독성학이란 무엇인가? - 독성학의 개념과 기본 용어

독성학이란 무엇인가?

독성학은 본래 "독에 관한 과학"으로 정의되며, 시간이 흐르면서 화학물질이나 물리적 특성을 가진 물질이 생명체에 미치는 해로운 영향을 연구하는 학문으로 발전해왔습니다. 독성학의 주요 목표는 다양한 물질들이 어떻게 생명체에 부정적인 영향을 미치는지 이해하는 것이며, 그 해로움은 즉각적인 사망에서부터 몇 년 후에 나타날 수 있는 미세한 변화까지 다양합니다. 이 영향은 특정 기관이나 세포의 형태 변화, 또는 생화학적인 변화를 포함할 수 있습니다.

 

독성물질이 체내에서 미치는 영향에 대한 연구는 의학 발전과 함께 진행되어왔습니다. 해부학적, 생리학적 변화들이 나타나기 전, 사실상 생체 내에서 감지되지 않은 화학적 변화들이 존재했다는 사실을 알게 되었습니다. 독성학의 발전은 초기 인류가 독을 포함한 식물이나 동물을 구분하여 이를 전쟁이나 사냥에서 사용하기 시작한 때로 거슬러 올라갑니다. 기원전 1,500년경 기록에 따르면 독미나리, 아편, 독화살, 특정 금속들이 중독 또는 처형의 도구로 사용되었음을 알 수 있습니다.

 

세월이 흐르며, 독성학은 중요한 사건들을 통해 발전했고, 그 중에서도 소크라테스, 클레오파트라, 클라우디우스와 같은 역사적 인물들이 독에 의해 생명을 잃은 사례는 주목할 만합니다. 르네상스와 계몽시대에는 독성학의 기초가 세워졌으며, 파라셀수스와 올파라의 연구가 이 분야에 중요한 영향을 미쳤습니다.

 

파라셀수스(Paracelsus)는 식물과 동물의 독성을 유발하는 특정 화학물질을 규명했습니다. 그는 또한 물질의 양에 따라 생명체가 어떻게 반응하는지에 대해 기록을 남겼습니다. 그의 연구는 적은 양의 물질은 해가 없거나 오히려 유익할 수 있지만, 과도한 양은 독성이 될 수 있다는 사실을 밝혔습니다. 이는 현대 독성학에서 중요한 개념인 용량-반응 관계로 알려지며, 파라셀수스의 유명한 말인 "모든 물질은 독이다: 독이 없는 것은 없다. 적절한 양이 독과 약을 결정한다"는 말로 종종 인용됩니다.

 

스페인 출신 내과의사 올피라(Orfila)는 독성학의 창시자로 평가되며, 그는 독의 화학적 성질과 생물학적 성질이 어떻게 상호작용하는지 체계적으로 정리한 첫 번째 인물입니다. 또한, 부검을 통해 독이 특정 장기에 미치는 영향을 증명하며 독성학의 기초를 다졌습니다.

20세기에 들어서는 독성학에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. DNA와 생체 기능을 유지하는 다양한 생화학 물질들이 발견되었고, 오늘날 우리는 독성작용이 세포 내 분자 수준에서 발생하는 방식까지 이해하고 있습니다. 모든 독성작용은 결국 세포 내 분자들과 생화학 물질의 변화에서 기인한다고 여겨지고 있습니다.

 

생체이물(Xenobiotics)은 외부에서 생체로 유입된 물질을 의미하는데, 이 용어는 그리스어 'xeno'에서 유래된 "이방인"이라는 뜻에서 비롯되었습니다. 생체이물은 의약품처럼 유익한 효과를 낼 수도 있고, 납처럼 독성을 일으킬 수도 있습니다. 파라셀수스가 말한 대로, 물질이 독이 될지 약이 될지는 그 양에 따라 결정됩니다. 적은 양은 독성이 없거나 유용할 수 있지만, 그 양이 많아지면 독성이 되어 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.

이와 같은 개념을 보여주는 여러 사례들이 있습니다.

 

알기 쉬운 독성학의 이해, 2007 발췌

 

독성학 기본 용어

독성학은 의학의 일부로 포함되어 있으며, 이로 인해 독성학에서 사용되는 많은 용어들이 의학용어와 겹칩니다. 이 용어들은 종종 매우 전문적이지만, 일부는 일반적으로 다양한 분야에서 사용되기도 합니다. 이번에는 이러한 용어들에 대해 다뤄보겠습니다.

독성학은 화학물질이나 물리적 특성을 가진 물질이 생체에 미치는 해로운 영향을 연구하는 학문입니다. 독성학자는 이러한 물질의 유해작용을 규명하고, 그 작용과 관련된 세포학적, 생화학적, 분자 수준의 기전을 연구하는 전문가입니다.

하지만 문헌에서는 독성작용을 일으키는 물질에 대한 용어나 정의가 항상 일관되게 사용되지 않기도 합니다. 가장 일반적으로 사용되는 용어는 독물(toxicant), 독소(toxin), 독(poison), 독성제제(toxic agent), 독성물질(toxic substance), 독성화학물질(toxic chemical) 등이 있습니다. 이러한 용어들은 종종 서로 바꿔서 사용되지만, 약간의 차이가 있습니다.

독성제제는 유해한 생물학적 영향을 일으킬 수 있는 물질을 의미하며, 그 형태는 화학적, 물리적 또는 생물학적일 수 있습니다. 예를 들어, 청산(cyanide)은 화학적 형태, 방사능(radiation)은 물리적 형태, 뱀독(snake venom)은 생물학적 형태로 분류됩니다.

 

질병을 일으키는 생물학적 유기체는 독성시약과는 구별됩니다. 이러한 유기체들은 숙주에 침입하여 번식하는 특성을 가지고 있으며, 그들의 작용은 생물학적 활성을 통해 나타납니다. 따라서 이들은 독성 물질로 분류되지 않습니다. 예를 들어, 세포막을 손상시키고 세포사를 일으키는 바이러스가 있습니다.

그러나 침입한 유기체가 독성 화학물질을 분비하는 경우, 그 물질은 생물학적 독소(biological toxin)로 간주됩니다. 이 경우, 물질을 생성한 유기체를 독성유기체(toxic organism)라고 부릅니다. 예시로 파상풍을 들 수 있습니다. 파상풍은 박테리아 Clostridium tetani에 의해 발생하는데, 이 박테리아는 세포에 직접 침입해 세포를 파괴하지 않고, 대신 분비된 독소가 신경계로 이동하여 질병을 일으킵니다(신경독소).

독성물질은 단순히 독성을 가진 물질을 총칭하는 말로, 단일 화합물일 수도 있고 혼합물일 수도 있습니다. 예를 들어, 크롬산납(lead chromate), 석면(asbestos), 가솔린(gasoline) 등이 독성물질에 해당됩니다. 크롬산납은 단일 성분의 독성 화학물질에 속하며, 석면은 여러 섬유소와 광물질로 이루어진 독성원료입니다. 또한 가솔린은 다양한 화학물질들이 혼합된 독성물질입니다. 가솔린의 화학 성분은 옥탄수준, 제조사, 계절 등 여러 요인에 따라 달라질 수 있습니다.

독성물질은 그 조성에 따라 유기물과 무기물로 구분할 수 있습니다. 유기 독성물질은 탄소를 포함한 화합물로, 보통 생명체와 관련이 있습니다. 예를 들어, 벤젠, 디클로로벤젠, 파라콰트 등은 유기 화합물로 독성을 나타낼 수 있습니다. 이러한 유기 독성물질들은 환경에 노출되거나 인간의 체내에 들어가면 다양한 생리적 변화를 일으킬 수 있습니다.

반면, 무기 독성물질은 탄소를 포함하지 않는 화합물로, 금속과 같은 원소들이 포함된 물질들이 주로 해당됩니다. 예를 들어, 납, 수은, 카드뮴과 같은 금속은 강력한 독성을 가지고 있으며, 체내에서 축적되거나 외부 환경에서 인체에 해를 끼칠 수 있습니다. 무기 독성물질은 생리적 기능에 장애를 일으킬 수 있으며, 종종 중금속 독소로 분류됩니다.

독성물질은 크게 전신독소와 장기독소로 나눌 수 있습니다. 전신독소는 몸의 특정 부위에만 영향을 미치는 것이 아니라, 전신적으로 영향을 주어 여러 장기와 세포에 독성을 나타냅니다. 예를 들어, 청산칼륨(potassium cyanide)은 산소를 사용하는 모든 세포에 영향을 미쳐, 몸의 모든 장기와 세포에 독성을 발휘합니다.

반면, 장기독소는 신체의 특정 장기나 조직에만 독성을 미치는 물질입니다. 이러한 독성물질은 특정 부위에 집중적으로 영향을 미치므로, 이를 표적장기(target organs) 또는 표적조직(target tissues)이라고 부릅니다.

    - 벤젠(benzene)은 주로 혈액 생성 조직에 영향을 미치며

    - 납(lead)은 중추신경계, 신장, 조혈기관 등 세 가지 주요 장기에 독성을 나타냅니다.

 

또한, 독물은 특정 장기에 있는 특정 조직, 예를 들어 결합조직에 영향을 미치기도 합니다. 이러한 부위는 표적조직(target tissues)이라고 하며, 독성물질이 세포의 구조나 기능에 영향을 줄 수 있는 부위를 나타냅니다.

신체에는 다양한 유형의 세포들이 존재하며, 이들은 여러 방법으로 분류될 수 있습니다.

    예를 들어,

    - 세포는 기본적인 구조에 따라 구분될 수 있으며(예: 입방형 세포들)

    - 특정 조직에 맞는 세포들이 있을 수 있습니다(예: 간세포)

    - 또는 생식세포(배세포)와 같은 특수한 유형으로 구분될 수 있습니다(예: 난자와 정자)

    - 체세포 (예: 몸의 비생식세포)

 

배세포(Germ cell)는 생식과정에 관여하는 세포로, 새로운 개체를 만들 수 있는 능력을 가지고 있습니다. 이들은 특정 성에 해당하는 염색체 세트를 하나씩 가지며, 남성의 경우 정자로, 여성은 난자로 발달합니다. 배세포에 대한 독성은 태아의 발생에 영향을 미칠 수 있으며, 선천적 결손이나 유산 등을 유발할 수 있습니다.

반면, 체세포(Somatic cell)는 생식세포를 제외한 모든 신체 세포를 의미합니다. 체세포는 두 세트의 염색체를 가지고 있으며, 독성물질에 노출될 경우 피부염, 사망, 종양 등 다양한 독성작용을 초래할 수 있습니다. 체세포에 대한 독성은 개체에 직접적인 영향을 미치며, 그 결과로 신체 기능에 변화를 일으킬 수 있습니다.