[교양과학지식]콜라겐(Collagen)의 모든것 1부

콜라겐(Collagen)

 

콜라겐은 인간을 비롯한 동물의 체내에서 세포와 세포사이를 연결하는 세포 접착 및 고리사슬 같은 역할을 하는 아주 중요한 섬유상태의 경단백질(albuminoid)로 ‘교원질’(膠原質)이라고도 불린다.

피부의 75% 이상이 콜라겐으로 구성되어 있으며, 인체의 단백질 중 1/3 이상이 콜라겐이다.

콜라겐은 인체의 가장 중요한 구조 단백질로 3개의 단백질 띠가 나선형으로 꼬여서 이루어져 있으며, 이러한 독특한 구조 때문에 콜라겐은 강한 장력강도를 갖는다.

콜라겐은 인체의 조직과 장기를 감싸거나 보호하는 기능을 하고 피부, 힘줄, 연골, 혈관과 치아 등의 중요한 섬유상 요소로 몸의 형태를 지탱해 준다. 또한 인체의 뼈는 칼슘과 인 등을 비롯한 미네랄들이 콜라겐과 함께 구성되어 있다.

그물망처럼 생긴 콜라겐 네트워크는 세포와 세포를 서로 단단하게 접착시켜주며, 세포가 만들어지고 혈관, 뼈, 관절 등 인체의 많은 부분이 제 기능을 하도록 도와주는 환경을 제공한다.

노화가 진행됨에 따라 콜라겐이 줄어들면서 피부뿐만 아니라 관절과 혈관 등도 영향을 받게 된다.

 

콜라겐의 분포

 

세포가 다수 집합되어 있는 부위에는 반드시 콜라겐이 존재하고 있다. 그 때문에 콜라겐은 단세포의 동물에는 존재하지 않는다. 반대로 말한다면, 콜라겐이 있기 때문에, 다세포 동물을 존재할 수 있다.

 

피부, 뼈, 연골, 혈관벽, 치아, 근육 외에 물고기의 비늘 등에는 콜라겐이 다량으로 존재하고 우리 몸을 구성하는 단백질 중 무려 1/3을 차지하는 중요한 성분이다. 콜라겐이 있어 세포와 세포를 연결시켜 주며, 소장에서 흡수된 영양소가 콜라겐을 매개체로 각 세포에 전해진다. 또한 노폐물도 콜라겐을 통해 혈관으로 운반되어 몸 밖으로 배출된다.

 

1. 눈 : 눈의 투명한 수정체는 모두 콜라겐

2. 이 : 상아질의 18%, 잇몸이나 치근 막도 주로 콜라겐

3. 손 발 톱 : 주성분인 케라틴은 구조적으로 콜라겐과 비슷

4. 내 장 : 각종 내장을 반투명막이 싸고 있는데 그막이 콜라겐

5. 관 절 : 뼈와 뼈를 이어주고 있는 연골의 50%가 콜라겐

6. 뼈 : 칼슘과 뼈세포를 연결하고 있는 것이 콜라겐이며 뼈중량의 20%가 콜라겐

7. 혈관 : 혈관의 구성이 대부분 콜라겐 요소

8. 피부 : 표피 아래 진피의 70%가 콜라겐

 

콜라겐의 구성과 구조

섬유상 고체로 존재하며, 전자현미경으로 보면 복잡한 가로무늬 구조로 되어 있다. 물 ,묽은 산, 묽은 알칼리에 녹지 않지만 끓이면 젤라틴이 되어 용해된다. 트립신 등 단백질 분해효소의 작용은 받기 어렵고, 콜라게나아제의 작용을 받는다. 조직으로부터의 분리는 유기용매 추출, 산 ·알칼리처리 후 트립신 ·히알루로니다아제를 작용시켜 불용성 물질을 콜라겐으로 얻는다. 구성 아미노산은 프롤린 ·옥시프롤린 ·글리신 ·글루탐산 등이며, 그 중에서도 다른 단백질에 존재하지 않는 옥시프롤린의 함량이 높다는 것이 특징이다.

 

콜라겐은 순수한 단백질이며, 단백질을 구성하고 있는 아미노산 중 지용성 아미노산인 트립토판(Tryptophane)과 황화아미노산인 시스틴(Cystine)을 전혀 함유하지 않은 양질의 단백질이다. 콜라겐의 강력한 접착성은 세포와 세포의 연결 작용에 개입하고 높은 수분 보유능력은 세포막을 보호하는 수화막(Hydrated membrane)의 유지를 보존하므로 피부, 장기, 뼈 등의 노화를 억제하고 30%의 칼슘을 함유하고 있는 콜라겐은 뼈조직의 유연성을 제공해 준다.

 

피부, 힘줄, 뼈 등 대표적인 결합조직에 있어서 콜라겐의 대부분은 녹지 않는 상태, 즉 섬유의 형태로 존재한다. 이 섬유는 전자현미경으로 관찰하면 67nm에서 줄무늬가 보인다. 이것은 콜라겐 섬유의 큰 특징으로써 형태학자는 이 줄무늬를 가진 섬유를 발견하면 콜라겐 섬유라고 단정한다. 동물의 몸으로부터 콜라겐섬유를 추출하여 묽은 소금물(식염수)이나 묽은 초산 속에 담그고, 냉장고 속에서 1～2일간 휘저어 둔다.

그러면 섬유로 되어 있는 콜라겐 일부분이 녹아 나와 끈적한 용액이 얻어진다. 이 용액은 콜라겐의 분자가 용매 속에 분산된 것이다. 이것을 재료로 하여 콜라겐의 분자나 형태가 지금으로부터 약 30년이나 전에 연구되었다. 그 결과 콜라겐의 분자는 분자량이 약 30만이고, 굵기 약 1.5nm, 길이 약 300nm의 길쭉한 막대 모양을 하고 있다는 것을 알았다.

세포 속이나 혈액 속에서 녹은 상태로 있는 보통의 단백질은 일반적으로 둥근 모양(형)을 하고 있으므로 콜라겐의 분자는 매우 독특한 형태를 하고 있는 셈이다. 막대 모양이라고는 하여도 콜라겐의 분자의 형상은 매우 가느다랗고 긴 막대 모양이다. 굵기와 길이의 비가 약 1:200이다. 이렇게 가늘고 긴 것이 실뭉치 같은 모양으로 되지 않고 막대와 같은 형상을 하고 있는 것은 매우 흥미롭다. 

콜라겐 분자가 이와 같은 형상을 유지할 수 있는 비밀은 그것이 독특하게 세 가닥 나선구조를 가진 데에 있다. 즉 콜라겐 분자는 아미노산 약 1000개가 결합된 사슬 세 가닥으로써 이루어져 있고, 사슬의 하나하나가 나선을 형성하며, 서로 감겨서 복합 세 가닥 나선을 형성하고 있다. 다만 분자의 양끝, 즉 머리와 꼬리에는 나선을 만들고 있지 않는 짧은 사슬이 붙어있다. 이것은 약 12~27개의 아미노산으로 구성된 비나선 구조인 텔로펩타이드(telopeptide)인데, 이 펩타이드의 배열순서(peptide sequence)는 각각의 종마다 다르므로, 면역반응을 일으키는 주된 원인이 된다. 피부, 힘줄, 뼈 등의 주성분인 콜라겐은 세 가닥 사슬 중 두 가닥이 같고, 다른 한 가닥이 다르다.

 

옛날에는 몸속의 콜라겐은 모두 같은 것이라고 생각되었으나, 약 10년 전에 치아, 피부, 뼈 등의 콜라겐과는 다른 콜라겐이 연달아 발견되었다. 그래서 피부, 뼈의 주성분인 콜라겐은 1형이라고 불리게 되었다. 그것에 대해 연골에는Ⅱ형, 혈관 벽에는 Ⅲ형, 신장의 사구체막에는 Ⅳ형의 콜라겐이 발견되어 있다. 즉 여러 가지 장기의 구조나 기능에 대응하여 다양한 콜라겐이 존재하고 있는 것이다. 콜라겐의 용액을 가열하면 막대 모양의 콜라겐 분자 구조가 파괴된다. 나란하던 세 가닥의 나선 구조가 파괴되어, 세 가닥의 사슬이 제멋대로 흩어져서 각각이 실뭉치로 모양의 제멋대로의 형태를 만든다. 이것이 젤라틴이다.

콜라겐 합성

콜라겐은 피부의 진피층에 있는 섬유아세포에서 합성된다. 섬유아세포는 피부의 다른 구조적 물질인 엘라스틴, 글리코스아미노글리칸 [GAG]등을 생산한다. 콜라겐이 피부의 볼륨감, 주름 등에 관여한다면 엘라스틴은 피부가 신축성 [수축/ 이완]을 갖도록 해준다. 글리코스아미노클리칸은 진피층에 수분을 공급해주는 가장 기본적인 물질이다.

피부의 구조적 단백질 생산을 시작하거나 시작을 알리는 신호를 위해 섬유아세포의 외부 세포막에는 신호분자의 형태와 일치하는 모양의 특별한 수용체가 있다. 이 수용체는 콜라겐 생산을 지시하는 신호분자를 섬유아세포에 붙잡아 두는 역할을 한다. 수용체가 섬유아세포성장인자 [FGF]라고 불리는 정확한 신호분자와 결합하게되면 섬유아세포는 콜라겐 생산을 시작한다.

섬유아세포는 처음에는 프로콜라겐이라고 불리는 작은 단위의 콜라겐을 생산한다. 프로콜라겐은 섬유아세포의 외부로 이동하고 다시 완전한 콜라겐 분자를 만들기 위해 서로 결합하게 된다.

비타민 C는 이 과정의 많은 단계에서 중요한 역할을 수행한다. 충분한 양의 비타민 C가 없다면, 콜라겐 생산은 중단된다.

콜라겐 합성은 손상된 콜라겐 섬유를 대체하고 회복시키거나, 새로운 세포 구조를 만들기 위해서 평생 동안 지속적으로 일어난다. 나이가 들수록 콜라겐 생산의 감소 및 기능이 퇴화된 콜라겐의 증가 등으로 인해여 콜라겐의 양은 줄어들게 된다.

콜라겐의 노화

 

콜라겐은 몸속에서 신진대사를 계속하고 있다. 장 속에서 일단 아미노산으로 분해된 후 흡수되어 몸속에서 새로운 콜라겐이 생성된다.

 

콜라겐은 나이가 들수록 체내에서 합성하는 힘을 잃게 된다. (참고로 40세는 18세에 비해 절반 이하가 된다고 한다.) 어려서는 많이 합성되나 18세 정도가 되면 그 속도는 급속히 떨어진다. 신진대사가 둔해져, 오래된 콜라겐이 분해되지 않고 계속 축적되면 콜라겐을 합성하는 재료도 부족해짐으로써 콜라겐의 신진대사가 점점 나빠진다. 아기들의 온 몸이 매끌매끌한 것은 체내에 콜라겐이 가장 많고 세포의 활성도가 좋기 때문이며, 연령이 늘고 콜라겐의 보급이 감소되는 시가에 이르면 세포의 탈력과 윤기가 떨어지고 피부가 거칠어지기 시작한다. 이 시기에는 뼈와 혈관 및 머리카락까지 여향을 주어 결국 머리카락은 가늘어지며 빠지고 무릎과 허리는 아파오면서 노화가 진행된다.

콜라겐의 퇴화

콜라겐 손상은 인체 내에서 자연적으로 발생하여 피할 수 없는 과정이지만 자외선 노출, 환경적 스트레스 등은 콜라겐 퇴화를 부추기는 요인이 된다. 자외선 노출, 오존, 오염, 흡연 같은 환경적 스트레스로 인한 염증은 모두 프리라디칼을 생산하며 이 프리라디칼은 콜라겐 섬유를 약화 및 산화시키는 원인이 된다.

또한 프리라디칼이 일으키는 산화에 대한 반응으로 과량의 메탈로프로티나제[MMP] 효소가 생산된다. 콜라게나제는 콜라겐을 퇴화시키는 주요 메탈로프로티나제[MMP]이다.

메탈로프로티나제[MMP : 특히 콜라게나제]의 정상적인 기능은 새로운 콜라겐을 형성 하는데 사용되는 콜라겐 조각을 생산하기 때문에 일광 화상이나 프리라디칼에 의해 손상된 조직을 치유하는데 있어 필수적이다. 세포 생산 과정과 가용에너지가 감소할수록 이 효소들은 기능에 문제가 생기게되어 콜라겐메트릭스에서 구조가 흐트러진 부분이 나타난다. 이렇게 약화된 부분은 결국 주름으로 발전하게 된다.

콜라겐과 뼈

 

뼈는 콜라겐 섬유에 칼슘이 흡착하여 형성된다. 즉, 콜라겐 섬유를 철골로, 칼슘을 콘크리트로 하여 뼈라는 구조물을 만들어낸다. 철골(콜라겐섬유)이 오래되면 콘크리트(칼슘)와의 결합력이 약해져서 건물(뼈대)이 붕괴되는 것이다. 콜라겐이 신선할 때는 칼슘 흡착율도 높지만, 콜라겐이 오래되면(노화) 흡착력이 떨어져서 뼈가 버석버석한 상태가 된다. 골다공증은 뼈의 칼슘이 빠져나가 뼈가 약해지는 증상이다. 보통 칼슘의 중요성만 강조되고 있는 경향이 있지만, 그 전에 콜라겐과 칼슘이 단단히 결합해야한다는 사실을 잊어서는 안된다.

 

연골은 탄력성를 유지하기 위해 수분을 많이 함유할 필요가 있는데, 그 역할을 하는 것이 이 연골의 50%를 차지하고 있는 콜라겐이다. 콜라겐이 노화하면 수분을 함유하기 어렵게 되고, 연골의 마모도 빨라진다. 연골이 마모되면 딱딱한 뼈끼리 부딪치게 되므로 뼈의 모양이 바뀌거나 통증을 느끼게 된다. 이것이 변형성 관절염 또는 변형성 요추증으로 불리는 것으로 약으로는 원래 상태로 되돌릴 수 없다.

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