고급영양학 chapter 9. 미량무기질(철, 아연, 구리, 요오드, 불소, 셀레늄, 망간, 크롬

[문형철]

beyond reason

미량 무기질은 체내에 체중의 0.005% 미만으로 존재하고 있지만 건강과 관련하여 세포가 적절한 기능을 수행하도록 각각 역할을 담당함. 미량 무기질은 적은 양이지만 우리 몸에서 필요로 하는 양보다 오랜 기간 부족하게 섭취하면 결핍증상이 나타나고 장기간 과다섭취하면 중독현상이 나타남. 

철(iron, Fe)

철은 성인의 몸속에 3-4g정도 들어있는 미량 무기질. 전세계적으로 철결핍성 빈혈은 흔한 영양문제임. 

대략 60%는 혈색소에, 10%정도가 미오글로빈에 포함되어 있고 나머지 30%는 간세포(hepatocyte)와 망상내피계 대식세포(reticuloendothelial macrophage)에 저장되어 있는 것으로 알려져 있다. 

1. 철의 흡수와 대사

식품을 통해 섭취하는 철은 헴철(heme-iron)과 비헴철(nonheme-iron)으로 존재함. 동물성 식품은 헴철을 상당량 함유하고 있으나 식물성 식품은 비헴철을 함유함. 

소장점막세포의 세포막에 존재하는 헴이동 단백질1(heme carrier protein1)에 의해 헴이 흡수되며 무기질 Fe2+는 점막세포의 단백질 수용체인 2가 금속이동단백질(DMT1)에 의해 흡수됨. 장내에 존재하는 2가의 양이온들(Fe, Ca, Zn, Mn)은 모두 DMT1에 의해 흡수되므로 철은 다른 무기질의 양에 따라 흡수율이 영향을 받음. 철은 주로 십이지장과 공장에서 흡수됨

1) 철흡수에 영향을 미치는 요인

철흡수율은 함께 섭취하는 식사내의 여러성분에 의해 그리고 체내 철 저장량 및 요구량에 의해 많은 차이가 있음. 철의 흡수를 높이는 성분은 비타민 C, 구연산, 육류 단백질 등. 소장상부에서의 철 용해도는 흡수에 영향을 미침. 

산성환경에서는 철의 이온형태가 3가의 철이온에서 2가의 철이온으로 환원되어 흡수가 증가할 수 있으므로 적절한 위산분비나 비타민 C함량이 높으면 철의 흡수가 증가함. 

-- 참고) 망간도 2가형태의 망간 흡수율이 높음. 

육류나 어류 및 조류 단백질과 함께 섭취된 철의 흡수율은 유제품이나 난류 단백질과 함께 철을 섭취한 경우보다 높음. 

모유의 철 흡수는 우유보다 높음. 이는 모유에 함유된 락토페린때문임. 

생리적 철 요구량이 높은 성장기 어린이, 청소년, 임산부의 경우 철 흡수율이 높아짐.

저장된 철이 풍부하거나 위절제수술 및 노화에 의해 위산분비가 저하되면 철 흡수가 낮아짐. 

철과 불용성 염을 형성할 수 있는 차나 커피의 탄닌산, 곡유의 피틴산(phytate), 시금치의 옥살산과 식이섬유 등은 철흡수를 방해함. 

Phytic acid is a six-fold dihydrogenphosphate ester of inositol (specifically, of the myo isomer), also called inositol hexakisphosphate (IP6) or inositol polyphosphate. At physiological pH, the phosphates are partially ionized, resulting in the phytate anion. The (myo) phytate anion is a colorless species that has significant nutritional role as the principal storage form of phosphorus in many plant tissues, especially bran and seeds. It is also present in many legumes, cereals, and grains. Phytic acid and phytate have a strong binding affinity to the dietary minerals, calcium, iron, and zinc, inhibiting their absorption.^[1] The lower inositol polyphosphates are inositol esters with less than six phosphates, such as inositol penta- (IP5), tetra- (IP4), and triphosphate (IP3). These occur in nature as catabolites of phytic acid.

칼슘. 아연 등 다른 무기질의 섭취량이 많으면 흡수과정에서 경쟁이 일어나 철흡수가 감소함. 

하지만 헴철의 흡수는 식사성분에 영향을 받지 않음. 

철흡수에 영향을 미치는 인자

흡수 증가요인	흡수 저해요인
저장철의 고갈 헴철 생리적 철 요구량 증가(성장, 임신) 육류, 어류, 가금류 비타민 C 위산	저장철의 증가 위산분비 저하 피틴산 옥살산 탄닌산 다른 무기질의 다량 섭취

2) 철 대사

소장세포로 흡수된 철은 인체의 철 요구량이 많아지면 소장 벽세포에서 혈액으로 이동하고 체내 철이 충분하면 소장 흡수세포에 남게 됨. 철은 소장세포에서 철 막관통단백질인 페로포틴(ferroportin)과 페록시다아제(peroxidase) 활성을 갖고 구리를 함유한 헤파에스틴(hepaestin)이라 불리는 단백질의 도움을 받아혈장의 아포트랜스페린(apotransferrin)까지 이동함. 구리가 결핍된 경우 장관내에서 흡수된 철이 혈장으로 이동하는데 장애를 받게 됨. 흡수된 철은 철 운반단백질인 트랜스페린 형태로 혈액을 따라 필요한 곳으로 운반되어 사용되거나 소장의 흡수세포로 남아 페리틴 형태로 저장됨. 

트랜스페린은 아포트랜스페린과 철이 결합된 복합물임. 페리틴 형태로 저장된 철은 체내 요구량에 따라 혈액으로 이동하거나 그대로 소장세포에 저자오디어 있다가 소장세포가 수명을 다하여 탈락될때 대변으로 함께 배설됨. 

인체에서 사용되고 남은 철은 철운반단백질인 트랜스페린과 결합하여 혈액으로 돌다가 간, 비장, 골수 등에 피리틴 형태로 저장. 골수로 운반된 철은 적혈구 생성에 필요한 헤모글로빈의 합성에 사용됨. 

철은 많은 효소작용에 의해 재활용됨. 

대식세포철은 페록시다제인 셀룰로스플라스민에 의해 대식세포에서 빠져나와 트랜스페린까지 이동할 수있음. 그러나 구리 결핍으로 셀룰로스플라스민이 활성도를 유지하기 어려운 경우 대식세포에서 철이 유리되지 못하여 철 흡수에 영향을 받음. 

골수는 조혈인자(erythropoietin)의 자극을 받아 적혈구를 생성하는데 혈중 산소농도가 낮거나 출혈이 있는 경우 적혈구 생성이 촉진됨. 생성된 적혈구는 120일정도 혈액에 머문 후 간이나 비장에서 분해됨. 이때 적혈구에서 분리된 철은 대부분 새로운 적혈구를 형성하는데 재이용되며 일부는 페리틴의 형태로 저장됨. 섭취된 철은 대부분 대변으로 배설되고 소량만이 소변으로 배설됨. 그러나 일단 체내로 흡수된 철은 대부분 재사용됨. 

2. 철의 체내 작용

철의 가장 중요한 기능은 산소운반. 

철은 산소를 조직으로 운반하는 헤모글로빈의 구성요소. 체내 철의 65%이상이 헤모글로빈에 결합. 

체내 철의 약 10%는 근육의 산소운반과 저장기능을 하는 미오글로빈을 구성하며 전달작용을 하는 시트크롬계 효소의 구성성분이기도 함. 

철은 과산화수소분해효소, 과산화효소, NADP 탈수소효소, 숙신산 탈수소효소와 같은 효소의 보조인자로 작용함. 

철은 신경전달물질인 도파민, 에피네프린, 노르에피네프린, 세로토닌 등의 합성과 그 작용에 관여하며 콜라겐 합성에 필요한 효소의 보조인자로도 작용함. 

Dopamine promotes cellular iron accumulation and oxidative stress responses in macrophages

Author links open overlay panelStefanieDichtlaDavidHaschkaaManfredNairzaMarkusSeifertaChiaraVolaniaOliverLutzbGünterWeissa

https://doi.org/10.1016/j.bcp.2017.12.001

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Abstract

Iron is essential for many biological functions including neurotransmitter synthesis, where the metal is a co-factor of tyrosine hydroxylase, which converts tyrosine to dopamine and further to norepinephrine. As the shared chemical structure, called catechol, may potentially bind iron we questioned whether tyrosine derived hormones would impact on cellular iron homeostasis in macrophages, which are central for the maintenance of body iron homeostasis. Using murine bone marrow-derived macrophages (BMDMs), we investigated the effect of catecholamines and found that only dopamine but neither tyrosine, nor norepinephrine, affected cellular iron homeostasis. Exposure of macrophages to dopamine increased the uptake of non-transferrin bound iron into cells. The expansion of intracellular iron upon dopamine treatment resulted in oxidative stress responses as evidenced by increased expression‎ of nuclear factor erythroid 2-related factor (Nrf2) and hypoxia inducible factor-1α. As a consequence, the transcriptional expression‎ of stress response genes such as heme oxygenase-1 and the iron export protein ferroportin1 were significantly increased. Genetic deletion of Nrf2 abolished these effects of dopamine. Dopamine directly affects cellular iron homeostasis by increasing iron incorporation into macrophages and subsequently promoting intracellular oxidative stress responses. Our observations are of interest for disorders involving dopamine and iron dyshomeostasis such as Parkinson’s disease and restless legs syndrome, partly enlightening the underlying pathology or the therapeutic efficacy of dopamine agonists to overcome neuronal iron deficiency.

Graphical abstract

철은 적절한 면역기능에 필수적이며 철 결핍시 T세포의 수와 자연살해세포 활성이 감소함. 그러나 철은 숙주뿐만 아니라 박테리아의 증식과 성장에도 필요하므로 철의 지나친 섭취는 박테리아의 증식과 성장을촉진해 감염을 오히려 악화시킬 수 있음. 철결합단백질인 트랜스페린과 락토페린은 미생물 성장에 필요한 철과 결합함으로써 감염이 발생하지 않도록 막아줌. 

Autoimmun Rev. 2003 Mar;2(2):73-8.

The role of iron in T cell development and autoimmunity.

Bowlus CL1.

Author information

Abstract

Iron is a vital metal for the proliferation of all cells including those of the immune system. Iron deficiency causes several defects in both the humoral and cellular arms of immunity. One of the most profound changes is a reduction in peripheral T cells and atrophy of the thymus. The presence of transferrin receptor on immature, proliferating thymocytes and the inhibition of thymocyte proliferation and differentiation by anti-transferrin receptor antibody highlight the importance of iron to T cell development. Growing evidence suggests that T cells may in turn, regulate iron metabolism perhaps through interactions with the non-classical major histocompatibility complex gene HFE. The association of the iron transporter NRAMP1 with several autoimmune disorders along with evidence that iron can catalyze the production of cryptic epitopes of several autoantigens, establishes a potential role for iron in the development of autoimmunity.

3. 철 결핍증과 과잉증

1) 철 결핍증

빈혈

2) 철 과잉증

철의 독성인 경우 철 영양제의 과잉 섭취에서 비롯되며 이는 주로 취학전 아동에게서 일어나기 쉬움. 만성적인 과잉증은 철 흡수가 비정상적으로 높은 유전적 질환인 혈색소증에서 나타나며 철의 축적으로 인한 간기능장애, 인슐린 분비장애로 인한 당뇨병, 심기능 장애 등을 초래하게 됨. 또한 철의 과잉섭취는 아연과 구리의 흡수를 방해할 수 있음. 

아연(zinc, Zn)

아연은 체내 함량이 1.5~2.5g 정도인 미량무기질. 그중 90%는 근육과 골격에 들어있음.

아연은 거의 모든 세포내에 존재하고 여러 효소의 구성성분으로 작용하며 핵산합성, 면역기능에 필수적인 원소임. 

1. 아연의 흡수와 대사

식사를 통해 섭취된 외인성 아연은 주로 소장(특히 공장)에서 흡수. 

아연 섭취량이 낮으면 소장에서 아연 흡수율이 높아짐. 

아연의 흡수율은 체내 아연량, 소화되는 식품(아연)양, 장통과시간 및 식이요인에 의해 영향

히스티딘, 시스테인, 메티오닌 등의 아미노산과 유기아연 복합체가 형성되면 흡수 증가

피틴산, 대두단백질, 옥살산, 식이섬유는 아연-단백질 복합체의 형성을 억제하여 흡수 감소

구리, 철, 칼슘 등은 아연과 흡수경쟁을 하므로 흡수감소 인자

메탈로티오네인(metallothionein)은 아연과 결합하는 금속함유 단백질로서 소장점막세포내에 존재하여 체내 아연의 항상성을 조절하는 역할을 함. 아연 섭취량에 따라 소장 세포내에서는 메탈로티오네인이 합성되는 정도가 영향을 받음. 흡수된 아연은 알부민과 결합하여 간문맥을 경유하여 간으로 운반됨. 아연은 주로 90% 이상 대변을 통하여 배설되며 요를 통한 배설량은 매우 낮음. 

Metallothionein (MT) is a family of cysteine-rich, low molecular weight (MW ranging from 500 to 14000 Da) proteins. They are localized to the membrane of the Golgi apparatus. MTs have the capacity to bind both physiological (such as zinc, copper, selenium) and xenobiotic (such as cadmium, mercury, silver, arsenic) heavy metals through the thiol group of its cysteine residues, which represent nearly 30% of its constituent amino acid residues.

Albumin as a zinc carrier: properties of its high-affinity zinc-binding site 

Jin Lu;

 

Alan J. Stewart;

 

Peter J. Sadler;

 

Teresa J.T. Pinheiro;

 

Claudia A. Blindauer

Biochem Soc Trans (2008) 36 (6): 1317–1321.

https://doi.org/10.1042/BST0361317

Although details of the molecular mechanisms for the uptake of the essential nutrient zinc into the bloodstream and its subsequent delivery to zinc-requiring organs and cells are poorly understood, it is clear that in vertebrates the majority of plasma zinc (9–14 μM; approx. 75–85%) is bound to serum albumin, constituting part of the so-called exchangeable pool. The binding of metal ions to serum albumins has been the subject of decades of studies, employing a multitude of techniques, but only recently has the identity and putative structure of the major zinc site on albumin been reported. Intriguingly, this site is located at the interface between two domains, and involves two residues from each of domains I and II. Comparisons of X-ray crystal structures of free and fatty-acid bound human serum albumin suggest that zinc binding to this site and fatty acid binding to one of the five major sites may be interdependent. Interactive binding of zinc and long-chain fatty acids to albumin may therefore have physiological implications.

Keywords:

albumin, fatty acid, metal specificity, serum, zinc trafficking

2. 아연의 체내작용

1) 금속효소 구성

아연은 수많은 금속효소(metalloenzymes)의 구성요소로서 체내의 주요 대사과정을 조절함. 아연은 체내 80여개 효소의 구성성분이며 전자를 제공함으로써 100종이상의 효소의 촉매적 활성에 기여함. 아연을 함유한 효소에는 단백질과 뉴클리오티드에서 인산기를 제거하는 알칼라인포스파타제, 가수 및 탈수반응을 촉매하여 산-염기 평형에 관여하는 탄산탈수소효소(carbonic anhydrase) 단백질 분해효소인 말단 카르복실기 분해효소(carboxylpeptidase), 알콜의 산화에 관여하는 알콜탈수소효소, 유리기를 제거하여 세포의 산화적 손상을 방지하는 SOD 등이 있음. 

2) 핵산 합성

전사인자는 유전정보의 발현에 필요한 단백질로 삼차원 구조를 가진 DNA 부착 모티프 부위가 있으며 아연은 징크핑거 모티프(ZFM)의 성분임. 유전자 발현은 외부신호에 의해 전사인자가 활성화된 후 RNA중합효소와 복합체를 형성한 전사 단백질의 ZFM이 DNA와 결합하여 시작됨. 따라서 아연은 핵산대사에 관련되어 유전자의 전사과정에 영향을 미침. 또한 아연은 RNA중합효소의 구성물질로 단백질 합성에도 영향을 미침.

3) 면역기능

아연은 정상적인 면역기능의 유지에 필요한 무기질로서 모든 면역계의 물질에 많은 영향을 미침. 아연결핍은 대식세포와 호중구 및 보체의 작용을 저해하며 특시 T세포의 발달과 림프세포의 분화, T세포의존성B세포의 기능과 인터루킨 2에 관여함. 따라서 아연이 부족하면 면역력이 약해져 폐렴 및 감염성 질환이나 설사 등이 유발됨. 

4) 세포분열과 분화

아연은 세포의 분열과 분화에 영향을 미치므로 아연이 결핍되면 태아 및 소아의 경우 뇌발달의 저하와 함께 성장과 발육이 지연됨. 또한 임산부는 저체중 신생아, 조산, 유산의 위험이 동반됨. 

5) 항산화 작용

아연을 함유한 항산화 효소의 작용은 망막세포 손상을 방지하고 황반변성 및 시력상실의 진행을 지연시킴. 

6) 미각기능 유지

아연은 미각의 기능을 유지하는데 필수

3. 아연 결핍증과 과잉증

1) 아연 결핍증

심한 결핍증은 드물며 만성적인 경미한 결핍증세로는 면역기능 장애가 나타남. 어린이의 경우 성장지연의 비특이적 임상증세가 수반되므로 가벼운 결핍증은 진단이 쉽지 않음. 아연결핍에 민감한 대상은 임산부, 어린이, 노인 등임. 

2)아연 과잉증

아연의 과잉섭취는 정상적인 구리대사를 방해함. 

구리결핍성 빈혈의 원인이 됨. 하루 150mg이상의 아연 섭취시 구리결핍증을 초래함. 

2g이상 과다섭취하면 구토, 설사, 식욕저하, 소화기계 장애, 면역기능 저하 등의 부작용이 따름. 

아연의 하루 권장량

남자 10mg, 여성 8mg

35mg이상 섭취하면 구리대사 불균형 초래함. 

구리(copper, Cu)

구리는 성인 체내에 100-150mg정도 들어있으며 주로 간, 뇌, 심장, 신장 등의 조직에 많음. 빈혈을 예방하기 위해 철과 함께 구리가 필요함. 

1. 구리의 흡수와 대사

구리는 주로 십이지장에서 40-70%정도 흡수. 

구리흡수를 조절하는 인자는 메탈로티오네인. 메탈로티오네인의 생합성은 아연, 구리, 카드뮴에 의해 촉진됨. 구리와 아연은 흡수될때 서로 경쟁함. 

아연은 흡수된 후 알부민과 트랜스쿠프레인이라는 단백질에 의해 이동되며 대부분은 간으로 들어가 셀룰로플라스민(celulplasmin)을 합성. 조직에서 필요시 구리는 세룰로플라스민의 형태로 혈액을 통해 해당조직으로 이동함. 사용된 구리는 다시 간으로 돌아와 담즙을 통해 대변으로 섞여 배설됨. 소변으로 배설되는 구리는 총 배설량의 3%미만임. 

2. 구리의 체내작용

1) 철의 흡수와 이동증진

세룰로플라스민은 구리를 운반하는 기능뿐만 아니라 2가의 철을 3가의 철상태로 산화시켜 페리틴으로부터 철을 분리시켜 트랜스페린에 결합시킴으로써 흡수된 철의 이동을 도움. 따라서 구리가 부족하면 철의이동률이 감소하고 적혈구 합성이 저하되어 빈혈이 발생함. 

2) 결합조직 정상유지

구리는 콜라겐과 엘라스틴 합성에 관여하여 골격형성과 순환계의 결합조직을 정상으로 유지하는데 기여.콜라겐과 엘라스틴은 체내 단백질의 약 30%를 구성하며 정상 결합조직을 형성하기 위해서는 이들 단백질의 교차결합이 이루어져야 함. 구리는 이러한 교차결합을 만드는 효소의 구성성분임. 구리가 부족하여이 효소의 활성이 억제되면 골격, 피부, 혈관이 비정상적으로 형성됨. 

3) 금속효소 구성

구리는 미토콘드리아 내 전자전달계의 마지막 과정에서 시토크롬C 산화효소의 조효소로 ATP생성에 관여함. 구리는 여러효소의 구성성분으로 작용함. 구리를 함유한 효소들으 모두 산소를 사용하는 반응에 작용하다는 공통점을 가지고 있음. 즉 에너지 생성에 관여하며 항산화작용으로 세포손상을 방지하고 신경전달물질을 만드는데 기여함. 구리는 구리아연-수퍼옥시드디스뮤타제 Cu-Zn SOD에 결합하여 세포의 산화적 손상을 방지하는 역할을 함.

3. 구리 결핍증과 과잉증

1) 구리 결핍증

구리의 결핍증은 드물게 나타남. 아연 섭취량이 많은 경우, 설사, 소화장애에 의해 구리 결핍증이 발생함. 구리 결핍증으로 빈혈, 백혈구 감소, 뼈손실, 성장장애, 심장기능 장애 등..

2) 구리 과잉증

장기간 구리를 다량 섭취하면 과잉증이 나타남. 임상증상은 구토, 오심, 복통, 설사 등

윌슨병은 유전적 결함에 의한 구리 과잉증으로 담즙을 통해 구리를 배설하지 못해서 간, 뇌, 신장에 축적되어 뇌손상 등의 증상을 보임. 이때 혈액내 구리와 결합하여 소변으로 배설시키는 약물을 투여하면 체내 축적을 막을 수 있음. 

권장 섭취량은 800ug

상한 섭취량은 10mg

요오드(iodine, I)

요오드는 성인의 체내에 약 15-20mg정도 함유되어 있고 그중 70-80%는 갑상선에 나머지는 혈액과 근육 등의 조직에 존재함. 갑상선 호르몬의 구성성분이며 혈액과 근육 등의 조직에는 단백질과 결합된 형태로 존재함. 

1. 요오드의 흡수와 대사

요오드는 소장에서 흡수되며 섭취한 요오드는 거의 100% 흡수됨. 음식물을 통해 섭취된 요오드는 30분에서 1시간 사이에 소장에서 90%이상 흡수되며 혈액내에서는 요오드화물(iodide)의 형태로 존재함. 흡수된 요오드는 단백질과 결합하여 혈류를 통해 갑상선과 신장으로 이동함. 

갑상선 세포는 혈중 요오드의 약 1/3가량을 선택적으로 흡수하여 갑상선 호르몬합성에 사용. 요오드가 갑상선으로 유입되는 비율은 요오드 영양상태에 의해 조절됨. 혈액내 요오드이온은 갑상선 여포세포내로나트륨-요오드운반체(Na+/I- symporter)에 의해 능동적으로 흡수됨. 이때 갑상선 내의 요오드 농도는 혈장보다 30-40배 높아서 흡수시 에너지가 필요하기 때문에 이 과정에는 Na-K ATPase가 관여함.

갑상선 세포로 들어간 요오드이온은 갑상선 과산화효소(thyroperoxidase)와 과산화수소(hydrogen peroxidase  H2O2)에 의해 I0로 산화되고 산화된 요오드는 역시 갑상선 과산화효소에 의해 갑상선글로불린내의 티로실기에 부착되어 일요드화티로신, 이요드화 티로신으로 유기화됨 

티로글로불린은 한분자내에 티로신을 100여개 가지고 있는데 갑상선글로불린 분자내의 서로 다른 요오드화티로실기가 갑상선 과산화효소에 의해 서로 결합하여 삼요오드화티로닌과 사요오드화티로닌을 형성함. 이 요오드화물은 콜로이드속에 저장됨. 형성된 T3와 T4는 비수용성이어서 단독으로는 극히 적은 양만이 혈액내에 존재할 수 있기 땜누에 대부분 간에서 합성된 티록신결합글로불린, 티록신결합프리알부민, 알부민과 함께 결합하여 표적세포로 이동하여 작용함. 

갑상선에서의 요오드 흡수 및 갑상선 호르몬 합성은 뇌하수체에서 분비되는 갑상선자극호르몬에 의한 것임. 따라서 혈장의 갑상선 호르몬농도가 저하되면 TSH가 분비되어 갑상선으로 요오드가 흡수되도록 자극하고 갑상선 호르몬의 합성을 유도함. 

반면 요오드를 과잉섭취하면 갑상선에서 나트륨-요오드 운반체를 감소시켜 갑상선 호르몬 활성을 억제하는 월프차이코프(Wolff-Chaokoff)효과에 의해 갑상선 기능을 유지함. 갑상선 호르몬은 탈요오드화를 거쳐 요오드가 하나씩 제거되며 활성이 없는 요오드화티로닌으로 전환되어 주로 신장에서 배설되며 소량의요오드가 소변과 땀을 통하여 배설됨. 

2. 갑상선의 체내작용

요오드는 체내 대사율을 조절하는 갑상선 호르몬의 중요한 성분. 

갑상선 호르몬은 체온을 조절하고 기초대사율을 상승시켜 세포의 분화, 성장 및 혈구생성을 촉진.

신경과 근육작용에 관여하며 세포에서 산소 이용율을 조절함.

3. 갑상선 결핍증과 과잉증

1) 결핍증

요오드가 결핍되면 갑상선호르몬 함량이 저하됨. 

갑상선 호르몬이 부족하면 뇌하수체가 갑상선자극호르몬 분비를 자극함. 

그 결과 갑상선 세포의 수와 크기가 증가하여 갑상선이 확대되어 갑상선 종(goiter)가 발생함. 

갑상선 종이 심해지면 점액수종(myxedema)이 나타나는데 증상으로는 피부밑에 당단백질이 축적되어 얼굴이 일그러지고 코가 딱딱해지며 입술이 부풀어 오름.

임신중 태아에 대한 요오드 공급이 적었거나 신생아기에 요오드 공급이 부족하하면 크레틴병(cretinism)이 발생함. 크레틴 병에 걸리면 성장지연, 정신박약, 왜소증 등이 나타남.

2) 갑상선 과잉증

요오드를 과잉섭취하면 갑상선 기능항진증이나 바제도병(basedow disease)과 같은 요오드 과잉증이 생김. 이러한 경우 기초대사율이 항진되며 자율신경계 장애가 나타남

그레이브스병(Graves' disease, toxic diffuse goiter), 바제도 병(Basedow's disease)은 갑상샘에 영향을 미치는 자가면역질환의 하나이다.^[1] 갑상샘과다증을 일으키는 가장 흔한 병인이자 질병이다.^[2] 이 병으로 말미암아 갑상선종을 일으키기도 한다.^[1] 이 병을 앓고 있는 환자들 가운데 대략 25~80%가 안구 문제로까지 발전한다.^[1][3]

정확한 원인은 밝혀져 있지 않으나 유전적, 환경적 요인이 복합되어 작용하는 것으로 짐작된다.^[4] 이 질병을 앓는 가족 구성원이 있다면 본인에게도 영향을 받을 가능성이 있다.^[1] 영향을 받은 일란성 쌍둥이가 있다면 30%의 확률로 다른 쌍둥이도 이 질병을 가지고 있을 가능성이 있다.^[5] 이 질병은 스트레스, 감염, 출생 시에 발병할 수 있다.^[3] 제1형 당뇨병, 류마티스 관절염과 같은 자가면역 질환을 가진 환자들이 영향을 받을 가능성이 있다.^[1] 흡연은 이 질병의 위험성을 높이며 안구 문제를 더 악화시킬 수 있다.^[1] 이 질병은 TSI라는 항체에서 비롯하며 이는 갑상샘 자극 호르몬과 영향도가 비슷하다. 이러한 항체들은 갑상샘이 갑상샘 호르몬을 과도하게 생산하도록 유도한다.^[1] 질병 확인을 위한 혈액 검사, 방사성 요오드 섭취를 통한 증상에 기반하여 진단한다.^[1][3]

치료 방법으로는 세 가지 선택 사항이 있으며 여기에는 방사성 요오드 치료, 약물 치료, 갑상선 수술이 있다.

이 질병은 어느 시점에서 남성의 경우 약 0.5%, 여성의 경우 3% 정도가 발병한다.^[2] 남성보다 여성이 7.5배 더 발병률이 높다.^[1] 40~60대에서 시작하기도 하지만 어느 나이대에서도 시작이 가능하다.^[5] 미국에서만 사례 중 약 50~80%로 갑상선 기능 항진증의 흔한 병인이기도 하다

요오드 상한섭취량은 2.4mg

요오드의 급원은 바닷물이므로 요오드를 많이 함유한 음식은 다시마, 미역, 김과 같은 해조류.

일반 정보

요오드는 필수적인 요소입니다. 주요 기능은 갑상선의 갑상선 호르몬 생성이지만, 신체의 다른 기관도 정상적인 기능을 하기 위해 요오드를 필요로 합니다.

여러 연구에서 요오드 섭취의 필요성이 입증되었습니다. 이러한 연구에 따른 요오드의 최소 요구량은 체중 1kg당 하루 0.1mg입니다. 예를 들어, 50kg의 여성의 경우 하루 요오드 섭취량은 5mg입니다. 갑상선이 제대로 기능을 하기 위해서는 요오드가 필요합니다. 80년 전에 진행된 연구에서는 청소년 여자아이에게 매일 9mg의 요오드를 사용했습니다.

1900년대에는 루골액이라는 요오드/요오드화물 용액이 갑상선 항진 및 저하 모두에 대해 의료적으로 널리, 효과적으로 그리고 안전하게 사용되었습니다. 하루 권장 요오드 보충 섭취량은 총 요오드 12.5~37.5mg에 해당하는 루골액 2~6방울이었습니다. 이는 1995년에 Pharmaceutical Sciences라는 책에서 언급되었습니다.

여러 연구자들은 적당량의 요오드 섭취 필요에 대한 설득력 있는 증거를 제시했습니다. 일본에 사는 일본인 여성은 하루 평균 13.8mg의 총 기본 요오드를 섭취하였는데, 일부 연구에서는 이것이 일본인 여성의 상대적인 건강에 중요한 요소임을 보여 줍니다. 1960년대 미국에서는 빵 한 조각에 하루 권장량 전부에 해당하는 0.15mg의 요오드가 들어 있었습니다. 지난 20년에 걸쳐, 제빵 과정에서 요오드는 브롬으로 대체되었습니다. 브롬은 갑상선 기능을 차단하고 신체 내 요오드를 방해할 수 있습니다.

불소(fluorine, F)

불소는 체내에서 95%정도가 뼈와 치아에 존재함. 뼈에 함유된 불소의 농도는 연령, 섭취량에 따라 증가함. 

1. 불소의 흡수와 대사

불소는 섭취하면 대부분 소장에서 산의 형태인 불화수소(HF)로 40%이상 확산에 의해 흡수

불화나트륨이나 단일불화인산의 흡수율은 거의 100% 

칼슘, 알루미늄, 마그네슘은 불소와 경쟁하여 불소 흡수를 10-25%감소시킴. 

인산과 황은 불소 흡수를 증가시킴. 

성인의 경우 흡수된 불소 중 약 50%는 골격과 치아에 유입되고 약 50%는 소변으로 배출됨. 땀과 소변으로도 소량 배설됨. 

2. 불소의 체내작용

불소는 체내함량의 95%가 뼈와 치아에 존재하며 골격의 인산칼슘 결정형태인 히드록시아파이트 결정에 불소가 결합하면 수산화인회석보다 산도가 낮은 불화수산화인회석이 형성되어 크기가 더 커지고 안정된 구조의 결정을 형성함.

치아 클라크내 불소는 플라크박테리아의 당 유입과 관련된 효소의 작용을 억제하여 산 생성량을 감소시킴. 그래서 불소는 에나멜층 산성에 따른 충치를 예방하며 에나멜층의 무기질 손실을 막고 재무기질화를증가시킴. 

혈장 불소농도는 불소섭취량과 불소 섭취기간에 비례함. 

한편 혈장의 내인성 불소는 뼈 등 석회화된 조직에 가역적으로 결합되어 있는 체내 불소인데 이는 혈장불소농도의 항상성을 유지하는데 기여하지 않음. 뼈에 함유된 불소의 농도는 섭취량에 비례하여 불소공급이 많은 지역에서는 골다공증 발생율이 낮았다는 보고도 있음. 

3. 불소 결핍증과 과잉증

1) 결핍증 

불소가 부족하면 충치발생, 노인이나 폐경기 여성의 경우 골다공증.

불소는 치아가 형성되는 과정에서 중요한 역할

2) 과잉증

장기간 불소를 하루 20mg이상 섭취하면 치아에 반점이 생기는 불소증(불소침착증)이 유발.

성인 섭취량 2.5~3.5mg

불소는 거의 모든 식품에 존재. 특히 해산물, 차, 뼈를 고아 만든 식품에 많음

모유와 우유에는 불소함량이 매우 낮음.

셀레늄(selenium. Se)

셀레늄의 중요성은 셀레늄이 글루타치온 과산화효소(glutathione peroxidase. GPX)의 구성요소인 점과 중국에서 셀레늄 결핍과 관련된 질환이 관찰되면서 인식되기 시작함.

Glutathione peroxidase (GPx) (EC 1.11.1.9) is the general name of an enzyme family with peroxidase activity whose main biological role is to protect the organism from oxidative damage.^[2] The biochemical function of glutathione peroxidase is to reduce lipid hydroperoxides to their corresponding alcohols and to reduce free hydrogen peroxide to water.

Superoxide dismutase (SOD), glutathione peroxidase (GPx), glutathione reductase (GR) and catalase (CAT) are the main endogenous enzymatic defense systems of all aerobic cells. They give protection by directly scavenging superoxide radicals and hydrogen peroxide, converting them to less reactive species. SOD catalyzes the dismutation of superoxide radical (•O2) to hydrogen peroxide (H2O2). Although H2O2 is not a radical, it is rapidly converted by fenton reaction into •OH radical which is very reactive. GPx neutralizes hydrogen peroxide by taking hydrogens from two GSH molecules resulting in two H2O and one GSSG. GR then regenerates GSH from GSSG. CAT the important part of enzymatic defense, neutralizes H2O2 into H2O.

성인은 체내에 약 13~30mg의 셀레늄을 보유하고 있음

1. 셀레늄 흡수와 대사

식이에 함유된 셀레늄은 대부분이 셀레노메티오닌(selenomethione)과 셀레노시스테인(selenocysteine) 형태로 존재함. 유기형태 셀레늄은 메티오닌이 흡수되는 아미노산 경로(amino acid transport system)에서 주로 십이지장에서 80%정도 흡수됨. 

무기형태는 셀레네이트는 거의 흡수되는 반면 셀레나이트는 설프히드릴기와 상호작용으로 인해 셀레노메티오닌 형태로 섭취한 경우에 비해 2/3 정도만 흡수됨. 

수은과 피트산은 킬레이트를 형성하여 침전되어 셀레늄 흡수ㅡㄹ 저해

흡수된 셀레늄은 운반단백질(transport protein)에 결합하여 간과 조직으로 운반되며 간, 근육, 위, 장의 점막세포, 췌장 등의 조직에 주로 셀레노메티오닌을 함유한 단백질로 저장됨. 

셀레노메티오닌의 체내 보유율은 75~85%이고 셀레네이트와 셀레나이트의 경우 30-40%이하임. 

체내에서 셀레늄은 셀레노프로테인의 합성에 사용되거나 과다섭취시 휘방성 형태인 이메틸셀레나이드로호흡을 통해 배출되기도 함. 셀레늄의 항상성은 흡수보다는 배설에 의해 조절됨

2. 셀레늄의 체내작용

셀레늄은 생물체에서 셀레노프로테인의 합성에 관여하며 대표적인 셀레노프로테인은 셀레노프로테인 P,W, 글루타치온과산화효소, 티오레독신환원효소(thioredoxin reductase) 및 요오드티로닌 탈요오드효소 등이 있으며 약 35종의 셀레노프로테인은 항산화, 면역기능, 산화환원조절, 갑상선 기능 및 생식기능에 관여함 

In molecular biology a selenoprotein is any protein that includes a selenocysteine (Sec, U, Se-Cys) amino acid residue. Among functionally characterized selenoproteins are five glutathione peroxidases (GPX) and three thioredoxin reductases, (TrxR/TXNRD) which both contain only one Sec.^[1] Selenoprotein P is the most common selenoprotein found in the plasma. It is unusual because in humans it contains 10 Sec residues, which are split into two domains, a longer N-terminal domain that contains 1 Sec, and a shorter C-terminal domain that contains 9 Sec. The longer N-terminal domain is likely an enzymatic domain, and the shorter C-terminal domain is likely a means of safely transporting the very reactive selenium atom throughout the body.^[2][3]

Regulation and function of selenoproteins in human disease

Frederick P. BELLINGER,1 Arjun V. RAMAN, Mariclair A. REEVES, and Marla J. BERRY

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Abstract

Selenoproteins are proteins containing selenium in the form of the 21st amino acid, selenocysteine. Members of this protein family have many diverse functions, but their synthesis is dependent on a common set of cofactors and on dietary selenium. Although the functions of many selenoproteins are unknown, several disorders involving changes in selenoprotein structure, activity or expression‎ have been reported. Selenium deficiency and mutations or polymorphisms in selenoprotein genes and synthesis cofactors are implicated in a variety of diseases, including muscle and cardiovascular disorders, immune dysfunction, cancer, neurological disorders and endocrine function. Members of this unusual family of proteins have roles in a variety of cell processes and diseases.

Keywords: cancer, diabetes, Keshan disease, multiminicore disease, neurodegeneration, selenium, selenocysteine, selenoprotein, thyroid hormone

체내에서 셀레늄은 셀레노프로티인의 합성에 사용되거나 이화작용을 통해 체외로 배설됨. 셀레늄은 주로소변과 대변으로 배설되지만 과다섭취시 휘발성 형태인 이메틸셀레나이드로 호흡을 통해 빼출되기도 함.셀레늄의 항상성은 흡수보다는 배설에 의해 조절됨.

2. 셀레늄의 체내작용

셀레늄은 생물체에서 셀레노프로테인의 합성에 관여하며 대표적인 셀레노프로티인은 셀레노프로테인 P,W, 글루타치온과산화효소, 티오레독신환원효소(thioredoxin reductase) 및 요오드티로닌 탈요오드효소 등이 있으며 약 35종의 셀레노프로테인은 항산화, 면역기능, 산화환원조절, 갑상선 기능 및 생식기능에 관여함. 

셀레늄은 산화적 손상으로부터 세포를 보호하는 역할을 함. 비타민 E와 함께 항산화제로 작용하므로 비타민 세포막에서 생성된 유리라디칼의 작용을 억제하는 비타민 E절약작용을 함. 산화적 손상을 막는데 관련된 셀레늄 함유효소로서 대표적인 것은 글루타치온과산화효소임. 이 효소는 체내에서 생긴 과산화수소를 알콜유도체와 물로 분해하여 과산화수소에 의한 세포손상을 막아주는 항산화기능을 발휘하여 세포막을 보호함. 

그 외에도 셀레늄은 약물을 대사시키는 효소들의 활성에 영향을 미침. 티오레독신환원효소는 활성부위에셀레노시스테인을 함유하고 있으며 티오레독신을 환원시켜 항산화작용에 관여하며 셀레노프로테인 P는 당단백질로서 셀레늄을 운반 또는 저장하는 역할을 담당하며 항산화기능을 보유하고 있음. 메티오닌설폭시드환원효소는 메티오닌기의 산화를 통해 메티오닌설폭시드를 환원시켜 단백질의 기능을 보전시키고 요오드화티로닌탈요오드효소는 요오드의 대사과정에 관여하여 요오드를 제거하고 프로호르몬인 티록신을 활성형인 트리요오드티로닌으로 전환시켜 갑상선 호르몬생성을 조절함. 

3. 셀레늄 결핍증과 과잉증

1) 결핍증

인체의 셀레늄 결핍증으로 대표적인 것이 케산병(Keshan disease)인데 이는 중국의 케산지역에서 풍토병처럼 발생했던 심근질환. 또한 괴사성 간변성, 갑상선 기능저하, 심혈관질환, 빈혈, 일부 암, 면역기능저하, 감염 및 염증증가, 남성 생식기능 저하

2) 과잉증

셀레늄 과잉섭취로 인한 독성증세로 탈모, 손톱소실, 피부손상, 치아부식, 신경계 장애 등

셀레늄 섭취량 60ug

상한섭취량은 400ug

육류, 어류, 조개류에 풍부함. 

특히 내장육에는 40-150ug/100g이 함유

식물성 식품중 마늘, 효모 등

브라질 너트 4알에 76ug함유

망간(manganese, Mn)

망간은 모든 조직에 존재하는데 그중에서 간, 골격, 췌장, 신장, 뇌하수체에 많음.

성인의 체내에는 10-20mg정도 존재

1. 망간의 흡수와 대사

망간은 소장에서 운반체에 의한 능동수송으로 흡수. 

성인의 망간 흡수율은 2-15%

남성이 페리틴 농도가 높기 때문에 여성이 남성에 비해 흡수율이 높음. 

식이섬유, 피트산, 옥살산은 망간을 침전시켜 흡수를 방해

히스티딘, 시트르산은 흡수 증가

철, 칼슘, 구리와 상호경쟁하여 흡수됨. 

시금치, 상추, 해바라기씨에 함유된 형태의 망간보다 염화망간 MnCl2 형태가 더 쉽게 흡수되며 2가 형태로 흡수된 망간은 체내에서 3가로 전환되어 알파-2-마크글로불린과 결합하여 간문맥으로 운반됨. 간에서는 이온형태로 또는 알부민, 트랜스망가민, 트랜스페린 등에 결합하여 다른 조직으로 이동. 

망간과 철이 혈액과 세포내로 수송하는 운반단백질을 공유하기 때문에 철 섭취와 체내 철 저장상태에 따라 망간의 세포내 함량이 영향을 받음. 

세포내 망간은 미토콘드리아로 칼슘이온 통로를 통해 유입되어 대사에 관여함. 체내에서 일단 사용되었던 망간은 담즙에 섞여 소장으로 들어가 주로 대변으로 배설됨. 담즙은 체내 망간항상성 유지에 기여함. 

2. 망간의 체내작용

망간은 체조직내에서 여러 화학반응을 촉매하는 금속효소의 구성요소임. 대표적인 것이 아르기닌 분해효소(arginase), 피루브산카르복실화효소(pyruvate carboxylase), 망간-수퍼옥시드디스뮤타제(Mn-superoxide dismutase Mn-SOD) 등이 있음. 지질 과산화작용(lipid peroxidation)을 저해하는 SOD는 항산화효소로 미토콘드리아에서 주로 발견됨. 

Arginase (EC 3.5.3.1, arginine amidinase, canavanase, L-arginase, arginine transamidinase) is a manganese-containing enzyme. The reaction catalyzed by this enzyme is: arginine + H₂O → ornithine + urea. It is the final enzyme of the urea cycle. It is ubiquitous to all domains of life.

망간은 효소활성화를 위한 조효소로 작용하여 탄수화물, 지질 및 당단백질 합성에 관여

뇌에서 신경전달물질 합성과 대사에 관련된 효소의 보조인자로서 중요한 역할을 담당함.

3. 망간 결핍증과 과잉증

1) 결핍증

일반적으로 사람에서 망간결핍증세는 흔하지 않음. 결핍증상은 혈액응고 지연, 중추신경 장애, 뼈의 기형 등. 

2) 과잉증

탄광에서 일하는 광부들과 같이 직업상 망간에 장기노출되면 망간 과잉증이 나타날 수 있음. 정신적 장애, 환상, 근육조절장애, 과다행동 등 중추신경계 손상이 주된 증세임. 

충분섭취량 4.0mg

상한 섭취량 11mg

급원은 곡류, 마른과일, 콩, 잎채소에 많고 동물성 식품에는 비교적 적음.

크롬(chronium, Cr)

크롬은 인체에서 소량이 존재하지만 최근에 중요성이 인식된 영양소

1. 크롬의 흡수와 대사

크롬은 -2가에서 +6가까지 존재할수 있음. 

그중 Cr(3)이 크롬의 산화상태 중 가장 안정한 형태이며 생체에거 가장 중요한 형태

소장, 특히 공장에서 능동수송, 촉진확산에 의해 흡수

크롬의 흡수율은 0.4~2%(6가 크롬의 흡수율이 제일 높음)

아미노산은 흡수를 증가시키며 페닐알라닌, 메티오닌, 히스티딘 등의 아미노산은 크롬과 리간드를 형성하여 흡수를 증가시킴. 

피틴산과 크롬의 흡수를 저해

옥살산은 흡수를 증가시킴.

단순당질은 크롬의 배설을 증가시킴

혈액내에서 크롬은 주로 트랜스페린과 알부민에 결합하여 이동하며 일부 알파-글로불린, 베타-글로불린 및 지단백에도 결합하여 대사에 관여함. 흡수된 크롬은 니코틴산, 아미노산과 결합하여 생물학적으로 활성이 있는 크롬을 형성함. 신체내에서는 4-6mg정도의 크롬이 저장되어 있으며 주로 비장, 간, 신장, 근육, 췌장과 뼈에 축적됨. 

크롬은 95%정도는 주로 신장을 통해서 소변으로 배설되고 소량이 모발과 땀, 담즙을 통해 배설됨. 

2. 크롬의 체내작용

크롬은 인슐린과 인슐린수용체 사이에 복합체를 형성하여 인슐린과 조직사이의 상호작용을 강화함. 즉 크롬은 조직내로 포도당 또는 아미노산이 유입되는 것을 도움. 소변으로 배설되는 크롬의 양은 정상인에비하여 인슐린 의존성당요병 환자에게서 훨씬 높게 나타남.

크롬은 혈청 콜레스테롤을 낮추고 HDL 콜레스테롤을 증가시키는 등 지질대사에 영향을 미치며 제지방량의 유지와 체지방의 소실을 촉진해 체중을 조절함. 

크론은 핵가닥(nuclear strands)의 안정성 유지와 유전자 표현의 조절 등 핵산대사 및 NA합성에도 관여함. 

3. 크롬 결핍증과 과잉증

1) 결핍증

크롬은 주위 환경 어디에나 존재하기 때문에 결핍증은 유발되지 않음. 

크롬 결핍증상으로 혈관과 내피, 내막, 간세포에서의 단백질 키나아제의 활성을 증가시켜 동맥경화증 및당뇨병 유발촉진

2) 과잉증

장에서 잘 흡수되지 않으므로 독성은 거의 없음.

1일 섭취량 남 35ug, 여 25ug