에드워드 웨스트(Edward West)는 “생물학적 산화환원 과정에서, 프리라디칼의 잠재적 파괴성을 통제하고 세포 내 생물학적 기능을 보존하는 방식으로 에너지 전이가 일어나는 것이 중요하다”고 주장했다. 여기에는 세포의 천연 방어 메커니즘인 항 산화물질뿐만 아니라 계속되는 반응에 필요한 효소 시스템도 포함된다.
항 산화물질은 세포의 화학 반응에 관여하여 세포 내 대사 활동으로 파생된 프리 라디칼의 불길을 진화시키고 환경 독소에 끊임없이 시달리는 생체 분자들을 지켜주는 자연의 파수꾼이다. 체내에 항 산화물질을 충분하게 축적시키면 세포 손상은 최소화된다. 그러나 항 산화물질이 부족하면 분자 “스파크”(Molecular spark)에 의한 손상이 누적되어 세포 기능이 심각하게 훼손된다. 이와 같은 세포의 산화 손상이 퇴행성 질환의 원인 인자로 알려져 있다. 실제로 산화 스트레스는 수많은 퇴행성 질환 과정에 관여한다. 레이 스트랜드(Ray Strand)는 신체 내 산화 스트레스와의 전쟁을“내전’(war within)이라고 불렀다.
1954년, 하먼의 프리라디칼 이론이 등장할 때까지, 프리라디칼은 신체 외부에만 존재하는 것으로 간주되었다. 1968년 하먼은 생쥐 사료에 소량의 비타민 E를 추가하면 수명이 5% 가량 늘어나는 사실을 발표했다. 1970년대, 이온을 발생시키는 방사선 (감마선)이 세포막 표면에 작은 구멍을 뚫어 세포질 내용물이 누출되는 심각한 손상을 야기한다는 사실과 비타민 E가 세포막 지질 과산화를 억제시킬 수 있다는 결과가 발표되었다.
1971년, 리차드 패스워터(Richard Passwater)는 항 산화물질의 영양학적 기능을 처음 으로 기술했고 그 후부터 항 산화 영양소에 관한 연구가 급증했다.
오늘날 비타민 A, 비타민 C, 비타민 E, 베타-카로틴, 코엔자임 Q10, 셀레늄, 아연, 글루타치온, 알파 리포산, N-아세틸 시스테인(NAC), 프로안토시아닌, 바이오플라보노이드 그리고 기타 발음조차 어려운 수많은 화학 물질이 무수한 산화 공격에 맞서 싸울 항 산화 무기로 각광받게 된 것이다.
항 산화물질은 세포에 구조적 손상을 일으키기 전에 프리라디칼을 제압한다. 프리라디칼에서 짝을 이루지 못한 외짝 전자를 제거하고 항 산화 물질 자체는 산화된다. 그러나 일부 항 산화물질들은 다른 항 산화물질에 의해 재생되기도 한다. 따라서 한가지 보다는 여러 가지 광범위 항 산화 물질을 함께 복용하는 것이 유리하다. 임무를 수행한 항 산화물질은 완전히 다른 화합물로 전환되기도 하고 체외로 배설되기도 한다.
신체는 스스로 몇 가지 항 산화 물질을 만들어 내지만 음식을 통해 섭취해야 하는 것들도 있다. 내인성 항 산화물질에는 신체의 천연 효소, 코엔자임 그리고 글루타치온이나 N-아세틸-시스테인 같은 유황 함유 분자들이다. 식품에 들어있는 항 산화물질은 비타민 A (베타-카로틴을 포함한 카로티노이드 성분들), 비타민 E와 C, 그리고 무수한 바이오플라보노이드 및 과일과 채소에 포함된 유황 함유 화합물 등이 있다. 셀레늄, 망간, 구리, 아연 등 일부 미네랄은 그 자체가 항 산화물질은 아니지만, 체내 항산화 체계에서 중요한 기능을 한다.
항 산화물질을 적절히 사용하면 암, 심장병, 죽상 동맥 경화증, 당뇨병 발병을 줄일 수 있다. 항 산화물질이 프리라디칼에 의한 산화 반응으로 야기된 수많은 질병을 호전시키거나 예방한다 증거는 이제 더 이상 반박할 수 없는 명백한 사실이다(Michael Colgan)
팀웍의 힘, 상승작용
항 산화물질 가운데 어느 것이 가장 뛰어난 해결사(magic bullet; 마법의 탄환)인지 구분하는 일은 더 이상 필요하지 않다. 화재 현장에서 여러 소방관들이 서로 협력하여 진화 작업을 할 때 최대 효과를 기대할 수 있는 것처럼 항 산화물질도 여러 종류가 함께 작용할 때 최고의 효과를 낸다. 이것이 바로 패스워터가 말한 시너지(상승) 효과다. 한 종류의 항 산화물질이 산화 유발 물질에게 전자를 공여하기 위해서는 다른 항 산화물질이 필요하다. 일종의 분자 릴레이 팀이다.상승 효과란 총체적인 효과가 각 부분을 합친 효과보다 더 크다는 것을 의미한다. 또한 항 산화 물질은 제각기 세포의 다른 영역에 작용한다. 비타민 E는 세포막에 작용하는 최고의 항 산화물질이며 세포막에서 프리라디칼이 만들어낸 과산화 지질을 제거한다. 비타민 C는 세포 외 액에서 가장 활발히 작용하며, 글루타치온과 함께 세포질의 액상 부위에도 작용한다. 비타민 C와 E는 모두 셀레늄과 함께 베타 카로틴의 효과를 강화시킨다. 베타 카로틴은 그 자체로도 강력한 항 산화물질이며 비타민 A의 대사 전구체다. 코엔자임 Q10(CoQ10)은 세포 호흡 시 일어난 산화 화재(oxidative fire)로부터 미토콘드리아 막을 보호하고 미토콘드리아 내부에서 에너지 전이 반응을 돕고 산화된 비타민 E를 원상태로 되돌리는 역할도 한다. 이와 같은 항 산화 물질들이 모두 함께 작용하여 날마다 전투 계획을 편성하고 상승 효과라는 조화를 통해 세포를 보호한다. 이것이야 말로 대자연이 만들어낸 걸작이 아닐 수 없다.
항 산화 효소 시스템
프리라디칼 공격을 막아내는 세포의 첫 번째 방어선은 1) 과산화 디스뮤타제(SOD: Superoxide dismutase), 2) 카탈라제(Catalase) 3) 글루타치온 과산화효소 (Glutathione peroxidase)등 효소 시스템이다. 이 내인성 항 산화 물질 삼총사는 함께 협력하여 세포 호흡 도중에 부수되는 세포 독성 ROS를 제거한다.
세포 반응 → 2O₂- (과산화 라디칼) → 4H₊+2O₂- → (과산화 디스뮤타제) → 2H₂O₂(과산화 수소) → 카탈라아제,글루타치온 과산화효소 → 2H₂O(물) +O₂(산소)
1단계: 세포의 대사 활동으로 생긴 독성 과산화 라디칼(superoxide radical)이 과산화 디스뮤타제 (SOD, 항 산화 효소)에 의해 수소 이온과 결합하여 과산화 수소를 만들어낸다.
2단계: 강력한 산화 유발 인자인 과산화 수소를 제거하기 위해 세포는 두 개의 항 산화 효소 시스템, 카탈라아제와 글루타치온 과산화 효소가 작용한다.
3단계: 카탈라아제와 글루타치온 과산화 효소가 함께 작용하여 과산화 수소 분자를 분해시켜 무해한 물과 산소를 만들어낸다.
나이가 들어가면 인체는 이와 같은 항 산화 효소의 생성 능력이 점차 감소하여 프리라디칼 축적을 피할 수 없다. 축적된 프리라디칼에 의한 산화 손상이 증가함으로써 만성 퇴행성 질환 및 노화가 촉진된다. 신체 내부가 서서히 “녹슬기” 시작하는 것이다.
부단한 산화 공격을 받은 세포가 손상되면 대사 기능을 제대로 수행할 수 없는 퇴행 상태에 도달하다 결국은 세포 기능의 작동까지 멈추게 된다.
Antioxidant Source Antioxidant activity (estimated by three different methods) FRAP (mmol Fe2+/ Kg FW) TRAP (mmol Trolox/Kg FW) TEAC (mmol Trolox/Kg FW) Artichoke 11.09 6.85 1.55 Arugula 14.30 4.22 3.55 Asparagus 10.60 9.71 3.92 Avocado 4.90 1.87 2.22 Beet 13.13 2.70 5.21 Beetroo(red cooked) 15.31 7.67 2.94 Broccoli 11.67 3.07 3.04 Cabbage (green) 5.79 2.83 1.15 Cabbage (Savoy) 8.17 2.35 2.08 Carrot 1.06 0.70 0.44 Cauliflower 4.27 1.61 1.10 Celery 1.16 0.47 0.49 Chicory 6.72 1.88 1.86 Cucumber 0.71 0.43 Eggplant 3.77 2.82 1.10 Endive 3.24 0.91 0.30 Fennel 2.33 0.78 0.43 Green bean 2.35 0.65 1.27 Leek 2.15 10.2 0.72 Lettuce (green) 4.94 2.31 1.33 Mushroom 16.39 6.26 4.93 Onion (yellow) 5.28 2.43 1.82 Pepper (chili) 23.54 6.42 7.62 Pepper (red bell) 20.98 5.47 8.40 Potato 3.67 0.85 0.80 Pumpkin 4.00 3.71 Radicchio 11.39 6.27 3.24 Radish (red) 3.77 3.62 2.22 Spinach 26.94 5.79 8.49 Swiss chard (stalk) 11.60 2.91 3.53 Tomato (salad) 5.12 1.31 1.65 Tomato (sauce) 6.15 1.69 1.47 Turnip tops 17.77 6.62 5.52
항산화 지수(1), ORAC Value, Trolox Equivalent
Trolox Equivalent(트롤록스 당량 : μmol TE/L(또는 μmol TE/Kg)
서로 다른 식품이나 건강 기능 식품의 항 산화 능력을 측정하여 비교하는 수치로 볼티모어의 매릴랜드 소재, 국립 노화 연구소(National Institute on Aging) 에서 개발한 개념이다.
방법
활성 산소 종인 Peroxyl radical(산화제)을 검사 식품에 혼합한 후 형광의 산화적 파괴 정도를 35분 동안 매분 측정하여 이를 표준 항산화제인 Trolox(항산화제인 수용성 비타민 E 유사물질)와 비교한다. 산화되면 형광의 강도가 감소하며 항 산화제가 존재하면 형광의 산화적 파괴 속도가 감소하여 형광강도는 증가한다. 파괴 곡선 그라프(형광의 강도와 시간)가 생성되고 곡선 하부 지역을 계산한다. 상이한 Trolox 농도를 시용하여 표준 곡선을 만든 다음 이것과 샘플을 비교한다. 최종 결과를 Trolox equivalent(TE)로 표시한다.
ORAC(Oxygen Radical Absorption Capacity)는 활성 산소 소거능을 수치화한 것이다. 식재나 건강 식품 등의 항 산화 기능을 측정하는 지표의 하나로서근자에 공공 기관에서 채용하고 있다. 단위는 μmolTE/L(또는 μmolTE/Kg)이다.
TE는 트롤록스당량(Trolox equivalent)이며 TEAC(Trolox Equivalents Antioxidant Capacity)라고도 한다.
ORAC 지수는 현재 미국에서 가장 주목 받고 있는 활성 산소 흡수 능력이며 ORAC 수치가 높을 수록 활성 산소 흡수 능력(항 산화력)이 높다는 뜻이다.
세포 막에 손상을 주는 활성 산소(ROS)의 일종인 Peroxyl radical에 대한 항 산화 능력을 검사 분석한 결과를 ORAC 스코아로 나타낸다. 미국에서는 1일 필요 섭취량을 3,500 ORAC로 설정하고 있지만 미국인 실제 평균 섭취량은 1,250 ORAC다.
ORAC 분석은 형광성을 조사하는 용액, 플루오레세인을 사용)을 이용하여 프리 라디칼의 한 종류인 Peroxyl radical(신체의 가장 민감한 활성 산소종)에대항하는 항 산화 물질의 제거 능력을 측정한다. 수용성 비타민 E와 같은 유형인, 트롤록스는 눈금 측정의 기준으로 사용되고 있으며 ORAC 결과를 트롤록스 당량(TE)으로 표시한다
ORAChydro 는 수용성 항 산화 능력을, ORAClipo는 지용성 항 산화 능력을 나타낸다. ORACtotal은 ORAChydro 와 ORAClipo 총계를 나타낸다. 대부
분의 항 산화 과학자들은 ORAC 지수를 식품의 항 산화 능력을 평가하는 "골드 스탠다드"라고 여기고 있다
적용
2004년 미국 농무성에서 미국인이 흔히 섭취하는 100가지 이상 음식의 ORAC 지수 리스트를 발간했다. 이 결과에 의하면 모든 식물은 총 ORAC에 기여하는 여러 정도의 친지성(脂肪) 및 친수성 식물 화학 물질을 함유하고 있다는 사실을 밝혀냈다.
항산화 능력이 높은 식품 리스트(USDA data)
Rank/ Food Serving size/ Antioxidant capacity per serving size
1 Small Red Bean ½ cup dried beans 13727
2 Wild blueberry 1 cup 13427
3 Red kidney bean ½ cup dried beans 13259
4 Pinto bean ½ cup 11864
5 Blueberry 1 cup (cultivated berries) 9019
6 Cranberry 1 cup (whole berries) 8983
7 Artichoke hearts 1 cup, cooked 7904
8 Blackberry 1 cup (cultivated berries) 7701
9 Prune ½ cup 7291
10 Raspberry 1 cup 6058
11 Strawberry 1 cup 5938
12 Red Delicious apple 1 apple 5900
13 Granny Smith apple 1 apple 5381
14 Pecan 1 oz 5095
15 Sweet cherry 1 cup 4873
16 Black plum 1 plum 4844
17 Russet potato 1, cooked 4649
18 Black bean ½ cup dried beans 4181
19 Plum 1 plum 4118
20 Gala apple 1 apple 3903
High scoring foods = Acai, Cerasus (Montmorency tart cherries) prunes, raisins, blueberries, kale, spinach, spices and cocoa.
혈중 Trolox Equivalent Antioxidant Capacity(TEAC)
항 산화 능력은 체내 및 체외에서 검사한다. 그러나 체내 검사는 고비용 때문에 생체 외 검사를 흔히 사용한다.
야채의 항 산화 능력
야채의 총 항 산화 능력 측정은 3가지 방식으로 측정한다. FRAP, TRAP,TEAC가 그것이다. 야채의 수용성 및 지용성 추출물의 항 산화 능력 평가 리스트는 다음과 같다.
FRAP = Ferric reducing antioxidant power
TRAP = Total radical-trapping antioxidant parameter
TEAC = Trolox equivalent antioxidant capacity
야채 추출물의 총 항 산화 능력(Total antioxidant capacity of vegetable extracts)
FW = Fresh weight
항산화 지수(2), ORAC Value, Trolox Equivalent