[무기질의 기능과 대사]철(Fe)과 구리(Cu)

철의 생리적 기능

철은 hemoglobin, myoglobin, cytochrome, 철-유황 단백질 등의 구성성분이다. 성인남자에 있어서 철 함유량은 hemoglobin에 약 2.5g, myoglobin에 약 150㎎, 금속효소에 6∼8㎎, transferrin에 약 3㎎이며 ferritin 또는 hemosiderin과 결합하여 저장되어 있는 철은 0.5∼1g(여자의 저장량은 0.5g 이하)이다.

철은 oxidase나 oxygenase의 구성성분으로 산소분자나 원자를 활성화하여 효소반응을 일으킨다. Cytochrome oxidase, catalase, peroxidase에서는 heme 철이 구성성분이고 phenylalanine monooxygenase, 3-hydroxyanthranilate oxygenase, homogentisate oxygenase, NADH dehydrogenase, succinate dehydrogenase(철-유황 flavin 단백질), aldehyde oxygenase, xanthine oxidase 등에서는 비 heme 철이 효소의 구성성분이다.

철의 대사

철의 흡수는 대부분 십이지장에서 일어난다. 음식물 중의 비 heme 철은 cysteine이나 비타민 C에 의해 Fe2+로 환원되어 용해성이 증가되고 peptide나 아미노산과 chelate 화합물을 만들어 흡수된다. 또 무기철은 위액과 함께 가용성의 착체를 만든다.

Fe2+형으로 세포막을 통과한 철은 Fe3+로 산화되고 혈장 중에 있는 특정의 철수송단백질(β-globulin)인 transferrin과 결합하여 수송되며 간, 비장, 골수, 근육조직에서 철저장단백질인 apoferritin과 결합하면 ferritin을 형성하여 저장된다. 비 heme 철은 장관에서 흡수되기 쉬워서 음식물에서 얻는 철의 주체이다. 

Ferritin이 과잉으로 되면 이것이 집합하고 부분적으로 변성하여 단백질을 잃은 hemosiderin형으로 저장된다. 음식물 중의 myoglobin이나 hemoglobin에서 유래한 heme 철은 장점막세포 중에서 파괴되고 유리된 Fe3+는 혈장 transferrin과 결합하거나 점막세포내에 ferritin으로 저장되고 점막세포의 탈락으로 배설되기도 한다.

철은 폐쇄된 대사계를 가진다. 즉 체내에서 파괴된 세포에 함유된 철은 연속적으로 재활용되고 체외로 손실된 철은 음식물로부터 흡수된 철에 의해 보충되므로 균형을 유지하게 된다. 혈장 Fe3+-transferrin은 신속하게 골수내로 들어가서 ferrireductase에 의해 Fe2+로 환원되어 적혈구 생성에 이용된다. 그리고 노화된 적혈구는 망상내피계(reticuloendothelial system; RES)에서 파괴되고 철은 다시 transferrin과 결합하여 골수로 운반되어 재활용된다.(그림 2 참조)

그림 2 철의 대사회로

인산함량이 높은 음식물의 인산은 철과 물에 불용성인 염을 형성하여 철의 흡수를 저해하고 또 phytic acid의 염도 철의 흡수를 저해한다. 일상적인 식사로 충분한 양의 철을 얻는 것은 곤란하므로 경우에 따라 간(肝) 등의 철함유량이 높은 음식물을 보충할 필요가 있다.

월경기간 중에 잃어버리는 철의 양은 16∼32㎎(혈액 35∼70㎖)으로 이것은 1일당 0.5∼1㎎에 해당한다. 필요량은 유아 10∼15㎎/일, 1∼3세 15㎎/일, 4∼9세 10㎎/일, 남자 10∼12세 15㎎/일, 13∼19세 18㎎/일, 20세 이상은 10㎎/일이며 여자의 경우 10∼49세 18㎎/일, 50세 이상 10㎎/일, 임신 및 수유부의 경우는 필요량+2㎎/일이다. 철은 담즙을 거쳐서 장관으로 배설된다.

철이 결핍되면 철결핍성빈혈(iron deficiency anemia)이 일어나고 철의존성 효소의 활성 저하로 산화적 인산화반응이 원활히 진행되지 않아 pyruvate의 불완전대사와 젖산 생산 증가를 가져온다. 구리결핍일 때의 철대사 이상은 세포나 혈장에 있어서 철순환의 저해가 원인이다.

철이 과잉으로 되면 출혈, 구토, 순환기장해 등이 일어난다. 국소적 또는 전신적으로 조직의 철함유량(hemosiderin으로서)이 증가한 상태를 혈철증(hemosiderosis)이라 한다. 이것은 보통 유전적인 것이지만 다량의 수혈시에도 일어나며 조직장해를 일으키지는 않는다.

혈색소증(hemochromatosis)은 철대사 이상에 의하여 철이 조직, 특히 간장 및 췌장에 침착하는 질환이다. 피부에도 청동색의 특유한 색소가 침착하고 뼈 및 관절의 변화와 함께 당뇨병이나 간경변을 합병한다. 유전성인 경우도 있으며 장기간 수혈을 지속하거나 철분약제를 투여할 때도 철과잉이 되어 발생한다.

 

 

구리의 생리적 기능

구리는 혈장 중에서 90% 이상이 간에서 합성된 apoceruloplasmin(㄁2-globulin)과 결합하여 ceruloplasmin을 형성하고 있으며 그 외는 albumin이나 유리아미노산과 결합하고 있다. Ceruloplasmin은 peroxidase의 기능이 있으며 철의 대사에 밀접하게 관계한다. 구리는 5-amino levulinate dehydratase 및 protoporphyrin에 철을 삽입하는 heme synthetase와 같은 효소의 구성성분으로서 heme 합성에 관여한다. 

이외에 구리를 구성성분으로 하는 효소로는 laccase, galactose oxidase, tyrosinase, lysyl oxidase, polyphenoloxidase, amine oxidase, uric oxidase, dopamine β-monooxygenase, ascorbate oxidase, cytochrome oxidase, superoxide dismutase 등이 있으며 구리는 철과 마찬가지로 산소와 상호작용을 한다. Superoxide dismutase는 세포질에 존재하며 subunit에 Cu2+와 Zn2+을 1개씩 함유하며 Mn2+만을 함유하는 것도 있다. 구리는 지질대사, 신경계의 수초(myelin sheath) 유지, collagen 성숙과정과 조골의 정상화 등에 관여한다.

구리의 대사

구리 섭취량의 25∼40%가 소장에서 흡수된다. 이 흡수는 장점막세포 중의 함황단백질인 metallothionein에 의해 조절된다. 아연은 이 구리 thionein을 안정화한다. Ascorbic acid를 다량 섭취하면 구리의 metallothionein과의 결합부위를 변경시키기 때문에 전혈액과 간장 중의 구리농도를 저하시키고 췌장 중의 철을 증가시킨다.

필요량은 성인 2.5㎎/일, 유유아와 소아 0.05㎎×체중(㎏)이다. 태아 간의 metallothionein에 구리와 아연을 저장한다. 배설은 대부분 담즙과 장관을 경유하여 일어난다.

구리가 결핍되면 hemoglobin 합성지연, 조혈장해로 인한 빈혈, elastin 형성장해로 인한 결합조직의 이상, 중추신경계장해가 기본징후이며, 영양질환, 식욕부진, 성장감퇴 등도 일어난다. 저색소성소적혈구성빈혈 (hypochromic microcytic anemia)은 철결핍성빈혈과 구별할 수 없지만 구리 결핍으로 ceruloplasmin 합성이 감소되어 ferritin 저장 철의 혈장 중으로의 분비가 저해되기 때문에 일어난다.

또 lysyl oxidase의 활성이 저하하여 뼈 collagen이나 대동맥 elastin의 안정성이나 강도가 감소하고 수초의 형성이 저하하며 또 dopamine이나 norepinephrine의 뇌내 농도가 저하한다. 구리결핍시에는 피하지방 중의 불포화지방산 함유량이 저하하고 cholesterol은 간장이나 혈장으로 신속하게 방출되고 혈청 중의 triacylglycerol, 인지질, cholesterol의 농도가 증가한다.

곱슬머리병(Menkes's disease)은 유전성질환으로 장관에서 구리의 흡수장해로 혈장 중의 구리와 ceruloplasmin 농도의 저하로 발생하며 발육장해, 정신신경장해를 일으킨다. 특히 모발은 생후 2∼3개월에서 갈색으로 곱슬머리, 열모를 나타내며 이외에 기도감염이 잘 일어나거나 혈관의 약화와 골구조 장해가 인정된다.

구리가 과잉으로 되면 간경변, 복통, 구토, 설사, 운동장해, 지각신경장해 등이 일어난다. 윌슨병(Wilson's disease)은 유전성질환으로 ceruloplasmin의 형성장해와 담즙으로 구리의 배설장해로 인하여 간장, 뇌, 신장, 눈의 각막에 구리 축적이 일어난다. 

증상으로 간경변, 뇌 기저핵의 변성에 의한 정신신경증상, 신세뇨관장해(아미노산, peptide, 포도당 배설), 용혈, 각막에 구리 침착으로 Kayser-Fleischer ring 등이 나타난다. 혈청 중의 구리와 ceruloplasmin 농도는 낮으나 불안정한 albumin 결합 구리는 증가하고 요 중으로 구리 배설도 증가한다.

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