미네랄의 생체 이용성과 항상성(恒常性) 유지 기능
미네랄 흡수의 난이도와 더불어 흡수되어 체내에 들어오고 나서 정상적인 생리적 작용에 사용되는 지 어떤 지를 생체이용성(bioavailability)라고 한다.
미네랄의 생체 이용성에 영향을 마치는 주요 요인을 아래에 나타내었다.
① 용해성에 관계되는 화학구조 (유기미네랄, 무기미네랄)
② 흡수나 대사에 영향을 미치는 다른 성분의 존재량 (피틴산, 상호작용을 일으키는 다른 미네랄)
③ 동물 쪽의 요인 (연령, 성별, 종, 미네랄 영양상태)
④ 환경 요인 (기온 등)
많은 미네랄은 체내의 활성 부위에서 과잉이나 결핍이 생기지 않도록 항상성 유지기구(호메오스타시스: homeostatic mechanism)가 작동하고 있다(칼슘 항을
참조). 체내에서의 항상성은 흡수, 수송, 축적, 배설의 각 경우에서의 조절에 의해 유지되고 있다. 예를 들어, 다량으로 섭취된 경우에는 소화관에서의 흡수율을 떨어트리고, 과잉으로 흡수된 경우에는 체내에 축적하거나 오줌이나 소화관 중에 분비하거나 하여 배출한다.
또, 식이에서의 공급량이 적어질 경우에는 흡수률을 향상시키고 배설을 줄이며, 체내의 저장 부위에서 방출하여 활성부위에서의 결핍을 방지하고 있다.
다음 항에서 대표적인 미네랄에 대해서 그 생리 기능을 간단히 해설하고, 항상성 유지에 관계하는
흡수 메커니즘, 생체 내의 동태(動態), 배설에 대해서 기술한다.
다량(多量) 미네랄
■ 칼슘(Ca)
▷ 칼슘의 저장 부위
뼈와 이빨에는 동물의 몸에 있는 칼슘의 99%가 존재하며,
그 외 0.9%는 세포 내에, 나머지 0.1%는 혈액 중에 있다. 뼈 속의 칼슘은 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, 3Ca3(PO4)2∙Ca(OH)2)*9의
형태로 존재하며, 경(硬)조직의
형성과 더불어 체내 칼슘의 저장고로서도 중요하다.
나머지 소량의 칼슘은 혈액이나 체액 등에서
일정 농도를 유지하여, 세포 내 극히 저농도의 유리 칼슘과 농도차를 유지함으로써 세포의 정보전달에 중요한
역할을 담당하고 있다.
*9 하이드록시아파타이트 : 인산칼슘과 같이 인산염광물을 아파타이트라고 한다. (OH)2(하이드록시基)가 붙어 있어서 하이드록시-아파타이트라고 한다.
▷ 칼슘의 세포 내에서의 역할
칼슘은 세포 내에서 주로 근육의 수축이나 이완, 신경전달의 정보발신 작용, 세포분열, 혈액응고, 효소
활성화 등의 조절기구에 관여하고 있다. 세포는 세포의 안과 밖에서 이온 농도차를 만들어 상기의 다양한
조절기구를 통해서 생명활동을 유지하고 있다.
통상적인 세포의 칼슘 이온 농도는 0.0001mM을 유지하고 있는데 비해서 혈장 등의 세포
밖에서는 약 3mM로 1만~10만배의
농도차가 있다. 세포가 자극을 받으면 세포 밖에서 세포 안으로 칼슘이 유입되거나 세포내 소기관*10에 저장되어 있던 칼슘이 세포질 내로 방출된다. 세포
내에서의 칼슘 농도 상승은 여러 종류의 효소를 활성화시키며, 또 특정 기능을 갖는 단백질과 결합하여
세포의 각종 반응을 일으킨다.
이와 같이 칼슘은 세포내 전달물질(second messenger)로서 정보전달에 중요한
역할을 하고 있다.
*10 세포내 소기관 : 세포의 내부에서 특히 분화된 형태나 기능을 갖는 구조의 총칭이다. 세포내
소기관의 하나인 소포체(小胞體)는 칼슘(Ca2+)을 저장하는 역할을 갖고 있다.
▷ 칼슘의 흡수
칼슘은 십이지장과 공장(空腸)에서 흡수된다. 이 흡수는 능동수송과 수동수송의 2가지 과정으로 행해지며, 모두 활성형 비타민D3(1,25(OH)2D3)가
관여하고 있다.
활성형 비타민D3라는 것은 칼시트리올 또는 1,25-디하이드록시
콜레칼시페롤을 말하며, 소장상피 점막세포의 미섬모(微纖毛)의 膜인지질의 유동성을 변화시킴과 더불어 소장점막 칼슘결합 단백질(intestinal
membrane calcium binding protein : IMCal)의 합성에 관계하며, 이들에
의해 칼슘은 수동수송과 능동수송으로 세포 내에 들어온다.
세포 내로 들어온 칼슘은 활성형 비타민D3에 의해 합성이 유도된 칼슘결합
단백질(calcium binding protein : CaBP)과 결합하여 세포 내의 점막 쪽에서 장막(漿膜) 쪽으로 이동하여 혈류(血流) 속으로 운반된다. 그러나 이
CaBP는 장관에서의 칼슘 흡수에는 직접 관여하지 않는다. 또, 칼슘의 흡수율은 약 50%이다.
▷ 칼슘의 결핍과 과잉
칼슘이 결핍되면 뼈의 이상뿐만 아니라 신경이나 뇌의 정상적인 기능이 유지되지 않으며, 근육
경련, 전간(간질), 초조함을
보이는 일도 있다.
한편, 칼슘이 지나치게 증가하면 신경의 흥분성이 저하하고,
근육은 긴장하지 않게 되어 돌연 가면(仮眠:선잠)하게 되는 기면(嗜眠 : 이나 중병으로 인하여 외계에 적응하지 못하고 잠만 자는 상태가 되는 일).이나 중병으로 인하여 외계에 적응하지 못하고 잠만 자는 상태가 되는 일).이나 중병으로 인하여 외계에 적응하지 못하고 잠만 자는 상태가 되는 일).고열이나 중병으로 인하여 외계에 적응하지 못하고 잠만 자는 상태가 되는 것) 상태에 빠진다.
생체가 저 칼슘 상태에 있으면 칼슘의 흡수효율은 좋아진다. 우유나 유제품의 칼슘은 생체 이용성이 높지만 식물 중의 옥살산칼슘은 흡수성이 나쁘다. 옥살산을 다량 함유한 시금치에서의 칼슘 흡수는 약 5%로 우유에서의
칼슘 흡수의 1/5이하이다.
대두 등의 곡류에 함유된 피틴(phytin)산은
칼슘과 킬레이트결합을 형성하여 흡수를 저해한다. 또 섭취한 지방의 흡수율이 나쁘면 그 때 흡수되지 못한
지방이 소화관 내에서 불용성인 지방산칼슘을 형성하여 칼슘 흡수가 저해된다.
혈장(血漿) 중의 칼슘 농도는 비타민D, 부갑상선 호르몬(PTH) 및 칼시토닌(calcitonin) 3종의 호르몬에 의해 약 9~10mg/dL의 극히 좁은 범위에서 유지되고 있다.
부갑상선 호르몬은 혈청(血淸) 칼슘(혈액 중의 칼슘)의
저하에 의해 분비가 촉진되며, 뼈에서 혈장으로의 칼슘 이동(骨吸收)의 촉진, 장관(腸管)에서의 칼슘 흡수 촉진, 신장에서의 칼슘 재흡수 촉진, 더불어 신장에서의 활성형 비타민D3 형성 촉진을
통해서 혈청의 칼슘 농도를 상승시키는 역할을 한다. 활성형 비타민D3는
장관에서의 칼슘 흡수를 촉진하고 부갑상선 호르몬과 같이 골흡수(骨吸收)를
촉진한다. 한편, 칼시토닌은 부갑상선 호르몬과는 정 반대로
작용을 함으로써 혈장 칼슘 농도를 저하시키는 역할을 한다.
이와 같이 혈중 칼슘의 농도는 갑상선, 부갑상선, 장관, 뼈, 신장의 상호작용에 의해 생리적인 항상성(homeostasis)이
유지되고 있다. 이러한 항상성의 유지는 생물이 갖는 중요한 성질의 하나로 생체 내외의 환경 변화에 관계없이
자기의 내부 환경을 일정하게 유지하는 현상이다. 항상성의 유지는 체온이나 혈압, 체액의 삼투압이나 pH를 시작으로 병원성 미생물이나 바이러스라고
하는 이물(非自己:본래의 자기 것이 아닌 것)의 배제, 창상의 회복 등 생체 기능 전체에 영향을 미치며, 그 중에서 미네랄은 큰 역할을 담당하고 있다(그림3).
그림3. 생체 내에서의 칼슘 대사와 항상성의 유지
▷ 칼슘의 저장고 『뼈』의 역할
뼈는 생체의 지지조직으로서 몸을 지탱하고 운동기관으로서의 역활뿐만 아니라 그 구성 성분인 칼슘의 저장고 기능을 담당하고 있다. 뼈는 화학적으로 안정된 것이 아니며, 뼈에 함유된 다량의 칼슘이나
인이 골흡수(骨吸收)에 의해 혈액 중으로 방출되어 이용된다. 골흡수라는 것은 파골(破骨)세포에
의해 오래된 뼈가 분해되어 파괴되어 가는 뼈의 감소를 가리킨다. 흡수라는 말이 붙어있지만 뼈에서 칼슘이
방출되어 버리는 것이다. 건강한 상태에서는 골흡수에 의해 오래된 뼈가 파괴되는 한편으로 새로운 뼈가
만들어 진다. 특히 비유(泌乳)나 산란 과정에서 중요하다.
이런 중요한 기능을 담당하기 위해서 뼈 조직은 한 평생(生涯) 형성과 흡수를 반복하고 있다. 이를 뼈의 리모델링(재형성)이라고 한다(그림4). 리모델링에 의해 낡은 뼈는 새로운 뼈에게 자리를 내어주어 뼈 전체의 강도를 유지하고 있다. 동시에 혈액 중의 칼슘 농도도 일정하게 유지하게 있다.
그림4. 뼈의 리모델링(재형성)