에는 탄산수가 인기라고 한다. 몇 년 전 만해도 일부 마니아들만 마시던 탄산수가 매년 40% 이상 성장하고 있다고 한다. 사실 탄산수 역사는 길다. 우리나라는 초정리 광천수가 유명한데 미국의 샤스타광천, 영국의 나폴리나스 광천과 함께 세계 3대 광천수로 꼽히는 곳이다. 이들 광천수가 질병에 좋다고 하자 그 비밀이 광천수의 특별한 성분인 기체(탄산)가 천사가 물에 불어넣어준 좋은 기운이라고 말하는 사람도 있었다고 한다.
물에 녹은 탄산은 입안에서 터지는 재미를 준다. 스파클링 와인(샴페인)의 후발효를 통해 만들어진 탄산이 와인 속에 가득히 녹아있다. 그리고 마실 때 그것이 미세한 버블을 만들며 혀를 자극한다. 이런 거품은 맥주의 매력이기도 하고 탄산음료의 매력이기도 하다. 이런 탄산음료의 역사는 생각보다 길다. 18세기에 천연 탄산수의 비밀이 이산화탄소임이 밝혀지자 현대 화학의 창시자이기도 한 라부아지에 등에 의해 탄산수를 쉽게 만드는 방법을 고안하기도 하였다. 요즘은 너무나 쉽고 흔하게 먹을 수 있는 탄산수를 즐길 수 있게 된 배경에는 이런 화학 기술의 발전이 있었던 것이다.
그런데 왜 탄산음료를 유난히 시원하다고 느끼는 것일까? 탄산이 든 음료를 마시면 탄산가스가 나오면서 일시적으로 더부룩함이 해소되는 것처럼 느껴진다. 그래서 옛날에는 가벼운 소화불량에 소화제 대신 사이다를 마시는 경우가 많았다. 그런데 탄산음료에 들어 있는 이산화탄소는 사실 모든 호흡과정에서 생긴다. 우리의 혈액도 탄산이 녹아 있는 상태이고, 막걸리의 시원함도 탄산의 힘이 크다. 살균한 막걸리는 열에 의에 탄산이 기화되어 톡 쏘는 맛이 없어진다. 그래서 요즘은 살균 막걸리에도 탄산을 주입하기도 한다. 김치의 시원함도 탄산의 역할이 상당하다. 낮은 온도에서 발효될수록 탄산이 많이 녹아 있어 시원하다. 사이다는 조미료로도 많이 사용되는데, 찍어먹는 장류를 만들 또는 국밥집에서 깍두기에 시원함을 더하기 위해 넣기도 한다.
이런 탄산의 시원함이 거품이 주는 물리적 촉각으로 생각한다. 그러나 핵심적인 것은 수소이온(H+)에 이한 화학적인 감각이라고 한다. 작은 물체를 이용하여 혀의 표면에 탄산가스처럼 자극을 주어도 신경세포는 반응을 하지 않고, 탄산이 있어도 혀 표면의 탄산탈수소효소(carbonic anhydrase,이하 CA)가 없으면 톡 쏘는 상쾌한 느낌이 전혀 없다고 한다.
탄산은 많이 알아도 탄산탈수소효소를 알고 있는 경우는 많지 않을 텐데, 탄산탈수소효소는 우리 몸에서 가장 중요한 효소의 하나이다. 탄산탈수효소는 이산화탄소를 물에 녹게 하거나 탄산을 다시 이산화탄소로 바뀌는데 핵심적인 역할을 한다. 사람 몸속에서는 호흡을 할 때 마다 많은 이산화탄소가 발생하는데, 그것이 혈액에 녹여 폐까지 전달될 때 핵심적인 역할을 하는 것이 CA효소이다. 이산화탄소는 CA의 덕분에 H2CO3가 되고 pH에 따라 적당량 HCO3와 H+로 해리되면 혈액의 pH를 완충하면서 물에 녹아 폐로 전달된다. 폐에 도달하면 다시 CA의 작용으로 기체인 CO2로 전환되어 우리 몸 밖으로 빠져 나간다. 혀에서 톡 쏘는 상쾌함을 주는 기작도 혈액의 탄산이 이산화탄소로 빠져나가는 것과 같은 기작이다. 탄산음료의 뚜껑을 따면 이산화탄소가 휘발하는데 제법 시간이 걸린다. 그 정도의 휘발로는 짜릿한 느낌을 주기 힘든다. 그런데 탄산음료가 혀에 닿으면 침에 존재하는 CA 효소 덕분에 산도 발생하고 이산화탄소도 재빨리 발생(휘발)하여 그 자극이 강력해지는 것이다. 이 효소의 작용은 효소 중에서 매우 빠른 편에 속해서 1초에 약 100만 번까지 이산화탄소를 탄산의 형태로 혹은 탄산을 이산화탄소의 형태로 변환시킬 수 있다.
사실 이산화탄소와 탄산은 호흡을 하는 이상 어쩔 수 없이 생기는 필연적인 부산물이기도 하지만 우리 몸에서 삼투압과 이온교환을 하는 결정적인 역할을 하는 분자이기도 하다. 우리 몸은 삼투압과 동시에 양이온과 음이온의 균형도 맞추어야 하는데, 우리 몸에서 쓰는 미네랄은 주로 양이온이다. Na+, K+, Ca+, Mg+같은 것이다 음이온에서 Cl- 다음으로 중요한 역할을 하는 것이 바로 HCO3이다. 위나 콩팥에서 이온교환에도 중요한 역할을 한다. 만약 콩팥에 CA효과 없다면 콩팥은 제대로 작동하기 힘들 것이다. 효소에 이상이 생기면 녹내장이나 산성혈증, 골석화증 등의 질병이 생긴다고 알려졌다. 사실 우리의 몸은 촉각, 후각, 그리고 뇌와 혈류 등 다양한 수준에서 이산화탄소를 감지한다. 단지 우리가 그 기작을 잘 몰랐을 뿐이다. 이산화탄소를 탄산으로 바꾸고 탄산의 형태로 이산화탄소를 비축하여 광합성을 하는 식물도 있고, 우리 몸도 엽산이 관여하는 단일탄소대사를 통해 오르니틴이 시트루린을 거쳐 다시 아르기닌으로 재생되는 과정에서 탄산이 쓰이고, 글루타민에서 피리미딘계 핵산물질이 만들어질 때도 그 시작 물질로 탄산이 쓰인다.
우리는 새로운 음식을 좋아하지만 진정한 감동은 익숙한 음식에서 느낀다. 사실 탄산의 어떠한 생리적인 기작보다는 감각적으로 기분 좋은 느낌이 훨씬 크고 우리 몸에 진화적으로 숨겨진 욕망이 더 큰 역할을 하는 것 같다. 그런데 많은 사람들이 무작정 탄산음료는 건강의 적으로 비난한다. 도대체 이해하기 힘든 불균형한 시각이다. 뭐든 많이 먹으면 문제가 생기는데, 탄산음료는 인기가 많아 많이 소비되는 음료일 뿐, 건강에 해로운 성분이 다른 어떤 음료보다 많은 음료가 인다. 미국에서 소다수는 금주령의 시기에 성인에게 커다란 위안이기도 했고 그것이 콜라의 탄생을 촉진하기도 했다. 탄산의 거품은 칼로리 없이 음식의 질감과 모양 그리고 우리가 먹고 마실 때 느끼는 즐거움을 획기적으로 높여주는 매력적인 요소인 것이다.