산화 스트레스(영어: oxidative stress)는 활성산소종(ROS)의 생성과 이를 해독하거나 그로 인한 손상을 복구하는 생물학적 시스템의 능력 사이에 발생하는 불균형을 의미한다. 이 개념은 1985년 독일의 생화학자 헬무트 지스(Helmut Sies)에 의해 처음 정립되었으며, 이후 생물학 및 의학 분야에서 핵심적인 개념으로 자리 잡았다.
정의
산화 스트레스의 초기 정의는 "산화제와 항산화제 사이의 불균형이 산화제 쪽으로 기울어진 상태"였다. 이후 연구가 진전됨에 따라 정의는 보다 정교화되었으며, 현재는 "정상 상태의 활성산소종 농도가 일시적 또는 만성적으로 증가하여 세포의 대사 및 신호전달 경로를 교란하고, 생체 고분자에 산화적 변형을 초래하는 상황"으로 정의된다. 이러한 불균형은 단백질, 지질, DNA를 포함한 세포 구성 요소에 손상을 일으킬 수 있다.
주요 활성산소종
산화 스트레스와 관련된 주요 활성산소종으로는 초과산화물 음이온(O₂⁻), 과산화수소(H₂O₂), 하이드록실 라디칼(•OH), 일중항 산소(¹O₂) 등이 있다. 이 중 과산화수소는 라디칼이 아니지만 세포 신호전달에서 중요한 역할을 하며, 하이드록실 라디칼은 반응성이 가장 높아 세포 구성 요소를 직접 산화시킨다.
생성 원인
세포 내 활성산소종의 주요 생성원은 미토콘드리아 전자전달계이다. 그 외에도 NADPH 산화효소, 크산틴 산화효소, 시토크롬 P450 등 다양한 효소들이 활성산소종을 생성한다. 외인적 요인으로는 자외선, 전리 방사선, 대기 오염, 담배 연기, 특정 약물 등이 있다.
생물학적 영향
산화 스트레스는 양면성을 가진다. 과도한 산화적 공격은 생체 분자에 손상을 초래하지만, 생리적 수준의 산화적 자극(산화적 유스트레스, oxidative eustress)은 세포 신호전달을 통해 생명 현상을 조절하는 데 필수적이다. 이러한 이중성은 Nrf2/Keap1, NF-κB/IκB와 같은 분자 스위치에 의해 조절된다.
분류
산화 스트레스는 시간 경과에 따라 급성 산화 스트레스(수분 이내)와 만성 산화 스트레스(수시간~수일 이상)로 분류된다. 강도에 따라서는 기저 산화 스트레스, 저강도 산화 스트레스, 강한 산화 스트레스, 매우 강한 산화 스트레스로 구분된다. 최근에는 생리적 산화 스트레스(oxidative eustress)와 병리적 산화 스트레스(oxidative distress)를 구분하는 개념이 도입되었다.
관련 질환
산화 스트레스는 다양한 질환의 발병 및 진행에 관여하는 것으로 알려져 있다. 대표적으로 심혈관 질환(죽상경화증, 심부전, 허혈-재관류 손상), 신경퇴행성 질환(알츠하이머병, 파킨슨병, 루게릭병), 암, 당뇨병, 만성 염증성 질환, 노화 과정 등이 있다. 다만 산화 스트레스가 이러한 질환의 원인인지 결과인지에 대해서는 명확히 밝혀지지 않은 부분이 있다.
항산화 방어 시스템
생체는 산화 스트레스에 대응하기 위해 효소적 및 비효소적 항산화 방어 시스템을 갖추고 있다. 주요 항산화 효소로는 초과산화물 불균등화효소(SOD), 카탈라아제, 글루타티온 과산화효소가 있으며, 비효소적 항산화제로는 글루타티온, 비타민 C, 비타민 E, 폴리페놀 등이 있다.
측정의 한계
산화 스트레스는 동적인 개념이므로 직접 측정이 어렵다. 실제 임상 및 연구에서 사용되는 검사법들은 대부분 산화 스트레스 자체가 아니라 그 결과로 발생한 산화적 손상(지질 과산화, DNA 산화, 단백질 산화 등)을 측정한다. 대표적인 바이오마커로는 말론디알데하이드(MDA), 8-하이드록시데옥시구아노신(8-OHdG), 단백질 카르보닐 등이 있다.
