현대 의학, 영양소 부족으로 인한 대사 이상에 한계
효소 중심으로 구조와 대사 고려해 인체 파악해야 

인체의 모든 것은 구조(structure)와 대사(metabolism)로 나누어집니다. 대사에 의해서 구조가 만들어 지고 구조가 있어야 대사가 가능합니다.

마치 ‘닭이 먼저냐 달걀이 먼저인가’ 하는 논쟁과 같은 것일지 모르겠지만 구조가 있어야 대사가 있고 대사가 있어야 구조가 있는 것입니다. 구조와 대사는 동시에 존재해야 생명이고 생명에서 구조와 대사는 항상 동시에 존재합니다.

이 중심에 enzyme이 있습니다. enzyme은 인체의 DNA에 의해서 만들어지지만 반드시 필요한 것이 있습니다.

바로 cofactor입니다. 이 때 꼭 있어야 영양소가 비타민 입니다. 비타민이 부족하게 되면 인체의 대사에 문제가 나타나게 되고 이것이 인체의 구조에 영향을 미치게 됩니다.

인체에는 무수히 많은 cofactor가 존재합니다. 오늘은 인체의 구조와 대사를 중심으로 이 cofactor를 분류 해보겠습니다.

■ 인체의 구조
인체는 단백질로 이루어져있습니다. 물론 다른 물질(탄수화물, 지질 등)도 있지만 기본적인 구조는 단백질입니다. 또 단백질은 탄수화물, 지질 등과 결합합니다.

인체는 우리가 먹은 단백질, 지방, 탄수화물로 이루어져있습니다. 단백질만 질소 원소를 가지고 있고 공통적으로 탄소, 수소, 산소로 이루어져있습니다. 이것들의 차이는 바로 각각의 원소가 어떻게 결합을 했느냐입니다. 인체를 구성하는 물질과 각각의 결합은 결국 DNA에 의해서 결정 됩니다. 우리가 무엇을 먹든 인체에 흡수가 되는 것은 amino acid, fatty acid, 단당류로 흡수가 됩니다. 이 물질들은 인체의 대사를 받고 인체의 구성 물질이 되거나 에너지로 전환이 됩니다. 그리고 위 그림에서 빠져 있는 내용이 있으니 그것은 바로 enzyme의 기능과 그것의 cofactor입니다.

■ Zn peptide bond의 시작
인체는 단백질을 흡수하는 것이 아니라 amino acid를 흡수합니다. 이 amino acid는 다음의 과정을 거치면서 인체의 구성 물질이 됩니다.

이 때 peptidase라는 효소가 관여를 하게 됩니다. peptidase를 흔히 Zn-dependent peptidase라고 합니다. 이 효소가 작동을 제대로 하려면 반드시 Zn이 필요합니다.

vit A는 단백질의 이용에 필수적인 비타민입니다. vit A의 대표적인 역할을 보면 성장을 촉진하고 뼈를 튼튼하게 하며, 피부, 머리카락, 치아, 잇몸을 건강하게 합니다. 이것의 공통점은 바로 인체 결합조직 connective tissue을 형성한다는 말이 됩니다. 결합조직은 collagen+proteoglycan(glycosaminoglycans+core protein)으로 구성됩니다. 또 vit A는 chondrotin sulfate 등의 glycosaminoglycan을 합성하는 대사에 cofactor로 작용합니다.

■ 인체 거대분자의 시작, 수소결합(hydrogen bond)
수소결합은 N, O, F 등 전기 음성도가 강한 원자와 수소를 갖는 분자가 이웃한 분자의 수소 원자 사이에서 생기는 인력으로 일종의 분자 간 인력입니다. 즉 수소결합은 분자와 분자간의 결합입니다. 인체의 거대한 분자로 대표적인 collagen을 보도록 하겠습니다.

collagen은 3개의 polypetide가 3중 나선구조를 이룹니다. 이때 lysine과 proline이 hydration을 거치면서 수소결합을 통해서 단단하게 결합을 하게 됩니다.

위 그림에서처럼 proline이 hydration을 거치는 반응입니다. proline에 -OH기를 전달할 때 필요한 것이 vit C입니다. Fe은 인체에서 gas(CO2, O2)의 운반 및 oxidation작용을 합니다.

■ 단백질 3차원 결합의 안정화 disulfide bond
거의 모든 단백질에는 disulfide bond가 존재합니다. 이 결합은 enzyme의 관여 없이 형성이 되면 인접한 cysteine side chain 끼리 서로 결합을 형성합니다.

이 반응은 인체의 효소에 의한 것이 아니고 산화환원 환경이 더 중요하게 작용을 합니다. 2개의 cysteine기가 산화반응을 나타내서 -S-S- 결합을 하게 되는 것입니다. 이 반응이 잘 일어나기 위해서는 산화환경이 중요하고 이 반응에서 나오는 수소이온과 전자를 받아줄 것이 반드시 필요합니다. 이 수소이온과 전자를 받아주는 것이 바로 NAD+ / NADP+입니다.

NAD(nicotinamide adenine dinucleotide) / NADP(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate)는 vit B3 niacin에서 만들어 집니다.  이 결합에서 가장 중요한 것은 바로 cysteine입니다.

■ methionine에서 cysteine 까지
sulfur 함유 아미노산은 메치오닌, 시스테인, 타우린, 글루타치온 등이 있습니다. 우리가 인체에 필요한 만큼의 시스테인을 섭취를 하는지 알 수 없지만 인체의 대사는 인체에 필요한 만큼의 시스테인을 합성 할 수 있습니다.

메치오닌은 많은 아미노산의 전구물질입니다. SAM(s-adenosyl methionine 항우울작용), cysteine(콜라겐합성에 관여), glutathione(항산화제), taurine 등의 합성에 메치오닌이 사용됩니다. 메치오닌이 다른 물질로 변하기 위해서 첫 번째 필요한 것이 바로 ATP이고 ATP는 Mg과 결합을 통해서 안정화 됩니다. 만약 Mg이 부족하게 되면 인체는 메치오닌 자체를 이용할 수 없게 되고 메치오닌으로부터 시작되는 물질들이 생성이 되지 않으므로 많은 문제를 나타냅니다.

■ methylation과 vit B12, folic acid
메치오닌에서 SAM, 호모시스테인을 거치고 다시 메치오닌으로 돌아오는 과정입니다.

이 대사는 methyl기의 이동입니다. 이 methylation을 통해서 DNA, 적혈구, 단백질 합성 등에 꼭 필요한 반응입니다. 이 때 cofactor로 folic acid(5-methyl tetrahydrofolate)와 vit B12(methylcobalamine)이 작용합니다.

■ 시스테인의 마지막 합성은 바로 transamination입니다
homocysteine에 있는 -SH기는 매우 불안정한 물질입니다. homocysteine의 축적은 동맥경화에 원인 물질로 지목이 되어있습니다. 이 homocysteine을 cysteine으로 전환 할 때 필요한 cofactor가 바로 비타민 B6입니다. 비타민 B6는 인체에서 pyridoxal phosphate(PLP)로 존재하면서 아미노산 대사에 절대적으로 필요한 cofactor입니다.

인체는 인체 필요한 모든 아미노산을 섭취하는 것은 아닙니다. 인체에 필요한 아미노산을 transamination을 통해서 생성을 합니다.

인체에 필요한 아미노산을 생성하기 위해서는 반드시 pyridoxal phosphate가 존재해야합니다.

■ 우리가 먹은 모든 음식은 인체가 원하는 물질로 변환을 합니다
인체는 우리가 무엇을 먹든지 반드시 인체가 원하는 물질로 전환을 해놓습니다. 이것은 인체의 대사에 의해서 조정이 되는데 이 중심에 바로 citric acid cycle이 존재합니다.

그리고 citric acid cycle의 중심에 바로 acetyl-coA가 있습니다.

acetyl-coA를 만들기 위해서는 coenzyme A가 있어야 하고 coenzyme A는 반드시 pantothenic acid가 존재해야합니다.

■ pyruvate에서 acetyl-coA로
우리가 섭취하는 많은 탄수화물이 전부 에너지로 전환이 되는 것은 아닙니다. acetyl-coA와 citric acid cycle을 통해서 인체에 필요한 것으로 전환이 되기도 합니다. pyruvate가 acetyl-coA로 전환되기 위해서는 다음의 과정을 거칩니다.

thiamine은 인체에서 thiamine pyrophosphate(TPP) 존재하는데 인체대사에서 decarboxylation을 하는 효소의 cofactor로 작용을 합니다. 그리고 이 대사에서 산화환원반응이 나타나는데 이때 이용되는 cofactor가 lipoic acid, FAD, NAD가 사용이 됩니다.

■ 환원된 NADH2/FADH2는  전자전달계로 이동 합니다
glucose 한 분자가 glycolysis와 citric acid cycle, electron transport를 모두 거치게 되면 C6H12O6 + 6O2 + 6H2O → 6CO2 + 12H2O + (30~32ATP) + 열생명에 중요한 에너지인 ATP를 생성하게 됩니다. glycolysis와 citric acid cycle을 거치면서 생성된 NADH2/FADH2는 전자전달계로 가서 ATP를 생성하게 됩니다.

전자전달계에서 cofactor로 coenzymeQ10, FAD/FMN, NAD, ADP, Pi 그리고 Cu, Fe 등이 필요합니다. 이러한 반응 외에도 전자전달계에서 생성되는 것이 있으니 바로 활성산소입니다. 이 활성산소의 항산화기전에 의해서 그림과 같은 반응으로 나타납니다.

이 항산화반응의 마지막에 glucose-6-P가 glucono-1,5-lactone-6-P로 pentose phosphate pathway로 가게 됩니다. 즉 활성산소에 의해서 DNA, RNA에 필요한 오탄당이 생성이 되게 되는 것입니다(활성산소는 대사과정에서 약 5%정도가 발생한다고 합니다. 활성산소에 의해서 세포가 손상을 입기는 하지만 활성산소가 없다면 대사에 심각한 영향도 미치게 됩니다. 활성산소가 문제가 아니라 항산화기능의 저하가 더 문제가 되는 것입니다). 인체의 몇몇 대사를 cofactor중심으로 한번 보았습니다. 이 외에도 수많은 대사가 존재를 하고 거기에는 당연히 cofactor가 존재합니다. 위에 적은 내용을 간단히 정리해 보겠습니다.

콜라겐의 합성을 위한 인체의 대사와 cofactor입니다.
현대질환을 보면 그 원인을 알지 못하고 그저 대증적인 치료를 하는 경우가 너무나 많습니다. 인체를 해부학적으로 아무리 분해를 해보고 혈액을 비롯한 각종 검사를 해보아도 영양소의 부족으로 인한 대사 이상을 찾을 수 있는 방법은 현재로서는 없습니다.

만약 영양소의 부족으로 콜라겐의 형성에 문제가 나타나게 된다면 이것은 인체의 수많은 결합조직의 손상으로 이어지게 되고 이것은 결합조직으로 만들어진 관절이나 근육의 손상, 혈관의 손상, 면역의 이상 등으로 나타나게 됩니다.

그렇다면 이러한 영양소의 부족을 어떻게 찾을 것이며 약사는 환자에게 어떻게 도움을 줄 수 있는지 비타민에 대해서 다시 한 번 보면서 글을 적어보겠습니다.