생물학적 과정과 온도의 관계

사진: Unsplash 의 Jarosław Kwoczała

 

 미국 옐로스톤 국립공원의 뜨거운 온천에서부터 -80°C 이하로 떨어지는 남극대륙의 내륙까지 생물이 살아가는 환경의 온도는 엄청나게 다양하다. 그러나 일반적으로 살아 있는 세포는 좁은 범위의 온도 내에서만 활동할 수 있다. 체온조절 적응의 진화로 인해 내부 환경에서 적절한 온도 조건을 유지할 수 있게 되었다.
온도는 살아 있는 생물계에 영향을 미친다 만일 세포를 O°C 이하로 냉각시키면, 얼음결정이 형성되어 세포 구조를 손상한다. 일부 동물은 동결을 방지하는 혈액 속한 동결 분자와 같은 적응을 나타내며, 다른 동물은 결빙에서 생존할 수 있다. 하지만 세포는 일반적으로 동결 온도 이상에서 생존할 수 있다. 단백질 변성 때문에 대부분의 세포가 생존할 수 있는 온도의 상한선은 약 45°C이다. 하지만 일부 특수한 조류는 70°C의 온천에서 생장할 수 있고, 일부 고균은 100°C 근처에서도 살아간다.

 대부분의 세포가 생존할 수 있는 온도 범위가 0~40°C이지만, 대부분의 좋은 적절한 기능을 위해 훨씬 더 좁은 온도 범위를 나타낸다. 이 범위 내에 머물러 있기 위해 동물들은 체온조절 적응을 나타내며, 이것은 동무들이 극단적인 조건을 견디거나 환경 조건에도 불구하고 자신의 체온을 조절할 수 있게 해준다. 이들 적응은 종의 열 내성을 좌우하여 이들의 지리적 범위를 결정할 수 있다. 현재 전 세계적으로 일어나는 것처럼 환경이 급격하게 변할 때, 동물은 자신의 열 내성을 초과하는 범위에 놓일 수 있다. 이것의 좋은 예로 1장의 도입 부분에서 논의한 산호초 형성 산호가 있다.
Q10은 온도 민감도의 척도이다. 0~40°C 범위에 있더라도 체온 변화는 동물에게 문제를 일으킨다. 대부분의 생화학 반응과 이 반응이 관계된 생리적 과정은 온도에 민감해서 높은 온도에서는 빠르게 진행된다. 반응이나 과정의 온도 민감성은 Q10으로 설명될 수 있는데 이것은 특정 온도에서 어떤 과정이나 반응의 속도를 그보다 10°C 낮은 온도에서 동일한 과정이나 반응의 속도로 나눈 것이다.
 Q10은 단순한 생화학 반응이나 산소 소비율과 같은 복잡한 생리적 과정에 대해 측정될 수 있다. 만약 어떤 반응이나 과정이 온도에 민감하지 않다면, 이것의 Q10은 1이다. 대부분의 생물학적 Q10값은 2와 3 사이에 있다. Q10이 2라는 것은 온도가 10°C 증가함에 따라 반응속도가 2배가 된다는 것을 의미하고, Q10이 3이라는 것은 10°C 온도 범위에 걸쳐 반응속도가 3배가 된다는 것을 가리킨다.

 

 체온의 변화는 동물의 생리를 교란할 수 있다. 왜냐하면 동물의 물질대사를 구성하는 모든 생화학 반응이 동일한 Q10을 가지지 않기 때문이다. 이들 생화학 반응은 복잡한 그물망으로 서로 연결되어 있다. 즉, 한 반응의 생성물이 다른 반응의 반응물이 된다. 서로 다른 반응들 은 조직에서 서로 다른 Q10을 가지기 때문에 조직 온도의 변화는 일부 반응의 속도를 다른 반응보다 더 많이 변화시켜 전반적인 반응의 그물망을 붕괴시킨다. 따라서 항상성을 유지하기 위해서 생물은 체온의 변화를 보상하거나 막아야 한다.

 동물은 계절적인 온도 변화에 순화한다. 일부 동물(특히 수생동물)의 체온은 환경의 온도와 결부된다. 예를 들어, 연못 속 물고기의 체온은 수온과 동일해서 겨울의 4℃에서부터 여름의 24℃까지 변할 수 있다. 만약 이 물고기를 여름에 실험실로 가져와 산소 소비와 같은 생리학 및 생화학적 과정을 측정한다면, Q10 관련성을 입증할 수 있을 것이다. Q10 관련성에 기초하여 이 물고기의 산소 소비(대사율)가 겨울에 수온이 더 낮기 때문에 이때 낮아진다는 것을 예측할 수 있을 것이다. 하지만 이 물고기를 겨울에 실험실로 가져와 겨울 연못 기온에서 대사율을 측정한다면, 대사율이 예상한 것보다 더 높다는 것을 알게 된다. 이 물고기의 생화학과 생리적 과정은 수온의 계절적 변화에 순화되어서 이 물고기는 겨울철 수온에도 활동할 수 있다. 이러한 순화의 작용은 무엇일까? 많은 생물은 서로 다른 최적 온도를 가지는 여러 가지 형태를 가진 효소(동실 효소)를 발현한다. 겨울에 생물들은 낮은 온도에서 기질에 대한 최대 친화력을 나타내는 형태의 효소를 발현하고, 여름에는 높은 온도에서 최대 친화력을 나타내는 형태의 효소를 발현한다. 온도순화의 또 다른 작용은 온도의 변화에도 최적의 유동성을 유지하도록 세포막의 조성을 변화시키는 것이다. 동물의 순화는 근본적으로 이들의 대사 기능이 환경의 단기간 변화보다 장기간의 변화에 덜 민감하다는 것을 의미한다.
 작은 온도변화가 큰 생리학적인 효과를 나타낼 수 있다. 사람 중 상당수가 경험한 것처럼 우리 몸이 과열되면 힘든 일을 할 수 있는 능력이 감소한다. 조직의 높은 온도는 세포의 손상을 입힐 수 있기 때문에 근육의 활동을 멈추는 것은 보호 기능을 한다.

 

 피루브산 인산화효소는 근육에서 ATP 생성에 중요한 효소로, 해당과정의 마지막 단계를 촉매하여 피루브산을 생성한다. 이 피루브산은 미토콘드리아로 들어가 대사되어 ATP를 생산한다. ATP가 없으면 근육은 피로하게 된다. 근육의 피루브산 인산화효소는 40℃ 근처에서 불활성화되며, 이는 근육의 기능을 정지시켜 근육의 열 손상을 막는다. 열에 의한 근육 피루브산 인산화효소의 불활성화는 아마도 근육의 열 손상을 방지하기 위한 보호 적응이다. 지금까지 동물이 온도에 의해 어떤 영향을 받는지 알아보았다. 다음 글에서는 동물이 광범위한 온도 환경과 대사 활성에서 생존할 수 있게 한 적응에 대해 자세히 살펴볼 것이다.

 

2025.02.01 - [의학 & 바이오 연구] - 항상성의 비밀: 몸이 균형을 유지하는 방법