비타민D, 칼시페롤이란

 

지난 시간의 비타민C에 이어 이번 시간에는 비타민D에 관한 이야기를 해보도록 하겠습니다. 비타민D는 앞서 살펴본 비타민B군이나 비타민C와는 다르게 비타민A와 마찬가지로 지용성 비타민으로 분류되며, 세부적으로 비타민D2, 비타민D3로 나눌 수 있습니다. 비타민D2는 일반적으로 식물 내에 존재하고 비타민D3는 동물에 많이 함유되어 있습니다. 이 중 비타민D3가 인체에 중요한 역할을 한다고 할 수 있습니다. 또한 비타민D는 체내에서 자체적으로 형성할 수 있는 비타민으로서 피부 세포에 있는 7-디하이드로콜레스테롤이 햇빛 속 UV-B 자외선을 통해 형성됩니다.

 

"비타민D 발견 역사"

 

엘머 맥콜럼(1879~1967), 미국 생화학자

 

미국의 생화학자인 엘머 맥콜럼(Elmer McCollum)과 마거릿 데이비스(Marguerite Davis)는 1914년 어류인 대구의 간에서 추출한 기름으로 특정 물질을 발견하였는데 이는 후에 비타민A라고 명명되었습니다. 영국의 의사인 에드워드 멜란비(Edward Mellanby)는 위에서 언급한 대구 기름을 섭취한 개는 구루병에 걸리지 않는다는 것을 발견하고 비타민A 또는 이와 관련된 특정 요소가 구루병이라는 질환을 예방할 수 있을 것이라는 연구 결과를 발표합니다. 이후 1922년 엘머 맥콜럼은 비타민A를 분해시키고 조제한 대구 기름을 별도로 검사하게 됩니다. 구루병에 걸린 개가 앞서 비타민A를 제외하고 조제된 대구 기름으로 치료가 되는 것을 확인한 맥콜럼은 구루병을 치료한 대구 기름에 있는 요소는 비타민A와는 별개의 요소라는 결론을 내리며 이를 발표하는데 이 물질을 비타민D라고 명명했습니다. 비타민D라고 명명한 이유는 비타민D가 순서상 4번째로 발견하고 명명한 비타민이었기에 알파벳 순서에 따라 D라고 붙인 것입니다. 이때 까지만 해도 비타민D가 인간 체내에서 자외선광 노출로 인해 자체 합성이 가능하다는 사실을 인지하진 못하고 있었습니다.

 

아돌프 오토 라인홀트 뷘다우스(1876~1959), 독일의 화학자

 

1925년 미국의 의사인 알프레드 파비안 헤스(Alfred Fabian Hess)는 연구 중 7-디하이드로콜레스테롤을 빛에 노출시키니 특정 종류의 지용성 비타민이 생성된 것을 확인했고 "빛이 곧 비타민D이다"라고 언급했습니다. 독일의 괴팅겐 대학교의 아돌프 오토 라인홀트 뷘다우스(Adolf Otto Reinhold Windaus)는 스테롤(sterol)의 구조 및 비타민과의 관련성에 대한 연구로 1928년 노벨 화학상을 받았습니다. 1929년 런던 런던 햄프스테드의 국립의료연구소(NIMR)의 한 그룹은 비타민D의 구조에 관하여 연구를 진행하고 있었는데 이 당시만 하더라도 스테로이드의 구조는 물론 비타민D의 구조도 확인하지 못한 상태였습니다. J.B.S. 할데인(J.B.S. Haldane), J.S. 버널(J.D. 버널), 도로시 크로우풋(Dorothy Crowfoot)은 그룹을 결성하고 비타민D의 구조에 관한 논의를 진행하였습니다. X선 결정학은 뷘다우스가 이끄는 독일팀이 제안하는 바와는 달리 스테롤 분자가 평평하다는 것을 증명하였습니다. 1932년 오토 로젠하임(Otto Rosenheim)과 해롤드 킹(Harold King)은 스테롤과 담즙산(bile acid)의 구조를 제시하는 논문을 한 편 발표하였으며, 이는 발표되자마자 큰 호응을 얻었습니다. 연구 팀원인 로버트 베네딕트 보어딜런(Robert Benedict Bourdillon), 오토 로젠하임, 해롤드 킹, 케네스 캘로우(Kenneth Callow) 사이의 비공식적인 공동 학술 연구는 매우 생산적이었고 마침내 비타민D를 순수하게 분리해내고 그 특성을 확인할 수 있게 되었습니다. 이후 1930년 아돌프 뷘다우스는 비타민D의 화학적 구조를 더욱 명확하게 밝혀내게 됩니다.

 

"비타민D 구조적 형태"

 

비타민D(콜리칼시페롤/비타민D3) 구조식

 

비타민D에는 몇 가지 형태가 존재하는데 주요 형태는 비타민D2, 에르고칼시페롤과 비타민D3, 콜레칼시페롤이라고 하며, 아래 첨자가 없는 비타민D는 비타민D2, 비타민D3 또는 두가지 형태 모두를 뜻하며 칼시페롤이라 총칭합니다. 비타민D2는 1931년 화학적으로 특성이 확인되었고 비타민D3는 1935년 화학 구조가 확인되었으며 7-디하이드로콜레스테롤에 자외선을 비출 경우 생성된다는 사실이 증명되었습니다. 비타민D의 다양한 종류는 세코스테로이드(secosteriod), 즉 스테로이드 고리 중 하나가 끊어져 있는 변형된 스테로이드 호르몬의 형태이며, 비타민D2와 D3의 구조적 차이는 곁사슬에 있습니다. 비타민D2의 곁사슬은 탄소22와 탄소23 사이에 이중 결합이 있으며 24번 탄소에는 메틸기가 존재합니다.

 

비타민D2의 경우 효모나 식물들 위주로 존재하며, 비타민D3는 연어, 고등어 등 기름진 생선이나 간유, 난황 등에 포함되어 있습니다. 이중에서 체내에서 자체적으로 합성되는 비타민D는 비타민D3 형태입니다.

 

UV-B 자외선에 의해 피부의 7-디하이드로콜레스테롤이 프리비타민D3로 전환되고, 프리비타민D3는 온도에 의해 비타민D로 이성화됩니다. 프리비타민D3의 약 50%는 2시간 내 비타민D로 변화하게 됩니다. 비타민D는 피부에서 혈액 내로 들어와 비타민D 결합 단백질과 결합하게 되며 프리비타민D3의 일부는 UV-B 자외선에 의해 생리적 활성이 없는 루미스테롤(lumisterol)이나 타키스테롤(tachysterol)로 이성화 됩니다. 혈액 내로 들어가지 못한 비타민D3는 UV-B 자외선에 의해 스파스테롤(suprasterol) I, 수프라스테롤 II로 이성화 됩니다. 이러한 작용 기전에 의해 단순히 햇빛에 지나치게 노출된다고 해도 비타민D에 따른 독성이 발생하지 않게 됩니다.

 

"비타민D 기능 및 결핍 증상"

 

 

비타민D는 체내에서 골격 성장 및 유지, 무기질의 항상성 유지에 필수적인 호르몬이며 골다공증의 예방과 치료뿐만 아니라 골격계 이외의 조직에서도 중요한 역할을 수행합니다. 골격과 무기질의 항상성 유지에 중요한 역할을 하는 장기인 뼈, 신장, 소장 내에 활성형 비타민D인 1,25(OH)2D3(이하 칼시트리올)과 높은 친화력으로 결합하는 비타민D 수용체(VDR)가 존재하며 이 외에도 심장, 위장, 췌장, 뇌, 피부, 성선, 면역세포 등 여러 장기와 조직에서도 VDR이 존재한다는 것은 비타민D가 비골격계의 생물학적 과정에 관여한다는 가능성을 시사합니다.

 

지금까지 비타민D와 질병에 대한 많은 연구가 이루어져 왔지만 주로 골다공증이나 골연화증 등의 골격 질환에 국한되어 진행되어 왔습니다. 비타민D와 일차적으로 연관 있는 장기인 뼈, 신장, 소장은 무기질 대사와 신경 근육계에 관여하지만 비타민D의 효과는 무기질과 골격의 항상성 유지에만 국한되지 않는다고 할 수 있습니다. 그렇다면 이렇게 체내에서 다양한 형태로 중요한 역할을 수행하는 비타민D의 결핍과 과잉에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

태양 광선이 비타민D 합성에 중요한 역할을 하기 때문에 태양을 적게 보거나 태양에 노출되는 시간이 적은 직업에 종사하는 사람들은 비타민D 결핍에 주의를 해야 합니다. 또한 자외선 차단제를 바르고 햇빛에 노출되거나 실내에서 유리창을 통해 햇빛에 노출되는 것으로는 비타민D가 생성되지 않습니다. 자외선 차단제는 비타민 D 형성에 필수인 UV-B 자외선을 적극적으로 차단시키기 때문이며, 유리창도 피부암을 발생시킬 수 있는 UV-A 자외선은 투과되어 노출되지만 마찬가지로 UV-B 자외선은 차단되기 때문에 이러한 것만으로는 비타민D 결핍이 발생할 수 있습니다.

 

비타민D 결핍의 주요 원인으로는 일조량 부족, 비타민D 흡수 장애, 간/신장 장애 등이 있으며 결핍 증상으로는 구루병, 골다공 증 등 뼈와 관련된 질병이 발생될 수 있습니다. 이 외에도 비타민D는 면역 세포 생성과 활성에도 관여하기 때문에 면역력 약화로 인한 아토피 피부염, 알레르기 비염과 같은 증상이 발생할 수 있습니다. 또한 당뇨병, 심부전, 심장병, 근육통, 고혈압 등의 질병이 발생될 수 있기 때문에 비타민D가 결핍되지 않도록 적절한 양을 섭취하는 것이 중요합니다.

 

비타민D는 지용성이기 때문에 체외 배출이 쉽지 않아 체내에 쌓일 수가 있습니다. 이렇게 쌓인 비타민D는 스테로이드 호르몬과 유사하게 작동하게 되며 세포 안에서 순환하게 됩니다. 비타민D과 과하게 체내에 축적될 경우 단백질 수용체나 전달체와 같이 비타민이 저장되는 장소들이 가득 차게 되어 제대로 결합하지 못하게 됩니다. 이렇게 비타민D를 과잉으로 섭취하게 될 경우 주요 과잉 증상으로는 고칼슘혈증, 신부전증, 메스꺼움 및 구토, 변비, 근육 피로 및 뼈의 통증, 불안, 우울증, 정신 착란 등이 발생할 수 있습니다.

 

"비타민D 함유 식품"

 

 

비타민D는 자연 식품에 거의 없거나 극히 소량만 함유되어 있는 편입니다. 비타민D는 식물성 식품만을 통해서는 섭취하기가 어려운 편이며 동물성 식품, 그 중 특히 어류를 통해서 섭취하는 것이 가장 효율적입니다. 그럼 몇 가지 예를 통해 어떠한 식품에 비타민D가 함유되어 있는지 알아보도록 하겠습니다.

 

동물성 식품으로는 동물과 생선의 간, 청어, 갈치, 황새치, 대구, 홍연어, 고등어, 정어리, 참치 등을 통해서 비타민D를 섭취할 수 있으며, 계란, 치즈 등에도 소량 함유되어 있습니다. 식물성으로 섭취할 수 있는 식품으로는 송이버섯, 표고버섯 등 버섯류를 통해서 섭취가 가능하며 비타민D가 강화되어 있는 일부 식품인 오렌지 주스, 유제품, 씨리얼 등을 통해서도 어느정도 섭취가 가능합니다.

 

비타민D 충분 섭취량

 

비타민D의 함량의 경우 일반적인 mg, μg 등으로 표현하기도 하지만 일반적으로 I.U라는 단위를 보다 많이 사용하는 편입니다. I.U의 경우 국제 단위(International Unit)의 약자이며, 효소나 비타민의 활성의 양을 나타내는 단위입니다. 처음 물질이 개발되었을 때 정확한 분자량을 결정하지 못한 상태에서 무게와 무관하게 일정한 효능을 나타내는 단위를 1 단위로 결정하게 되고 해당 물질의 분자 구조가 밝혀지면서 분자량이 결정되어 무게와 역가와의 상관 관계가 밝혀지게 됩니다. 쉽게 표기하자만, I.U는 효능을 나타내는 단위이며 mg, μg은 무게를 나타내는 단위입니다.

 

비타민D의 1 I.U는 무게 단위로 환산할 경우 0.025μg이며, 반대로 비타민D 1μg은 40 I.U로 표기할 수 있습니다. 비타민D 역시 지난 시간에 알아본 비타민B7과 마찬가지로 정확한 필요량을 추정할 수 있는 과학적 근거가 부족하기 때문에 일일 권장량 대신 충분 섭취량으로 표기하고 있습니다. 비타민D의 충분 섭취량은 위 표와 같으며, 성별과 무관하게 14세 미만 어린이들의 경우 5μg(200 I.U), 14세 이상 성인의 경우 10μg(400 I.U)로 설정하고 있습니다. 위 표에는 명시하지 않았지만 비타민D 1일 상한 섭취량의 경우 1~2세는 30μg(1,200 I.U), 3~5세 35μg(1,400 I.U), 6~8세 40μg(1,600 I.U), 12~18세 100μg(4,000 I.U)입니다. 따라서 상한 섭취량 미만으로 충분 섭취량을 충족하는 수준에서 비타민D를 섭취할 수 있도록 해야하겠습니다.

 

여기까지 비타민D에 대해 여러가지를 알아보았습니다. 다음 시간에는 비타민E, 토코페롤에 대해 알아보도록 하겠습니다.