에스터라는 말은 1848년에 독일 화학자인 레오폴드 그멜린(Leopold Gmelin)에 의해 만들어졌으며, 그 유래는 독일의 Essigäther에서 시작되었다. 보통적으로 에스터는 특징적인 냄새가 나기 때문에 화장품, 향수, 폴리머 합성 등에 많이 사용된다. 대표적으로 바나나, 오렌지, 사과 등의 냄새를 인공적으로 제품에 첨가되어 있는 것들이 바로 에스터 화합물들이다.
예를 들어, 바나나 또는 사과맛이 나는 제품에는 아세트산 아밀(Amyl acetate)이 사용되며, 파인애플 또는 오렌지 주스의 향미 강화제로는 뷰 티르 산 에틸(Ethyl butyrate)이 사용된다. 오렌지, 자몽 또는 기타 감귤류 제품에는 아세트산 옥틸(Octyl acetate), 배 또는 살구 제품의 향료에는 펜틸부트레이트(Pentyl butyrate)이 사용되기도 한다.
에스터(에스테르, ester)의 합성
에스터를 합성하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 가장 널리 쓰이는 방법은 아래에 나와 있는 것처럼 유기산과 알코올을 합치는 방법이다. 이를 에스터화 반응(esterification reaction)이라고 부른다. 보통 황산과 같은 강한 산을 촉매로 사용한다.
에스터(ester)는 유기화합물의 한 종류로, 하나 혹은 그 이상의 수산기(hydroxy group, -OH)를 가진 유기산의 수산기가 알콕시기(alkoxy group, -OR)로 치환되어 있다. 위 그림은 유기산 (RCOOH)과 알코올 (R1OH)이 결합하여 에스터가 만들어지는 것을 보여준다.
여기서 R, R1은 탄소를 포함하는, 즉 탄소와 연결된 일반적인 부분을 나타내며, 이 과정에서 생성된 물이 빠져있다. 가장 간단한 에스터는 아래 나와 있는 메틸 포름 에스터(methyl formate, HCOOCH3)로, 개미산이라고도 부르는 포름산(formic acid, HCOOH)의 수산기가 메톡시기로 치환되어 있다.
에스터는 결합된 부분 – 위의 R, R1에 따라 매우 다양한 종류가 존재하는데, 그 이름은 알코올 부분과 산 부분에 접미사로 ate를 붙여 사용한다. 위 메틸포름 에스터의 공식 명칭은 methyl formate로, 알코올 부분은 methanol에서 유래한 methyl과 산 부분은 formic acid에서 유래한 부분에 ate를 접미사로 사용하여 만들어졌다.
그 중 메틸 살리실산 에스터는 노루발풀 오일 (oil of wintergreen)이라고 부르는 일종의 허브 (herb)로, 냄새는 좋지만 먹으면 위험하다. 이 에스터는 여러 가지 식물에 존재하며, 살리실산 (salicylic acid)과 메탄올 (methanol)을 반응시켜 합성할 수 있지만 아스피린과 메탄올을 반응시켜 합성할 수도 있다. 아스피린은 산인 동시에 에스터인데, 이 방법이 합성하기에 좀 더 쉽다.
엽산(folic acid)은 인간의 생활에 필수적인 영양소로써 1,3,5,8-tetraazanaphthalene(프테리딘, pteridine; 6 원자 피리미딘 고리와 6 원자 피라진 고리가 융합된 두 개의 고리 구조를 가지고 있는 방향족 화합물) 고리와 4-aminobenzoic acid 그리고 (S)-2-Aminopentanedioic (glutamic) acid의 구조로 구성되어 있다.
특히 임신에 필요한 영영소로써 많이 알려져 있다. 엽산의 기능 중의 하나는 한 개 탄소 조각들과 생체분자 간의 전달로써 임신 중 엽산이 부족하게 되면 조산 저체중아, 척추 파열, 무뇌증 등 선천적 장애를 가진 아이를 출산할 확률이 올라가기 때문에 하루 400㎍의 권장량을 꼭 섭취해주는 것을 권하고 있다. 물론 수용성 비타민이라서 권장량 이상 섭취해도 문제가 없지만 합성 엽산의 경우 과다복용 시 임산부에게 아연 부족 현상을 일으킬 수 있다고 한다.
vitamin D
비타민 D 역시 인간의 생활에 필수적인 영양소이다. 비타민 D의 역할은 아이들이 건강한 뼈로 자라게 하는 것을 도와주며, 결핍 시 뼈에 칼슘이 붙기 어려워 뼈의 변형(안짱다리)이나 성장 장애 등이 일어나는 구루병(rickets)이 일어날 수 있다. 섭취로만 공급할 수 있는 엽산과는 다르게, 비타민 D는 음식으로 섭취해서 공급할 수도 있지만 햇빛(자외선)을 쐬어 인체 내에서 만들 수 있다. 인체 내에서 비타민 D를 합성하기 위해서는 콜레스테롤과 햇빛으로부터 공급되는 자외선 B 복사선(파장 범위 280~315㎚)이다.
엽산, 비타민 D에 따른 피부색의 선택적 진화
인간의 피부색을 보면 아프리카와 같은 열대 지역의 사람들은 검은 피부색을 가졌지만, 서양 유럽 사람들은 하얀 피부색을 가지고 있다. 이와 같은 차이는 위에서 언급한 엽산과 인체 내에서 합성하는 비타민 D와 관계가 있다.
엽산 구조 중 1,3,5,8-tetraazanaphthalene 속 고리의 확장된 방향족 π계(aromatic ring)는 생각보다 자유로운 전자의 움직임이 가능해 자외선을 강하게 흡수하며 구조적으로 변화를 일어난다. 즉, 비타민 D의 합성에 필요한 자외선 B 복사선이지만, 엽산에게는 구조 변형을 일으켜 엽산을 파괴하는 작용을 하는 것이다. 인간은 신체를 보호하는 털이 없어지는 쪽으로 진화해왔고, 햇빛이 강하게 내리쬐는 아프리카의 경우 많은 양의 자외선을 받을 수 있기 때문에 비타민 D의 합성은 원활히 되지만 체내에 저장된 엽산이 파괴돼 인체가 필요로 하는 엽산의 양을 충족시킬 수 없었다. 때문에 아프리카인들은 피부는 많은 양의 UV(자외선)에서 적응하기 위해 피부를 검게 하는 멜라닌 색소의 양을 많이 가지고 태어나는 쪽으로 진화를 해왔고, 그 결과 검은 피부가 되었을 것이다.
여기서 멜라닌 색소란 자외선을 막는 천연 보호막으로 이 멜라닌 세포는 티로시나제(tyrosinase), TRP1, TRP2 등 세 가지 효소의 영향을 받아 멜라닌이라는 어두운 색을 띤 물질을 만들어낸다. 검은색의 멜라닌은 자외선을 흡수해 자외선이 피부 깊숙이 침투하는 것을 막아주고, 세포에게 해를 입히는 유해산소나 유리기를 제거하는 일도 하여 피부의 건강을 유지시켜 준다. 때문에 같은 양의 자외선을 쬐었을 때, 피부가 검은 사람보다 흰 사람에게서 피부암 발생 비율이 월등히 높게 나타난다.
반대로 햇빛을 덜 받는 북쪽 위도의 유럽 사람들은 부족한 자외선으로 엽산은 체내에 필요한 양만큼 충분히 쌓이지만, 비타민 D의 합성이 부족해 결핍이 나타날 수 있었다. 물론 생선 등을 통해서 비타민 D의 흡수가 가능하긴 하지만 매번 생선을 구해서 밥을 먹기란 쉽지 않았을 것이다. 때문에 북유럽 서양인들은 부족한 비타민 D의 보충을 위해 멜라닌 색소를 최대한 줄이고 체내에 자외선을 최대한 많이 흡수할 수 있도록 진화했을 것이다. 즉, 피부를 검게 만드는 멜라닌 색소를 적게 가지고 태어남으로써 하얀 피부로 진화했을 것이다.
피부색에 따른 또 하나의 차이점이라면 피부암을 유발하는 자외선을 차단해주는 멜라닌 색소가 많은 흑인의 경우 피부암에 걸릴 확률이 백인에 비해 상당히 낮다고 한다. 이렇듯 질병에 대한 보호의 관점에서는 백색의 피부보단 흑색의 피부가 더 우월하지만, 서양 백인들의 흑인에 대한 식민지배로 백인이 흑인보다 우월하다는 잘못된 인식을 갖게 되었다. 결과적으로 피부의 진화를 살펴보자면 피부색은 인종적 정체성과는 무관하다는 뜻이며, 단순히 자신이 사는 환경에 맞게 진화해왔다고 설명이 된다.
화학과 법의학은 1863년 스코틀랜드 화학자 제임스 마쉬(James Marsh)가 자신의 이름을 붙인 마쉬 검사를 발표한 이래 불가분의 관계가 되어왔다. 마취 검사는 비소 (As, arsenic)와 안티몬(Sb, antimony)에 대한 검사 방법이다. 19세기 초반 비소 화합물들을 여러 가지 목적에 널리 사용하였으며 그 가격도 저렴하였다. 비소 화합물들은 적은 양으로도 사람을 죽일 수 있을 만큼 치명적이었고, 물에 쉽게 용해되고 냄새와 맛도 없으며, 검출하기 불가능하였기 때문에 당시 비소는 이상적인 독살 독극물로 사용되었다. 비소에 중독된 증상은 위장염과 아주 비슷하기 때문에 당시 많은 살인 사건의 희생자들은 자연사한 것으로 밖에 생각할 수 없었다.
이렇게 비소에 의한 살인이 의심되더라도 그를 증명할 방법이 없었다. 마쉬는 이러한 상황에서 살인자들이 무죄 방면 되는데 절망하여 검사법을 개발하였다. 1832년 마쉬는 할아버지의 커피에 비소를 넣어 살해한 죄로 기소된 존 보들의 재판에서 전문가로서 증언하였다. 의심이 가는 시료와 염산, 황화수소를 섞어 불용성의 삼황화비소(arsenic trisulfide) 침전을 만드는 방법인 표준 검사법을 선보였다. 하지만 실험을 할 당시에 시료는 분해되어 배심원들은 마쉬의 실험 증언을 받아들이지 않았다. 이날 일로 19세기 말까지 법정에서 법의학자의 증언에 신빙성을 두지 않았다. 마쉬는 이런 일이 다시는 일어나서는 안 된다고 생각하였고 신빙성 있는 검사법 개발에 몰두하였다. 이후 질량 분석기와 같은 현대적인 고가의 장비를 갖추지 못한 실험실에서 마쉬가 개발한 방법은 당시로서는 혁명적인 검사법으로 오늘날까지 범죄 수사에서 이용되고 있다.
범죄 수사에 사용되는 과학 원리
초기 범죄 수사 화학자들은 독성 물질들을 검출, 확인하는데 지대한 노력을 하였고, 현재는 과학 수사로 혈액 검출, 금지약물 추정검사, 지문 검사 등으로 확산되었다. 현대 범죄수사학에서는 고전적인 *습식 화학(wet chemistry)을 대신하여 고가의 기기들을 통해 분석을 하고 있지만, 아직 마약 의심 물질을 빠르게 추정 검사를 하는 데 사용될 정도로 습식 화학은 여전히 중요하다. 대표적으로 혈액 검출과 금지약물 추정 검사, 지문검사 분석 방법이 있다.
*습식 화학(wet chemistry) : 물질을 관찰하고 분석하는 사용되는 고전적인 화학 분석 방법의 형태
혈액 검출 방법
20세기 초반 범죄수사학자들은 혈액을 검사하는 방법을 알지 못하였다. 혈액을 검출하는 데 사용할 수 있는 방법은 혈흔을 현미경으로 관찰하여 적혈구 세포를 확인하는 것이었다. 하지만 이 방법은 혈흔이 최근의 것이 아니라면 그 결과를 신뢰할 수 없었다. 이에 많은 살인 용의자의 변호사들은 범죄 증거 중 하나인 혈흔을 녹이나 붉은 페인트라고 주장하여 법망을 빠져나갔는데 당시 범죄 수사학자들은 그런 주장을 반박할 수 없었다.
1901년 켄터키 대학의 조셰프 카스틀(Joseph Kastle) 박사는 간편하고 저렴하면서 신뢰할 수 있는 추정 검사 방법을 개발하였다. 후에 다른 범죄 수사학자의 제안에 따라 이 검사법을 개선하여 오늘날에도 사용되는 카스틀-메이어(Kastle- Mayer) 검사법이 라고 부른다. 이 방법은 코난 도일의 1888년 소설 셜록 홈스에 나오는 방법과 외견상 비슷하여 셜록 홈스 검사법이라고도 부르는데 헤모글로빈을 검사한다. 이 빠르고 저렴한 검사법은 에탄올, 과산화수소, *KM시약을 사용한다. 이 검사법은 비파괴 검사법이기 때문에 나중의 검사를 위해 시료를 보존할 수 있다.
에탄올은 용매로 작용하여 반응에 직접 참여하지는 않는다. 사람이나 동물의 혈액 성분인 헤모글로빈에 존재하는 과산화효소(peroxidase)는 색이 없는 페놀프탈레인을 핑크빛 페놀프탈레인 이온으로 변화시키는 화학 반응의 촉매로 작용한다. 이 효소는 그 효과가 매우 좋아, 효소 분자 한 개가 1초 동안 수백, 수천의 과산화수소 분자를 변환시키는 반응을 일으킬 수 있다. 따라서 극미량의 혈액만 있어도 색 변화를 관찰할 수 있다.
*KM시약: 증류수 100ml, KOH 20g, 아연 가루 30g, 페놀프탈레인 가루 2g을 넣고 2~3시간동안 가열하면 붉은 보라색의 합성물이 무색으로 변하는데 이것을 Kastle-Meyer 시약이라고 부른다.
혈액을 검출할 수 있는 방법 중 다른 하나는 바로 루미놀 반응이 있다. 이는 루미놀(3–아미노프탈히드라디드)과 과산화수소수의 알칼리 혼합액에 혈색소, 또는 헤민이 작용하면 그 촉매작용에 의해 루미놀이 화학 발광하는 현상을 응용한 것이다. 화학발광검사법이라고도 불리는데, 반흔이 KM시약보다 훨씬 빠르며 타액, 정액, 오줌 등과 반응하지 않고 선택적으로 혈액에만 반응하며 1~2만 배로 희석된 혈액에도 반응하기 때문에 현재는 가장 많이 쓰이는 혈액 검출 방법이다. 오래된 혈흔 역시 반응이 예민해서 검출이 가능하다.
금지약물 추정검사
마약 단속반에서는 압수한 물질이 금지 약물인지 즉시 검사할 필요가 있다. 현장에서 압수한 물품에 헤로인과 같은 금지 약물이 있는지 빠르게 판단을 해야 되기 때문에 추정 검사는 마약 단속에서는 꼭 필요한 검사방법이다. 이 금지약물 추정 검사는 소량의 시약들과 먼셀 표색표(Munsell Color Chart)등이 들어있는 키트를 사용하여 간편하게 할 수 있다.
Munsell Color System
금지 약물 추정 검사의 단점은 오류가 생길 수도 있다는 점이다. 금지 약물이 아닌 합법적인 약물이 금지 약물에 대한 양성 반응을 보일 수 도 있다. 이런 오류는 동일 금지 약물에 대하여 여러 가지 추정 검사를 통해 해결할 수 있다.
지문 검사
지문 검사는 범죄수사학의 기초이다. 유리, 매끈한 금속 같은 표면에 있는 지문은 배경 표면과 대비되는 색을 가진 미세한 가루를 뿌리면 드러난다. 하지만 종이와 같은 물질에 잠복한 지문은 미세가루로 찾아내기가 매우 힘들다.
요오드 훈증은 이런 표면에 잠복한 지문을 찾기 위해 개발된 첫 번째 방법이었다. 종이와 같은 시료를 요오드 결정과 함께 통 안에 넣고 요오드를 가열하면 요오드는 승화하여 보라색 증기가 되어 붙는다. 요오드는 고체로 응축하는데 지문에 있는 기름에 선택적으로 흡착하여 흐린 오렌지 표시로 지문을 보여준다. 이는 잠복한 지문에 표시 물질이 물리적으로 결합하는 것에 따르기 때문에 미세가루를 사용하는 원리와 비슷하다. 요오드 증기는 매우 미세한 가루처럼 작용한다. 요오드 훈증은 시료를 파괴하지 않기 때문에 오늘날에도 사용된다. 요오드 증기로 드러난 지문은 요오드가 승화함에 따라 점차 사라지고 시료는 원래 상태가 된다. 이렇게 되기 전에 드러난 지문을 사진으로 찍거나 녹말 수용액으로 처리하여 현상할 수 있다. 요오드-녹말 반응은 무늬를 더 진한 푸른색으로 만들고 이는 몇 주 혹은 몇 달간 남는다. 시료의 원래 상태를 보존하는 것이 중요하지 않으면, 요오드와 반응하여 영구적인 무늬가 되는 용액으로 처리하여 드러난 무늬를 현상할 수 도 있다.
종이와 같은 표면에 있는 잠복한 지물을 찾는 데 사용한 또 다른 방번은 질산은 (silver nitrate)로 현상하는 것이었다. 질산은 용액을 분무하거나 부드럽게 솔질하는 방법인데 질산은은 잠복한 지문에 있는 염(salt)과 반응하여 염화은 (silver chloride)을 만든다. 남아있는 질산은은 시료를 햇빛이나 자외선에 노출한 후에 증류수로 씻어낸다. 자외선은 염화은에 있는 은 이온을 금속은으로 환원시키는데 이는 주황 또는 검은색 표시로 보인다. 시료를 질산은으로 처리하는 것은 비가역적이기 때문에 질산은 방법은 요오드 훈증보다 덜 사용된다.
NaCl(s)+AgNO₃(aq)→AgCl(s)+NaNO₃(s)
세 번째 방법으로는 지문에 미량의 아미노산이 남아 있다는 점을 이용한다. 닌히드린(ninhydrin, C₉H₆O₄)은 아미노산의 분해 생성물과 반응하여 루히만 보라(Ruhemann‘s Purple)이라고 부르는 진한 파란색 또는 파랑-보라색 염료를 만든다. 에탄올이나 아세톤에 녹인 닌히드린 용액을 시료에 분사하면 잠복한 지문이 상온에서 한두 시간 후에 완전히 드러난다. 이과정은 시료를 오븐에서 80~100℃로 가열하면 빨라진다.
실제로 이 방법들을 적용하는 순서는 매우 중요하다. 요오드 훈증은 가역적이기 때문에 항상 제일 먼저 사용된다. 요오드 훈증으로 좋은 결과를 얻지 못하면 닌히드린 방법을 그다음에 적용한다. 닌히드린 방법으로도 좋은 결과를 얻지 못하면 잠복한 지문에 남아있는 미량의 염을 이용하는 질산은 방법을 시도한다. 질산은 방법은 시료에서 지방산과 아미노산을 없애기 때문에 질산은 방법이 실패하면 시료가 사라져 더 이상의 분석은 힘들 수 있다.
유충 호르몬(Juvenile Hormone, JH)이란 곤충의 변태를 조절하는 물질이다. 이 물질은 야생 비단 나방 수컷에서 만들어지고, 적당한 성장 단계에 도달할 때까지 유충의 성장을 지연시킨다. 유충 호르몬에 노출되면 곤충 변태는 번데기 상태에서 멈춘다. 때문에 유충 호르몬에 노출된 모기는 사람을 물고 알을 낳고 번식할 수 있는 성충으로 자라지 못한다. 이를 이용해 말라리아, 황열병, 웨스트나일 바이러스와 같이 모기를 매개체로 하는 질병을 줄일 수 있는 가능성을 가지고 있다.
하지만 유충 호르몬은 불안정하고, 천연적으로 추출하거나 인공적으로 합성하기가 어려워 이러한 잠재 가능성을 실현시키는데 어려움이 있다. 이에 유충 호르몬보다 더 안정적이며, 생체 활성이 유효하고, 인공적으로 합성하기 쉬운 유도체들이 대안으로 고려되어 왔다.
유충 호르몬(Juvenile Hormone, JH)
이러한 상황에서 합성 화합물인 메토프렌(methoprene)이 이러한 상황에서 해결책으로 떠올랐다. 초기 유충 호르몬 유도체의 합성은 생체 활성이 매우 나쁜 화합물들을 얻은 결과와 달리, 메토프렌은 다양한 해충에 대해 1000배의 활성을 보이고 있다. 이는 유충 호르몬과 같은 효과를 나타냄으로 직접적으로 해충을 죽이지는 않지만 성충이 되는것을 막아 살충의 효과를 낼 수 있다. 예를 들어 모기가 숨 쉴 것 같은 지역에 메토프렌을 작은 입자 형태로 살포하면 번데기 상태를 지나 생존하는 것을 막는다. 현재는 벼룩, 모기, 불개미에 효과적이어서 여러 가지 이름으로 시판되고 있다. 또한 메토프렌은 실내의 벼룩 감염을 막기 위해 사용될 수 있어서 기존의 살충제 사용량을 줄일 수 있다는 것이 장점이다. 여기에 메토프렌은 유해하고 강력한 살충제인 DDT와 같은 염소화 살충제와는 다르게 야채에 대해 비교적 낮은 독성을 가지고 있으며, 환경에서 오랫동안 남아있지 않는다. 이 물질은 살포 후 몇 주 또는 몇 개월 동안 안정하지만, 태양 빛에 의해 무해한 작은 분자로 분해된다. 따라서 메토프렌과 다른 여러 가지 유충 호르몬 유도체들은 해충 조절의 중요한 핵심으로 자리 잡고 있다.
메토프렌(methoprene) 합성 방법
메토프렌(methoprene, 유충 호르몬 유도체)
메토프렌의 합성은 옥시수은첨가반응과 수은이탈반응(oxymercuration demercuration mechanism)으로 삼차 메틸 에스터를 만든 후, 에스터 가수분해반응(esterification mechanism)과 일차알코올의 PCC 산화반응(pcc oxidation mechanism)으로 알데하이드를 합성하는 반응을 이용하여 만들 수 있다.
인간의 한계를 뛰어넘으며 총알 탄 사나이로 불렸던 미국의 타이슨 게이와 자메이카의 아사파 파월 선수 모두 금지 약물검사 결과 양성반응이 나와 국제 스포츠계에 충격을 주었으며, 세계 무대로 날아오르던 한국 육상의 날개 이진일 씨처럼 약국에서 무심코 사 먹은 감기약 3 알속에 금지약물인 클렌부테롤이 포함되어 있어 4년의 자격 정지 처분이 떨어지기도 한다.
이러한 불법적인 약물들로 인해 스포츠의 공정성을 훼손하지 않기 위해서 약물을 검출할 수 있는 기술은 날로 발전해왔다. 그 중 하나가 바로 기체 크로마토그래피(GC, gas chromatography)이다. GC 기기를 이용하여 테스트 시료를 각각의 성분으로 분리(column)하고, 고분해능 질량분석법을 이용하여 각 성분을 분석한다. 불법 약물 투여와 같은 부정행위를 성공적으로 밝혀내기 위해서는 극도의 민감성과 정량 분석의 정확도에 달려있다. 때문에 긴 관을 이용해서 각 물질의 성분에 따른 차이로 분리를 확실하게 시키며, 긴 관 때문에 소요되는 시간과 압력을 해소하기 위해 액체가 아닌 기체를 사용한 기체 크로마토그래피가 사용된다. 여기에 미량의 분자로도 정량 및 정성 분성이 가능한 질량 분석기를 검출기로 연결하여 소량의 약물도 검출이 될 수 있도록 하는 것이다.
불법 약물 스테로이드의 검출 방법
불법 약물 중 가장 흔히 듣는 것이 바로 스테로이드 제이다. 테스토스테론과 같은 아나볼릭 스테로이드(anabolic steroid, 근육 증강제) 복용이 의심되는 경우에는 두 가지 방법이 사용된다. 첫 번째는 테스토스테론(T)과 이것의 *입체 이성질체인 에피테스토스테론(E)의 비율을 측정한다. 이때 T의 경우 경기력 향상에 도움이 되지만, T와 다르게 E의 경우 경기력 향상에 아무런 영향을 끼치지 않는다. E와 T는 사람의 생체에서 거의 같은 양의 비율로 존재한다. 만약 선수가 T를 복용하게 되면 T:E의 비율이 달라지게 되며, 이것을 위의 방법으로 분석하여 불법 약물 투여 여부를 확인하는 것이다.
때문에 비율이 바뀌는 것을 방지하기 위해 T와 E를 동시에 투여하는 운동선수도 있다고 한다. 하지만 생물학적 특이점을 이용하여 질량 분석법으로 이러한 경우 역시 골라낼 수 있다고 한다. 실물에서 유래된 화합물에서 만들어지는 합성 스테로이드는 사람의 몸에서 생합성되는 스테로이드에 비하여 탄소(12C)의 *동위원소인 13C의 비율이 약간 낮기 때문이다. 물론 그 차이는 12C 천 개당 13C 몇 개에 해당할 정도로 작지만 현재의 기술로는 충분히 구분할 수 있다. GC를 이용하여 시료에서 분리된 스테로이드를 연소시켜 CO2로 변환시킨 후에, 질량 분석계를 이용하여 12CO2와 13CO2의 비율을 측정한다. 이때 12C와 13C의 비율이 보통 사람의 스테로이드에서 발견되는 비율과는 크게 차이가 나며, 식물에서 합성되어 만들어지는 스테로이드의 비율에 근접하게 되면 이 시료의 주인은 약물 복용을 했다는 강력한 증거로 볼 수 있다.
*입체 이성질체: 동일한 화학구조를 가지고 있고, 구성하는 원자 간의 결합 순서도 동일하지만 삼차원 구조는 다른 분자들을 입체이성질체(stereoisomer)라고 한다. 테스토스테론의 경우 구조 중 고리에 있는 하이드록시기가 "위"에 있으며 에피 테스토스테론의 경우 "아래"로 향한 것 빼곤 동일한 구조를 지니고 있다.
*동위원소: 핵(nucleus)을 이루는 중성자(neutron)의 수는 다르지만 양성자(proton)의 수는 같아서 원자번호가 같고 화학적 성질도 같은 원소를 부르는 말이다.
많은 사람들이 합성물에 대한 안 좋은 인식이 대부분이며 모든 합성물들은 자연과 무관하다고 생각한다. 하지만 모든 화합물들이 그런 것은 아니다. 우리는 독성이 있으며 환경에 악영향을 미치는 많은 화합물들을 제조하였지만, 천연 화합물 또한 이러한 성질을 가지고 있다. 자연은 수백만 종의 생물들에 의해 화합물을 생성하는 실험실이며, 그중에는 매우 독성이 강한 화합물을 만들어낸다. 독성이 강한 것 중 하나인 알칼로이드는 실물들에게서 매우 적은 양 얻을 수 있다. 이 때문에 감자 싹과 같이 모르는 식물을 섭취하면 나도 모르는 사이에 중독될 수 있다. 에이브러햄 링컨 대통령의 어머니는 snakeroot이라는 식물을 섭취한 젖소의 우유를 마시고 죽었다.
식물들은 육식동물이나 인간, 동물, 곤충, 균과 같은 유기체에게서 달아날 수 없기 때문에 자기 스스로를 보호할수 있게끔 진화해왔다. 식물의 효과적인 방어 전략은 스스로 자연적인 살충제를 만들어내는 것이었다. 자연적인 살충제로 식물은 초식 곤충이나 벌레에게서 자신을 지키는 면역체계로 작용한다. 예를 들면, 토마토는 18개의 아미노산으로 구성된 작은 폴리펩타이드인 시스테민은 외부 공격에 대한 화학적 신호를 하는 물질이다. 이 물질은 식물을 통해 신속히 이동하며, 직접적으로 화학적 독소를 만드는 반응을 시작하게 된다. 이 독소는 외부 공격원을 물리치거나 다른 육식동물이 외부 공격원을 잡아먹을 수 있도록 느리게 만든다. 이러한 화합물 중 하나는 상처 난 부위가 감염되는 것을 막아주는 아스피린의 주성분인 살리실산이다. 모진 시련속에서 식물들은 알림 페로몬과 같은 화합물의 사용하게 진화해왔다. 공기 또는 수인성 분자의 알림 신호에 의해 공격받지 않은 옆의 식물도 화학적 무기를 활성화시킨다.
미국인들은 일인당 하루에 1.5g의 자연 살충제 성분을 야채, 과일, 차, 커피 등의 형태로 섭취한다. 그 양은 잔류 농약의 10,000배 이상에 해당한다. 이렇게 섭취하는 식물들의 몇 가지 독성에 대해서 발암 실험을 한 결과, 대략적으로 절반 정도가 발암물질이었으며, 합성된 화합물 또한 같은 비율로 나타났다. 많은 물질이 독성이 있다고 입증된 것이다. 그러면 우리는 왜 이러한 독성들을 제거하지 않는 것일까? 하나의 이유는 저번에 포스팅한 LOAEL과 관련이 있다. 성분은 유해하나 그 농도가 너무 희박해 우리 인체에 영향을 주지 않는 것이다. 또한 이러한 식물에서 나오는 독성 성분을 우리 몸은 해독할 수 있는 능력이 있기 때문이다. 우리 몸은 어떤 독성에 대해 피해를 입기 전에 대부분의 물질들을 배설한다.
인공합성 감미료인 사카린과 아스파탐의 상업적인 성공에도 불구하고, 이런 화합물들이 초콜릿과 같은 제품에서 설탕을 완전히 대체할 수는 없다. 이런 화합물들의 물성이 설탕의 물성과 완전히 다르기 때문이다. 결과적으로 이런 감미료를 포함하는 과자류는 소비자들의 마음에 드는 맛을 내는 다른 물질들과 함께 사용해야 한다.
저칼로리 초콜릿을 제조하는 것은 특별한 도전이었다. 그 이유는 입에서 살살 녹는 초콜릿의 진한 크림과 같은 매혹적인 질감은 초콜릿을 구성하는 열량의 대부분인 지방성분에서 나타나기 때문이다. 이에 초콜릿에 있는 지방을 저칼로리 감미료로 대체하는 시도를 했었다. 자일리톨이나 락티톨과 같은 알디톨의 여러 가지 혼합물을 저칼로리의 합성 글루코피라노스 중합체와 함께 성공적으로 사용한 사례가 과거에 있었다. 이에 최근부터 말디톨은 매우 중요하게 이용되고 있다. 이 이당류 알디톨은 설탕만큼 달지만 열량은 설탕의 2/3 정도 된다. 게다가 말티톨은 초콜릿을 진한 크림 같은 질감을 내게 한다. 즉 지방과 비슷한 효과를 나타내는 것이었다.
저칼로리와 무칼로리 감미료를 찾는 것과 관련하여 가장 격렬하게 토론되는 논쟁은 파라구아이 향료식물에서 발견된 스테비오사이드이다. 이는 설탕보다 300배나 달고, 터펜-탄수화물 혼성 구조를 갖고 있기 때문에 소화 과정에서 비교적 안정하여 실질적으로 칼로리가 없다. 스테비오사이드는 중국, 일본, 브라질에서 널리 사용됨에도 불구하고 암과 불임을 유발할 수 있는 대사 분해 생성물에 대한 우려 때문에 미국, 캐나다, 유럽 연합에서는 식품 첨가물로 금지하고 있다.
새로운 저칼로리 감미료 후보들가운데 하나는 천연물로 존재하는 케토스인 D-타가토스(D-tagatose)이다. 이 물질은 사실상 맛에서 설탕과 구분할 수 없다. 하지만 타가토스는 설탕에 비해 열량이 훨씬 낮으며 혈당치에 미미한 영향을 주며 충치의 원인이 되는 박테리아의 먹이가 되지 않는다. 또한 이 물질을 제조 생산하는 방법이 친환경적이다. 일반적으로 버려지는 락토스가 많은 유제품의 폐기물(유청)을 간단히 염기로 처리하면 된다. 잼과 초콜릿에 사용되는 감미료로 타가토스의 판매는 2007년 말에 유럽에서부터 시작되었다.
가장 최근에 인공 감미료 시장에 성공적으로 진입한 것은 수크랄로스이다. 수크랄로스는 설탕보다 600배나 달다. 또한 열 안정성이 높아 조리하고 구울 때 사용가능하며, 다양한 요리 방식에 변형 없이 이용이 가능하다는 장점이 있다. 또한 신체 내 흡수되는 양이 적어 살이 찔 걱정이 설탕에 비해 적다. 하지만 아직 인간에게 어떤 부작용을 주는지는 확인된 바 없다. 현재 수크랄로스는 미국과 캐나다를 포함한 십여 개국에서 안전 소비에 대한 인가를 받아서 판매 중에 있다.
우리들의 주위에서 흔히 볼 수 있는 다이 페놀 화합물인 비스페놀 A와 레스베라트롤에 대한 이야기를 해보려 한다. 비스페놀 A는 생활에서 널리 사용되는 폴리카보네이트계 플라스틱 물질인 아기 우유병, 일회용 캔, 치과 봉합제, 음식물과 음료수용 용기, 재활용 플라스틱 용기 등의 제조에 이용되는 필수 원료이다. 현재는 환경 호르몬의 논란으로 비스페놀 A 프리 제품이 유행할 정도로 규제를 하고 있지만, 예전엔 미국에서만 20억 파운드 이상이 제조되며, 전 세계적으로 60억 파운드 정도가 만들어졌다. 과학적으로 이 단위체가 사람에게 위험하다는 판단을 내릴 수 있는 증거가 적었기 때문에, 비스페놀 A가 사람의 건강을 위협한다는 논쟁은 1891년 처음 만들어진 이후로도 계속되고 있다.
논란의 시작은 비스페놀 A가 동물의 에스트로겐과 유사한 역할을 한다는 것이다. 이 단위체는 플라스틱을 물에 우려내면 녹아나오며, 특히 전기오븐에서 가열하면 더 많이 녹아 나온다. 2003년 진행된 실험에서는 미량인 20 ppb의 비스페놀 A가 성체가 되어가는 암컷 쥐의 난자 염색체 배열에 이상 현상을 일으키는 것이 확인되었다. 이 정도의 양은 사람의 혈액과 소변 속에 함유되어 있기 때문에 이 연구 결과가 사람에게도 비스페놀 A가 해가 될 수 있다는 직접적인 증거는 되지 못한다. 하지만 수정하기 위해 만들어지는 사람과 쥐의 난자의 형성 과정은 아주 유사하기 때문에 인체에 유해할 수 있다는 간접적인 증거가 될 수 있었다. 하지만 어미쥐를 대상으로 한 또 다른 실험에서는 난자 생성과 성장에 해로운 영향이 없다는 결과가 나오면서 논란은 사그라들었다.
그러나 2008년의 연구 조사에서 포유동물의 태아가 뼈를 구성할때 비스페놀 A에 노출되면 해독에 필요한 간의 효소가 부족하다는 연구결과가 나왔다. 이에 비스페놀 A의 불신과 어린이들에게 해로운 영향을 미친다는 주장이 다시 제기되었다.
이렇게 연구결과가 다르게 나타나는 이유는 서로 다른 종류의 혈통의 동물 사용, 노출되는 양의 차이, 서로 다른 배경의 에스트로겐 오염 원인(비스페놀 A 배출 물질), 투약 처방의 양, 동물의 수 등이 차이에서 오는 결과라고 미국 국가 환경 보건 과학 연구소에서 발표하였다. 이중 가장 큰 이유는 LOAEL(Lowest Observed Adverse Effect Level, 인체와 같은 유기체에 물질을 노출시켰을때 부작용이 나타나는 최소양) 때문이다. 당시에는 이러한 학문적 적립이 없는 상태였기 때문에 투입양에 따른 차이를 인지하지 못했던 것이다. LOAEL은 투입하는 대상의 종류에 따라 다르며 해당 농도 미만이였을 경우 유해한 현상이 나타나지 않기 때문에 엇갈린 결과가 발표되었었다. 이에 2007년과 2008년 정부기관 두 곳에서 인간의 노출량은 태아기와 어린 시절에 노출된 양과 관련이 있으며, 인체에 영향을 주는 수준이라고 발표하였다. 발표된 결과에 따라서 미국과 캐나다 의회는 어린이 제품과 월마트 등에서 판매되는 물질과 장난감에서 비스페놀 A가 포함된 제품들의 판매를 점차 금지시키기 시작했다. 결국 산업 물질에서 폴리카보네이트를 포함하는 플라스틱은 다른 고분자로 대체되었다.
LOAEL의 학문적 적립으로 산업시장에서 퇴출된 비스페놀 A와는 반대로 유행처럼 떠오른 화합물도 있다. 대표적인 예가 레스베라트롤이다. 이 화합물은 심장, 간의 상태를 조절하는 의약품으로 사용되어 왔는데, 최근 연구자들에 의해 레스베라트롤의 생리학적인 성질에 많은 관심이 쏠렸다. 레스베라트롤은 유칼립투스, 백합, 뽕나무, 땅콩 등에 함유되어 있으며, 특히 백포도와 적포도의 껍질에 많은 양이 함유되어 있는데 1g당 50~100 마이크로그램이 들어 있다. 레스베라트롤은 곰팡이와 같이 생물체에 침입하는 경우 방어물질로 작용한다는 사실을 알아냈다. 포도를 이용하여 포도주를 만들기 때문에 적포도주 1온스당 약 160 마이 그로그램 가량의 레스베라트롤이 함유된다. 연구에 따르면 정기적으로 적포도주를 마실 경우 관상동맥 질환 발생률을 매우 낮출 수 있고 이를 프렌치 패러독스(french paradox)라고 하는데 프랑스인들이 비교적 높은 지방 섭취에도 관상동맥 질환 발생율이 낮은 이유로 밝혀졌다. 최근 연구에 의하면 레스베라트롤은 심혈관에 유익한 효과를 발생시키는 활성 종이라고 추정한다. 예를 들면, 지방의 과산화를 저해하는 항산화제로서의 역할을 한다든지, 동맥경화증이 발생하지 않도록 혈소판의 응집을 저해하는 역할을 한다. 또 다른 조사에서 레스베라트롤은 아주 낮은 독성을 가지고 있어서 특정한 암의 개시, 전파, 확산을 지연시키는 항암제로서의 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. LOAEL 이상으로 연구를 진행하여 알아낸 유익한 발견은 병 속에 갇혀있던 레스베라트롤의 효능을 확인할 수 있던 동시에프렌치 패러독스를 산업화시키고, 소비를 확산시켰다.
그러나 전문가들은 포도주에서 섭취하는 레스베라트롤이 인체에 흡수 되었을때 간에 어떤 영향을 주는지 밝혀진 바 없으며, 위에서 언급한 효과는레스베라트롤과 비스페놀 A의 실험 결과 모두 동물 실험에서 얻어진 결과이기 때문에 인체에 정말로 유해 또는 유익한 기능을 하는지, 인체에 대한 LOAEL이 어느정도인지 확인된 바는 없다.
