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비타민A(베타카로틴)
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오늘날에는 영양소라 하면 제일 먼저 떠올리는 것이 비타민이지만, 비타민의 존재가 알려진 것은 100여 년 정도밖에 안 된다. 1900년대 초반부터 기존의 탄수화물, 지방, 단백질, 무기질 외에 사람의 생존 유지에 필수적인 신비한 물질의 존재가 알려지기 시작하였으며, 비타민A라 명명된 물질도 그 중 하나이다. 베타카로틴(β-carotene)은 식물에서 발견되는 비타민A와 비슷한 구조를 가진 화합물질로서 인체 내에서 비타민A로 전환되므로 ‘프로비타민A(provitamin A)’라고도 불린다.
1912년 풍크(Casimir Funk)는 쌀겨로부터 각기병(脚氣病)에 효능이 있는 성분을 분리해 내고, 이 물질을 ‘vitamine’이라고 이름 지었다. 그 후 맥컬럼(E.V. McCollum)은 1913년 쥐의 성장을 위해 꼭 필요한 미지의 영양소가 버터 지방에 섞여있다는 것을 발견하고 ‘지용성A(fat-soluble A)’라고 불렀으며, 1915년에는 유당(乳糖)의 수분 추출물에도 필수요소가 있다는 것을 발견하고 ‘수용성B(water-soluble B)’라고 이름 붙였다. 1919년 드럼몬드(Jack Cecil Drummond)는 오렌지 추출물에서 괴혈병 치료에 효과가 있는 물질을 발견하고 ‘수용성C(water-soluble C)’라고 이름 붙였으며, 이듬해인 1920년 미량의 필수불가결한 물질이 아민(amine)만은 아니므로 풍크가 명명한 vitamine에서 ‘e’를 떼고 ‘vitamin’이라고 부르자고 제안하며, ‘수용성C’를 ‘비타민C’라고 명명하였다. 이 제안이 채택되어 지용성A는 비타민A로, 수용성B는 비타민B로 각각 불리게 되었다.
비타민A의 화학구조는 1931년 카러(Paul Karrer)에 의해 밝혀졌으며, 1937년 쿤(Richard Kuhn)에 의해 최초로 합성되었다. 1960년 ‘국제순수및응용화학연맹(IUPAC)’에서 비타민A가 망막(retina)에 특수한 작용을 나타내고, 알코올의 일종이므로 ‘레틴올(retinol)’이라고 부를 것이 제창되었다. 비타민A는 대부분의 육상 척추동물과 해양동물에서 발견되는 A1과 담수어에서 발견되는 A2가 있으며, 우리가 흔히 비타민A라고 부르는 것은 비타민A1을 의미한다. 비타민A2는 ‘디하이드로레틴올(dehydroretinol)’이라고도 하며, 비타민A1에서 수소 두 개가 떨어져 나가서 탄소의 이중결합이 하나 더 많은 형태이다. 레틴올은 인체 내에서 ‘레틴알(retinal)’과 ‘레티노산(retinoic acid)’으로 전환될 수 있으며, 이들을 통틀어서 ‘레티노이드(retinoid)’라고 부른다.
식품 중의 레틴올 함량은 예전에는 국제단위(IU, International Unit)로 표시하였으나, 1967년 FAO/WHO 합동위원회에서 레틴올당량(RE, retinol equivalent) 또는 ㎍으로 표시하도록 제안되었다. 레틴올당량은 레틴올뿐만 아니라 비타민A의 전구물질을 레틴올로 환산한 값을 모두 포함한 값이다. 1 RE는 1㎍의 레틴올에 해당하며, 베타카로틴은 6㎍을 1㎍의 레틴올로 환산하고, 기타 프로피타민A는 12㎍을 1㎍의 레틴올로 계산한다. 이론적으로 하나의 베타카로틴은 두 개의 레틴올을 만들 수 있으나, 식품 중 베타카로틴의 인체 흡수율이 낮고, 레틴올을 만드는 효소의 활성도 낮아 6개의 베타카로틴 중 하나 정도로 레틴올로 전환되며, 기타 프로비타민A는 베타카로틴보다도 전환률이 낮다. 1 IU는 비타민A 0.3㎍에 해당하므로 레틴올당량을 국제단위로 환산하려면 0.3으로 나누면 된다.(1 IU = 0.3 RE, 1 RE = 3.33 IU)
동물성 식품에 함유되어 있는 비타민A는 대부분 레티닐에스테르(retinyl ester)의 형태로 존재하고, 소장에서 레틴올로 가수분해되어 흡수되며, 흡수율은 약 90%이다. 흡수된 레틴올은 간으로 운반된 후 사용되거나 저장된다. 건강한 사람의 경우는 상당량의 레틴올이 저장되어 있으므로 몇 개월간 레틴올을 섭취하지 않아도 결핍증상이 나타나지 않는다. 과잉의 레틴올은 글루쿠론산(glucuronic acid)이나 타우린(taurine)과 결합하여 담즙으로 제거되며, 대사 산물의 70%는 대변으로 그리고 나머지 30%는 소변을 통해 배설된다.
비타민A는 필수영양소로서 부족하게 되면 여러 가지 결핍증상이 나타나지만, 반대로 체내에 너무 많이 축적되면 과잉증상이 나타나므로 항상 적정한 상태를 유지하여야 한다. 한국영양학회에서 2005년에 발표한 한국인영양섭취기준에 의한 비타민A의 일일 권장섭취량은 성인 남자 700~750 RE이고, 성인 여자 600~650 RE이다. 임신부는 권장량에 50 RE가 더 필요하며, 수유부는 권장량에 500 RE가 더 필요하다. 상한섭취량은 성인 남녀 모두 3,000 RE이다. 상한섭취량이란 대부분의 사람에게서 건강상의 해악을 끼칠 가능성이 없는 하루 최대 섭취량을 의미한다.
보통의 사람들은 일상적인 식사에서 충분한 양의 비타민A나 베타카로틴과 같은 프로피타민A를 섭취하기 때문에 비타민A의 결핍이 발생하기 어려우나, 장기간 영양부족 상태에 놓여 있는 빈민층이나 노인에게서 발생할 수 있다. 또한 성인의 경우 비타민A의 체내 저장량이 많아 결핍증이 나타나기 어려우나 채소를 잘 먹지 않는 영유아나 성장기의 아동들에서는 나타날 수 있다. 알코올중독인 경우 비타민A가 흡수되지 못하고 배출되며, 간질환 환자의 경우는 간에 비타민A의 저장량이 부족하여 결핍증상이 나타날 수 있다. 대표적인 비타민A의 기능 및 결핍증상은 다음과 같다.
비타민A가 부족하면 초기증상으로 야맹증(夜盲症)이 나타난다. 야맹증이란 대표적인 비타민A 결핍증상으로서 밝은 곳에서 어두운 곳으로 들어갔을 때 순간적으로 잘 보이지 않게 되는 증상을 말한다. 망막에는 밝은 곳에서 기능하는 원추세포(圓錐細胞)와 어두운 곳에서 작용하는 간상세포(桿狀細胞)가 있으며, 간상세포에 있는 빛을 감지하는 색소인 로돕신(rhodopsin)은 비타민A와 옵신(opsin)이라는 단백질이 결합한 것이다. 따라서 비타민A가 부족하게 되면 로돕신을 만들 수 없으므로 어두운 곳에서 적응할 수 없게 되는 것이다.
비타민A는 상피세포(上皮細胞)의 합성, 구조 유지를 위하여 꼭 필요한 물질이며, 비타민A의 결핍이 더 지속되면 상피세포의 기능이 손상되고 점액 생산이 저하되어 소화기관, 호흡기관, 생식기관 등에 있는 점막이 퇴화하여 건조해지고 그 결과 세균의 침입에 대한 저항력이 약화되어 여러 가지 세균에 감염될 가능성이 증가하게 된다. 상피세포란 인체의 표면이나 내장 기관의 표면을 덮고 있는 세포로서 우리 몸을 보호하고 감각을 느끼는 작용을 하며, 인체의 활동에 필요한 액체를 분비하거나 영양소를 흡수하는 세포이다.
비타민A의 결핍이 계속되면 눈에서는 점막을 형성하는 세포가 파괴되어 윤활작용을 하는 눈물이 분비되지 않으므로 안구건조증으로 발전된다. 안구건조증이 생기면 눈이 빛에 민감하게 되어 안구에 반점이 생기며, 각막 등에 염증이 생기거나 손상을 입게 된다. 이런 상태가 지속되면 결국 실명하게 된다. 콧속에서는 섬모상피가 건조해지고 섬모(纖毛)가 빠지게 되어 호흡기에 의한 감염이 쉽게 일어나게 되며, 입에서는 침샘이 건조해져서 입안이 마르고 갈라진다. 위, 소장, 대장 등 소화기관의 내벽에 있는 점막의 분비 기능이 떨어지고 소화, 흡수에 지장을 초래한다. 피부가 건조해져 각질화(角質化)가 진행되면 피부가 까칠해지고, 비듬이 생기며, 모낭(毛囊) 주변에 모낭각질증이 생기기도 한다.
비타민A는 단백질 합성, 세포 분열 및 세포막의 안정에 영향을 주기 때문에 뼈와 치아의 성장과 발달에도 필수적이다. 비타민A는 뼈의 끝부분이 굳어져 새 골격조직을 형성하는데 필요하며, 노화된 골격의 재흡수 과정에도 관여한다. 비타민A가 부족하면 잇몸 주위의 조직이 약해지고 치아의 에나멜(enamel)층 구조가 부실하여 얇고 부서지기 쉬워진다. 비타민A는 생식기능을 유지하는데도 필수적이어서 부족하게 되면 요로감염, 질염 등의 질병이 발생하며 불임, 고환 위축, 유산, 태아형성 부진 등이 야기될 수도 있다. 비타민A는 상피세포의 암 발생을 지연 또는 방지하고 특히 폐암과 관련이 깊은 것으로 알려져 있으나, 비타민A가 결핍되면 왜 암이 발생하기 쉬운지는 밝혀지지 않았다.
비타민A 과잉은 고농도의 비타민A 보충제를 장기간 복용할 때 발생하며, 현대인은 비타민A 결핍증보다는 과잉증에 걸리기 쉽다. 그러나, 비타민A 과잉증이 나타나기 위하여는 상한섭취량인 3mg(3,000 RE)보다 훨씬 많은 15~50mg씩 몇 개월 섭취하였을 경우 나타나며, 통상적인 식사에 의한 섭취량 정도로는 문제가 되지 않는다. 비타민A 과잉증상이 나타났을 경우, 비타민A의 섭취를 중단하면 증상이 사라진다. 비타민A 과잉증상으로는 탈모, 관절통, 성장 장애, 두통, 메스꺼움, 구토, 설사, 발진, 가려움증, 무력감 등이 있으며, 임신 중 비타민A를 과잉으로 복용하면 출산 장애, 기형아 출산 등이 발생할 수 있다.
1831년 바켄로더(Heinrich Wilhelm Ferdinand Wackenroder)는 당근의 뿌리에서 적자색 색소를 분리해내고, 당근(carrot)에서 이름을 따와 ‘카로틴(carotene)’이라고 명명하였다. 1929년 무어(Thomas Moore)는 카로틴이 비타민A로 전환되는 것을 증명하였고, 카러(Paul Karrer)는 1931년에 카로틴의 화학구조를 밝혀내고 1933년에는 당근에서 분리한 카로틴이 단일 물질이 아니라 알파(α), 베타(β), 감마(γ)의 혼합물인 것을 확인하였다. 카로틴 중에서 베타카로틴(β-carotene)은 함량이 가장 많고 비타민A로 전환되는 비율도 다른 프로비타민A의 2배나 된다. 최초의 공업적 합성은 1959년 스위스의 로슈(Roche)사에 의해 이루어졌으며, 오늘날 식품첨가물로 사용되는 베타카로틴은 모두 합성품이다. 카로틴은 식물 색소성분의 일종이며, 동식물계에 널리 분포하는 색소들을 통틀어서 ‘카로티노이드(carotenoid)’라고 하고, 자연계에는 약 600여 종이 존재한다.
베타카로틴은 체내에서 비타민A로 전환되므로 비타민A의 기능성을 모두 발현할 수 있으나, 비타민A의 부작용인 과잉증상이 나타나지 않는다는 장점이 있다. 그 이유는 섭취한 베타카로틴 중에서 필요한 양만큼만 비타민A로 전환되기 때문이다. 베타카로틴 자체로는 아직까지 독성 등이 나타난다는 보고가 없다. 다만, 베타카로틴도 고농도의 보충제를 장기간 복용하면 눈과 피부가 노랗게 변하기도 하는데, 복용을 중단하면 다시 정상으로 돌아오게 된다.
베타카로틴은 그 자체로 인체의 대사 과정 중에 발생하는 활성산소를 제거하는 강한 항산화제로 작용하며, 최근에는 이런 항산화 작용이 프로비타민A로서의 작용 이상으로 중요하게 대두되고 있다. 활성산소는 세포막이나 DNA를 비롯한 모든 세포 구조에서 산화작용을 일으켜 세포의 기능을 잃거나 변질되게 하여 암세포를 형성하거나 각종 질병과 노화의 원인이 되기도 한다. 베타카로틴은 이런 활성산소를 없애줌으로써 항암 효과를 나타내며, 피부건강 유지에 도움을 준다. 비슷한 기능을 가지고 있는 비타민E는 활성산소를 제거하면서 자신도 소비되어 버리지만, 베타카로틴은 반복하여 활성산소를 제거할 수 있기 때문에 비타민E에 비하여 약 100배의 효과가 있다고 한다.
인체 중의 비타민A는 식품으로 직접 섭취하기도 하지만 대부분은 프로비타민A의 형태로 섭취한 후 간에서 비타민A로 전환한다. 프로비타민A는 대부분 베타카로틴의 형태로 존재하고 적황색 과채류 및 녹색 야채에 풍부하다. 녹색 야채에서는 엽록소와 함께 있어서 제 색깔을 내지 못하고 있는 것이며, 일반적으로 녹색이 짙으면 짙을수록 베타카로틴의 함량도 많다. 비타민A가 많이 함유되어 있는 식품은 간, 계란, 우유 및 낙농제품, 육류 등이며, 베타카로틴이 많은 식품은 당근, 시금치, 호박, 고추, 고구마, 오렌지, 해조류 등이다. 비타민A와 베타카로틴은 지용성이기 때문에 지방성분과 함께 먹으면 흡수율이 증가한다. 이런 의미에서 야채나 과일을 샐러드로 하여 먹는 것은 베타카로틴의 흡수, 이용률을 높일 수 있는 좋은 방법이다.
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