아라키돈산

1. 개요

아라키돈산은 20개의 탄소와 4개의 시스 이중 결합을 가진 카복실산으로, 세포막의 인지질에 존재하며 뇌, 근육, 간에 풍부하게 분포하는 다불포화 지방산이다. 세포 신호 전달, 염증 반응, 혈관 확장 등 다양한 생물학적 과정에 관여하며, 프로스타글란딘, 트롬복산, 류코트리엔과 같은 에이코사노이드의 전구체 역할을 한다. 필수 지방산은 아니지만 리놀레산 결핍 시에는 필요하며, 육식동물은 먹이를 통해 섭취해야 한다. 아라키돈산은 뇌 기능, 근육 성장, 알츠하이머병 등 다양한 신체 기능과 관련이 있으며, 보디빌딩 보충제로 사용되기도 한다. 섭취는 주로 육류, 계란, 생선 등을 통해 이루어지며, 건강 보조 식품으로도 판매된다.

2. 화학

화학 구조에서 아라키돈산은 20개의 탄소로 구성된 사슬에 4개의 시스 이중 결합을 가지고 있는 카복실산으로, 첫 번째 이중 결합이 오메가 말단에서부터 6번째 탄소에 위치한다.

일부 화학 문헌에서는 아라키돈산을 일부 에이코사테트라엔산을 지칭하기 위해 정의하기도 한다. 그러나 생물학, 의학, 영양학의 거의 모든 문헌들은 아라키돈산을 올-시스-5,8,11,14-에이코사테트라엔산으로 제한해서 정의한다.

3. 생물학

아라키돈산은 세포막의 인지질(특히 포스파티딜에탄올아민, 포스파티딜콜린, 포스파티딜이노시톨)에 존재하는 다불포화 지방산이며, 뇌, 근육, 간에 풍부하다. 골격근은 인지질 지방산 함량 중 아라키돈산이 대략 10~20%를 차지할 정도로 아라키돈산을 많이 보유하고 있다.

화학 구조에서 아라키돈산은 20개의 탄소로 구성된 사슬에 4개의 시스 이중 결합을 가지고 있는 카복실산이며, 첫 번째 이중 결합은 오메가 말단에서부터 6번째 탄소에 위치한다. 일부 화학 문헌에서 일부 에이코사테트라엔산을 지칭하기 위해 아라키돈산이라는 용어를 사용하기도 하지만, 생물학, 의학, 영양학의 거의 모든 문헌에서는 아라키돈산을 올-시스-5,8,11,14-에이코사테트라엔산으로 제한한다.

아라키돈산은 PLC-γ, PLC-δ, 단백질 키나아제 C-α, -β, -γ 동형체와 같은 신호 전달 효소의 조절에 관여하는 지질 2차 전달자로서 세포 신호전달에 관여한다. 또한 주요 염증성 중간생성물이며, 혈관확장제로 작용할 수도 있다.

3.1. 조건부 필수 지방산

아라키돈산은 필수 지방산은 아니다. 그러나 리놀레산이 부족하거나 리놀레산을 아라키돈산으로 전환할 수 없는 경우에는 아라키돈산이 필요하다. 일부 포유류는 리놀레산을 아라키돈산으로 전환하는 능력이 부족하거나 매우 제한되어 있어 먹이를 섭취할 때 필수적인 부분이 된다. 아라키돈산은 일반적인 식물에서 거의 또는 전혀 발견되지 않기 때문에 이에 해당하는 동물들은 육식동물이다. 고양이들은 필수 지방산을 불포화시키는 능력이 결여되어 있다. 아라키돈산의 상업적인 공급원은 균류인 모르티엘레라 알피나(Mortierella alpina)이다.

4. 인체 내 합성 및 캐스케이드

아라키돈산은 포스포라이페이스 A₂(PLA₂)에 의해 인지질 분자로부터 유리되거나, 다이아실글리세롤 라이페이스에 의해 다이아실글리세롤로부터 생성된다.

신호 전달 목적의 아라키돈산은 세포질 포스포라이페이스 A₂(cPLA₂, 85 kDa)에 의해 생성되는 반면, 염증성 아라키돈산은 저분자량 분비 포스포라이페이스 A₂(sPLA₂, 14~18 kDa)에 의해 생성된다.

4.1. 아라키돈산 캐스케이드

아라키돈산은 생물학적 및 임상적으로 중요한 에이코사노이드 및 이들 에이코사노이드의 대사산물들의 전구체이다. 신체에서 아라키돈산 유도체들의 생성과 그 작용을 통칭하여 아라키돈산 캐스케이드라고 한다.

아라키돈산은 다음과 같은 경로로 대사된다.

* 사이클로옥시제네이스-1 및 사이클로옥시제네이스-2(프로스타글란딘 G/H 생성효소 1(PTGS1) 및 프로스타글란딘 G/H 생성효소 2(PTGS2))에 의해 프로스타글란딘 G₂ 및 프로스타글란딘 H₂로 대사되며, 이는 차례로 다양한 프로스타글란딘, 프로스타사이클린, 트롬복산 및 프로스타글란딘 G₂/H₂, 12-하이드록시헵타데카트라이엔산(12-HHT)의 트롬복산 대사의 17-탄소 생성물로 전환될 수 있다.
* 아라키돈산 5-리폭시제네이스에 의해 5-하이드로퍼옥시에이코사트라이엔산(5-HPETE)으로 대사되고, 이는 차례로 다양한 류코트라이엔들(즉, 류코트라이엔 B₄, 류코트라이엔 C₄, 류코트라이엔 D₄ 및 류코트라이엔 E₄ 뿐만 아니라 5-하이드록시에이코사테트라엔산(5-HETE)으로 대사된다. 이는 이어서 5-하이드록시에이코사테트라엔산보다 강력한 5-케토 유사체, 5-옥소-에이코사테트라엔산으로 대사될 수 있다.
* 15-리폭시제네이스-1(ALOX15) 및 15-리폭시제네이스-2(ALOX15B)에 의해 15-하이드로퍼옥시에이코사테트라엔산(15-HPETE)로 대사된 다음, 15-하이드록시에이코사테트라엔산(15-HETE) 및 리폭신으로 대사될 수 있다. 15-리폭시제네이스-1은 또한 15-하이드로퍼옥시에이코사테트라엔산을 류코트라이엔으로 대사하는 경로와 유사한 경로에서 15-하이드로퍼옥시에이코사테트라엔산을 에옥신으로 대사할 수 있다.
* 아라키돈산 12-리폭시제네이스(ALOX12)에 의해 12-하이드로퍼옥시에이코사테트라엔산(12-HPETE)으로 대사된 다음, 12-하이드록시에이코사테트라엔산(12-HETE) 및 헤폭실린으로 대사될 수 있다.
* 아라키돈산은 또한 아난다마이드의 생합성에 사용된다.
* 일부 아라키돈산은 에폭시제네이스에 의해 하이드록시에이코사테트라엔산(HETE) 및 에폭시에이코사트라이엔산(EET)으로 전환된다.

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4.2. 포스포라이페이스 A2 활성화

포스포라이페이스 A₂는 5-HT₂ 수용체, 대사성 글루탐산 수용체 1(mGLUR1), 염기성 섬유아세포 생장인자(bFGF) 수용체, 인터페론-α 수용체, 인터페론-γ 수용체에 리간드가 결합하면 활성화된다. 세포 내 칼슘을 증가시키는 물질은 어떤 형태의 포스포라이페이스 A₂ 활성화를 유발할 수 있다.

4.3. 포스포라이페이스 C 활성화

인산화효소 C(PLC)는 이노시톨 삼인산 그룹을 절단하여 다이아실글리세롤(DAG)을 생성하고, DAG는 DAG 리파아제에 의해 절단되어 아라키돈산을 생성한다.

이 경로를 활성화하는 수용체는 다음과 같다.

MAP 키나아제는 PLC를 활성화할 수 있다. 이 경로의 활성제에는 혈소판 유래 성장 인자(PDGF)와 섬유아세포 성장 인자(FGF)가 있다.

5. 신체 기능

아라키돈산은 세포막의 인지질(특히 포스파티딜에탄올아민, 포스파티딜콜린, 포스파티딜이노시톨)에 존재하는 다불포화 지방산이며, 뇌, 근육, 간에 풍부하다. 골격근은 인지질의 지방산 함량 중 아라키돈산이 대략 10~20%를 차지한다.

아라키돈산은 세포 신호전달에 관여하는 지질 2차 전달자로서 PLC-γ, PLC-δ, PKC-α, PKC-β, PKC-γ와 같은 신호전달 효소의 조절에 관여하며, 주요 염증성 중간생성물이자 혈관확장제로도 작용한다. 세포막 구조에 기여하며, 인지질에 포함되면 투과성과 효소 활성, 세포 신호 전달 기전과 같은 세포막 특성에 영향을 미친다.

포스포리파제 A2에 의해 인지질로부터 유리된 아라키돈산은 프로스타글란딘, 트롬복산, 류코트리엔 등 에이코사노이드를 생성하고, 세포 간 신호 전달에서 2차 전달자로 작용한다. 이러한 생합성 과정과 체내 작용은 아라키돈산 캐스케이드라고 불린다.

아라키돈산은 대부분의 포유류에게 필수 지방산으로 여겨진다.

5.1. 근육 성장

아라키돈산은 운동 중 및 운동 후에 프로스타글란딘 F_2α로 전환되어 골격근 조직의 복구 및 생장을 촉진한다. 프로스타글란딘 F_2α는 류신, β-하이드록시 β-메틸뷰티르산 및 포스파티드산과 유사하게 Akt/mTOR 경로를 통해 신호전달을 하여 근육 단백질 합성을 촉진한다.

5.2. 뇌 기능

아라키돈산은 뇌에 가장 풍부한 지방산 중 하나이며, 도코사헥사엔산(DHA)과 비슷한 양으로 존재한다. 아라키돈산과 도코사헥사엔산은 뇌 지방산 함량의 약 20%를 차지한다. 아라키돈산은 해마 세포막 유동성을 유지하는데 도움을 주고, 퍼옥시좀 증식체 활성화 수용체 감마(PPAR-γ)를 활성화하여 산화 스트레스로부터 뇌를 보호한다. 또한 뉴런의 생장 및 복구에 관여하는 단백질인 신택신-3를 활성화시킨다.

아라키돈산은 초기 신경 발생에 관여한다. 한 연구에서 17주 동안 아라키돈산 보충제를 투여받은 영아(18개월)는 정신 발달 지수로 측정했을 때 지능이 상당히 개선되었음을 보여주었다. 이러한 효과는 아라키돈산과 도코사헥사엔산을 동시에 보충함으로써 더욱 강화된다.

성인의 경우 아라키돈산 대사 이상은 알츠하이머병과 양극성 장애와 같은 신경정신 질환과 관련이 있다.

5.3. 알츠하이머병과의 관계

아라키돈산 대사 이상은 알츠하이머병, 양극성 장애와 같은 신경정신 질환과 관련이 있다. 이러한 질환에서 아라키돈산이 다른 생체 활성 분자로 전환되는 과정(아라키돈산 효소 캐스케이드에서의 과발현 또는 이상)에 상당한 변화가 있다는 증거가 있다.

아라키돈산과 알츠하이머병 발병에 대한 연구는 상반된 결과를 보여준다. 일부 연구에서는 아라키돈산 및 그 대사산물이 알츠하이머병 발병과 관련이 있다고 주장하는 반면, 다른 연구에서는 알츠하이머병 초기 단계에서 아라키돈산을 보충하는 것이 증상을 완화하고 질병 진행을 늦추는 데 효과적일 수 있다고 제안한다. 따라서 알츠하이머병 환자를 위한 아라키돈산 보충에 대한 추가 연구가 필요하다.

한편, 대기 오염으로 인해 염증이 발생하면 아라키돈산의 대사산물이 염증을 촉진하여 면역계에 세포 손상 신호를 전달하는 역할을 한다.

6. 보디빌딩 보충제

아라키돈산은 다양한 제품에서 동화성 보디빌딩 보충제로 판매된다. 아라키돈산 보충(8주 동안 1,500 mg/일)은 경험이 많은 단련된 남성에서 제지방체중, 체력, 힘을 증가시키는 것으로 나타났다. 이는 탬파 대학교의 위약 대조 실험에서 입증되었다. 50일 동안 아라키돈산 1000mg/일의 효과를 조사한 초기 임상 연구에서 운동 중인 남성에서 무산소 운동 용량 및 운동 기능을 향상시키는 보충제로 발견되었다.

다음은 탬파 대학교에서 진행된 위약 대조 실험 결과이다. 30명의 남성(20.4 ± 2.1세)은 아라키돈산 또는 위약을 8주간 복용하면서, 통제된 저항 훈련 프로그램에 참가했다.

위 표에서 확인할 수 있듯이, 8주 후 아라키돈산을 복용한 그룹이 위약을 복용한 그룹에 비해 제지방체중, 근육 두께, 무산소 일률, 전체 힘에서 모두 유의미하게 더 큰 증가를 보였다(p<0.05). 이러한 결과는 아라키돈산의 보충이 저항 훈련된 남성에서 근력 및 골격근 비대에 적응을 긍정적으로 증강시킬 수 있음을 시사한다.

초기 임상 연구에서는 윈게이트(Wingate) 상대 피크 파워에서 상당한 그룹-시간 상호작용의 효과가 관찰되었다(AA: 1.2W/kg; P: -0.2W/kg, p=0.015). 벤치 프레스 1RM (AA: 11kg; P: 8kg, p=0.20), 윈게이트 평균 파워(AA:37.9W; P: 17, p=0.16) 및 윈게이트 전체 일(AA: 1292J; P: 510J, p=0.087)에서도 통계적 유의성에 근접하는 결과가 나타났다. 이러한 발견들은 아라키돈산을 근육의 힘과 사이즈, 그리고 파워 능력을 향상시키는 물질로 사용하는 것을 지지한다.

7. 식이와 염증

아라키돈산은 부상 및 여러 질병과 관련된 염증에서 중요한 역할을 한다. 체내에서 대사되는 방식에 따라 염증을 촉진하거나 억제하는 작용을 한다. 관절 통증이나 염증성 질환을 앓고 있는 사람은 아라키돈산 섭취가 늘어나면 염증성 화합물로 쉽게 전환되어 증상이 악화될 수 있다. 따라서 염증성 질환 병력이 있거나 건강이 좋지 않은 사람에게는 아라키돈산 섭취를 권장하지 않는다. 건강한 사람의 경우 아라키돈산 보충이 염증을 유발하지 않는 것으로 보이지만, 오메가-3 지방산 보충제의 항염증 효과를 상쇄할 수 있다.

7.1. 식이 아라키돈산과 염증의 관계

아라키돈산 섭취 증가는 지질 과산화 생성물이 함께 생성되지 않는 한, 정상적인 대사 조건에서는 염증을 유발하지 않는다. 아라키돈산은 염증 반응 동안 및 염증 반응 후에 각각 전염증성 및 항염증성 에이코사노이드로 대사된다. 아라키돈산은 또한 생장을 촉진하기 위해 신체 활동 중 및 신체 활동 후에 염증성 및 항염증성 에이코사노이드로 대사된다. 그러나 외인성 독소 및 과도한 운동으로 인한 만성 염증은 운동으로 인한 급성 염증 및 조직의 미세한 상처 회복 및 생장을 촉진하기 위한 염증 반응과 혼동하지 말아야 한다.

그러나 증거들은 서로 엇갈린다. 건강한 사람에게 하루에 840mg과 2000mg을 50일 동안 투여한 일부 연구에서는 염증이나 관련 대사 활동이 증가하지 않는 것으로 나타났다. 다른 연구들은 아라키돈산 수치가 증가하면 실제로 전염증성 인터루킨-6 및 인터루킨-1 수치가 감소하고 항염증성 종양괴사인자-β와 관련이 있다는 것을 보여준다. 이것은 전신의 염증을 감소시킬 수 있다.

7.2. 아라키돈산 보충과 건강

여러 임상 연구에서 50일 동안 매일 1,000~1,500mg의 아라키돈산을 섭취했을 때 심각한 부작용은 보고되지 않았으며, 내약성이 우수한 것으로 나타났다. 신장 및 간 기능, 혈장 지질, 면역, 혈소판 응집 등 일반적인 건강 지표는 이러한 용량과 기간에 영향을 받지 않는 것으로 보인다. 또한, 근육 조직 내 아라키돈산 농도가 높을수록 인슐린 민감도가 개선될 수 있다. 건강한 성인의 식단에서 아라키돈산 보충은 독성이나 심각한 안전상의 위험을 초래하지 않는 것으로 보인다.

활동량이 많지 않은 사람을 대상으로 한 아라키돈산 보충 연구에서는 일일 최대 1,500mg의 용량에서 염증 지표 변화가 없었지만, 강도 높은 훈련을 받은 사람은 다르게 반응할 수 있다. 한 연구에 따르면, 저항 운동과 병행하여 50일 동안 하루 1,000mg의 아라키돈산을 보충한 젊은 남성들의 경우 염증 지표(인터루킨-6)가 현저하게 감소했다. 이는 저항 훈련을 받는 동안 아라키돈산을 보충하면 실제로 전신 염증 조절이 개선될 수 있음을 시사한다.

심장 질환 위험과 개별 지방산 간의 연관성을 조사한 메타 분석에서는 오메가-3 지방산인 에이코사펜타엔산(EPA)와 도코사헥사엔산(DHA)뿐만 아니라 오메가-6 지방산인 아라키돈산 수치가 높은 사람에게서 심장 질환 위험이 현저하게 감소했다고 보고했다. 미국 심장협회는 아라키돈산을 포함한 식이 오메가-6 지방산의 건강 영향을 긍정적으로 평가하며, 필수 지방산 섭취를 제한하지 말고 아라키돈산을 포함한 오메가-6 지방산을 전체 칼로리의 5~10% 섭취할 것을 권고한다. 이는 아라키돈산이 심장 질환의 위험 인자가 아니며, 최적의 물질대사를 유지하고 심장 질환 위험을 줄이는 데 역할을 할 수 있음을 시사한다. 따라서 건강을 최적 상태로 유지하려면 오메가-3 지방산과 오메가-6 지방산 섭취 수준을 충분히 유지하는 것이 좋다.

아라키돈산은 발암 물질이 아니며, 섭취량과 암 발병 위험 간에는 관련성이 없다는 연구 결과가 있다. 그러나 아라키돈산은 염증 및 세포 생장 과정에 필수적이며, 암을 포함한 여러 질병과 관련이 있다. 따라서 암, 염증성 질환 환자의 경우 아라키돈산 보충 안전성은 알려지지 않았으므로, 권장되지 않는다.

8. 섭취

아라키돈산은 필수 지방산은 아니지만, 리놀레산이 부족하거나 리놀레산을 아라키돈산으로 전환할 수 없는 경우에는 필요하다. 일부 포유류는 리놀레산을 아라키돈산으로 전환하는 능력이 부족하거나 매우 제한되어 있어 먹이를 통해 섭취해야 한다. 아라키돈산은 일반적인 식물에서는 거의 또는 전혀 발견되지 않기 때문에 이러한 동물들은 육식동물이다. 고양이는 필수 지방산을 불포화시키는 능력이 결여되어 있다. 아라키돈산의 상업적인 공급원은 균류인 모르티엘레라 알피나(Mortierella alpina)이다.

주로 고기, 계란, 생선, 모유 등에 포함되어 있으며, 구미 등 여러 국가에서는 유아용 조제유에도 첨가된다. 사람의 경우, 아라키돈산은 리놀레산을 원료로 체내에서 합성되지만, 종에 따라서는 이 기능이 충분하지 않아 필요한 양을 생산할 수 없거나, 전혀 생산하는 기능을 갖지 못한다. 아라키돈산은 식물에는 거의 포함되어 있지 않으므로, 스스로 충분한 양을 생산하지 못하는 동물(고양이 등)은 다른 동물을 포식함으로써 섭취할 필요가 있다.

자폐 스펙트럼 환자에게 아라키돈산을 평균 228일 동안 경구 투여한 결과, 증상의 일부 개선이 보였다는 보고가 있다.