짧은 사슬 지방산은 식이 섬유가 결장에서 발효될 때 생성되는 지방산으로, 탄소 원자 수가 6개 이하인 지방산을 의미한다. 아세트산, 프로피온산, 부티르산이 대표적이며, 장 건강 증진, 면역 조절, 대사 질환 예방 등 다양한 생리적 기능을 수행한다. 한국인의 식습관에서 장내 세균 발효를 위한 기질인 저항 전분, 비전분성 식이섬유, 올리고당 섭취가 중요하며, 식이 섬유의 종류에 따라 생성되는 단쇄 지방산의 비율이 달라진다.
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짧은 사슬 지방산은 주로 식이 섬유가 결장에서 장내 세균에 의해 발효될 때 만들어진다.[1][3][13]아세트산, 프로피온산, 뷰티르산이 가장 흔하게 생성되는 종류이다.[3][41] 이 외에도 특정 세균의 대사 과정이나[11][12][14] 더 긴 사슬 지방산의 β 산화[17][18] 등을 통해 생성되기도 한다. 식단의 다량 영양소 구성(탄수화물, 단백질 또는 지방)은 체내 순환하는 짧은 사슬 지방산의 양에 영향을 미칠 수 있다.[4][42]
3. 1. 장내 미생물 발효
짧은 사슬 지방산(SCFA)은 식이 섬유가 결장에서 장내 미생물에 의해 발효될 때 생성된다.[1][3] 단쇄 지방산이 생성되기 위해서는 이러한 장내 세균에 의한 발효 과정이 필수적이다. 그러나 모든 식이섬유가 장내 세균에 의해 발효되는 것은 아니다. 실제로 발효에 주로 사용되는 성분은 저항 전분(전분성 식이섬유), 비전분성 식이섬유, 올리고당 순으로 많다.[26]
사람의 대장 내 발효의 기질[26]
발효 기질
1일당 공급량
저항 전분
8 - 40 g
비전분성 식이섬유
8 - 18 g
올리고당・당 알코올
4 - 14 g
단백질 (소화 효소 등 자기 몸에서 유래)
5 - 18 g
난소화성 단백질 (식사 유래)
4 - 10 g
뮤신
2 - 3 g
식이섬유의 종류에 따라 장내 세균이 만들어내는 단쇄 지방산의 비율은 다르다. 예를 들어, 저항 전분은 부티르산을 비교적 많이 생성하는 경향이 있고, 프락토올리고당은 아세트산을 많이 생성하는 경향이 있다.[26]
식이섬유 발효로 생성되는 단쇄 지방산의 비율[26]
식이섬유
아세트산
프로피온산
부티르산
저항 전분
41%
21%
38%
밀기울
61%
19%
20%
펙틴
71%
15%
8%
구아 검
58%
27%
8%
귀리겨
57%
21%
22%
프락토올리고당
78%
14%
8%
가장 흔하게 생성되는 세 가지 SCFA는 아세트산, 프로피온산, 부티르산이다.[3] 이 중 부티르산은 대장 세포(결장의 상피 세포)의 주요 에너지원이기 때문에 대장 건강에 특히 중요하다.[1][2]간은 에너지원으로 아세트산을 사용할 수 있다.[5]
SCFA와 중쇄 지방산은 지질 소화 과정에서 주로 문맥을 통해 흡수된다.[6] 반면, 장쇄 지방산은 유미 입자 형태로 포장되어 림프 모세 혈관으로 들어가 쇄골하 정맥에서 혈액으로 합류한다.[1]
SCFA는 지질, 에너지 및 비타민 생산에 영향을 미치며, 신체 기능에서 다양한 생리학적 역할을 수행한다.[1][2][7] 또한 식욕 조절과 심혈관 대사 건강에도 영향을 미칠 수 있다.[4] 식단의 다량 영양소 구성(탄수화물, 단백질, 지방)은 혈액 내 순환하는 SCFA의 농도에 영향을 준다.[4]
3. 2. 기타 생성 경로
짧은사슬 지방산은 염(salt)의 형태로 탄소 대사의 중간 물질로서 생성되기도 한다. 예를 들어, 탄소수 1의 가장 작은 카복실산인 개미산은 그 염 형태인 개미산염(formate)으로 존재하며, 생체 내에서 탄소 한 개를 메틸기 등으로 전달하는 일탄소 대사 과정의 일부를 이룬다.[10] 또한, 탄소수 3의 프로피온산은 일부 세균이나 고세균에서 발견되는 탄소 고정 회로(예: 3-히드록시프로피온산/4-히드록시부티르산 회로, 3-히드록시프로피온산 이중 회로)를 통해 프로피오닐 CoA 형태로 만들어진다.[11][12] 모든 짧은사슬 지방산에 공통적인 생성 경로는 없으며, 각각의 지방산은 다양한 대사 경로(동화 및 이화)를 통해 생성된다.
최종 생성물로서의 짧은사슬 지방산은 주로 세균의 발효 작용을 통해 만들어진다. 동물은 스스로 짧은사슬 지방산을 합성하지 못하지만, 장내 세균이 이 역할을 대신한다.[13] 특히 아세트산을 합성하는 세균을 아세트산균이라고 부르며, 이들은 주로 알파프로테오박테리아강의 아세토박터과에 속하는 호기성 세균이다. 일부 베타프로테오박테리아 및 감마프로테오박테리아도 비슷한 발효를 수행할 수 있다.[14] 아세트산균은 산화적 발효라는 과정을 통해 아세트산을 생성한다.[14] 한편, 개미산은 개미나 가시없는꿀벌과 같은 일부 곤충에 의해서도 생합성되는 것으로 알려져 있다.[15][16]
짧은사슬 지방산은 더 긴 사슬을 가진 지방산의 β 산화 과정을 통해서도 생성될 수 있다. 짝수 개의 탄소를 가진 지방산(예: C16팔미트산)이 분해되면 아세틸 CoA가 생성되고, 홀수 개의 탄소를 가진 지방산(예: C17 마르가린산)이 분해되면 프로피오닐 CoA가 생성된다. 이 물질들은 가수분해 효소에 의해 각각 아세트산과 프로피온산으로 전환될 수 있다.[17][18]
4. 생리적 기능 및 건강 효과
짧은 사슬 지방산(영어: Short-chain fatty acid, SCFA)은 주로 식이 섬유가 결장에서 장내 세균에 의해 발효될 때 생성된다.[38][41][1][3] 섭취하는 탄수화물, 단백질, 지방과 같은 다량 영양소의 구성 비율도 혈액 내 짧은 사슬 지방산 농도에 영향을 미친다.[42][4] 인체에서 가장 흔하게 발견되는 짧은 사슬 지방산은 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산이다.[41][3][19][20]
짧은 사슬 지방산은 중간 사슬 지방산과 함께 소화 과정에서 주로 간문맥을 통해 흡수된다. 반면, 긴 사슬 지방산은 킬로미크론 형태로 만들어져 림프계를 통해 혈액으로 들어간다.[43][38][6][1] 흡수된 짧은 사슬 지방산 중 뷰티르산은 결장의 상피세포(결장 세포)의 주요 에너지원으로 사용되며,[38][40][1][2][21]아세트산과 프로피온산은 간이나 근육 등에서 대사된다.[21]간은 특히 아세트산을 에너지원으로 활용할 수 있다.[51][5]반추동물의 경우, 위에서 미생물 발효를 통해 생성된 짧은 사슬 지방산이 주요 에너지원이 되며, 특히 프로피온산은 포도당 합성에 중요하게 사용된다.
짧은 사슬 지방산은 인체 내에서 다양한 생리학적 역할을 수행한다.[38][40][1][2] 이들은 지질, 에너지, 비타민 생성 과정에 영향을 미치며,[44][7] 식욕 조절, 심혈관 대사 건강,[42][4] 정신 건강 및 기분에도 영향을 줄 수 있다.[45] 또한, 몸 전체의 다양한 수용체에 작용하여 생체 기능을 조절하며, 이러한 기능 때문에 생활 습관병(암, 비만, 당뇨병, 면역 질환 등)의 예방 및 치료와 관련하여 활발히 연구되고 있다.[22] 실험 연구에서는 주요 짧은 사슬 지방산들이 혈압을 낮추는 효과를 보였으며,[46][47][48][49]고혈압 환자를 대상으로 한 임상 시험도 진행 중이다.[50]
4. 1. 대장 건강 증진
짧은 사슬 지방산(SCFA)은 식이 섬유가 결장에서 장내 세균에 의해 발효될 때 주로 생성된다.[38][41][1][3][19][20] 주요 SCFA로는 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산이 있다.[41][3][19][20] 이 중 뷰티르산은 결장의 상피세포(결장 세포)의 주요 에너지원으로 사용되어 대장 건강 유지에 특히 중요한 역할을 한다.[38][40][1][2][21] 생성된 SCFA는 대부분 대장에서 체내로 흡수된다.[21]
SCFA는 대장 내 환경을 개선하는 데 기여한다. SCFA는 산성이므로 장내 환경을 약산성으로 유지시킨다. 이는 유해균이 만드는 효소의 활성을 억제하여 발암 물질로 알려진 2차 담즙산이나 해로운 부패 산물의 생성을 줄이는 효과가 있다.[23] 또한, 약산성 환경은 칼슘, 마그네슘과 같은 중요한 미네랄의 용해도를 높여 체내 흡수를 돕는다.[21]
개별 SCFA도 대장 건강에 직접적인 영향을 미친다. 아세트산은 대장의 장벽 기능을 강화하여 병원성 대장균 같은 유해균 감염 시 독소의 체내 유입을 막는 데 도움을 줄 수 있다.[24]뷰티르산은 대장 세포에서 점액 물질인 무틴의 분비를 촉진하여 대장 점막을 보호하는 역할을 한다.[25]
더 나아가 SCFA는 대장암 예방에도 기여하는 것으로 알려져 있다. 장내 환경을 약산성으로 유지하여 유해한 2차 담즙산 생성을 억제하는 것 자체가 암 예방 효과와 관련이 있다.[26] 특히 뷰티르산은 대장 세포의 비정상적인 증식을 억제하고, 암세포의 세포 자멸사를 유도하여 대장암 발생 위험을 낮추는 데 기여할 수 있다.[26][27]
4. 2. 면역 조절
장은 전신 면역 세포의 약 60%가 집중된 중요한 기관으로, 장의 면역 균형이 무너지면(특히 과도한 면역 반응) 전신 건강에 영향을 미칠 수 있다. 짧은 사슬 지방산 중 하나인 부티르산은 면역 조절에 중요한 역할을 수행한다. 부티르산은 과도한 면역 반응을 억제하는 조절 T 세포(Treg)를 증가시키는데, 이는 부티르산이 대장 상피 세포의 히스톤아세틸화를 촉진하는 작용과 관련이 있는 것으로 밝혀졌다.[35]
장의 면역 질환인 염증성 장 질환은 치료가 어려운 난치병으로 여겨진다. 염증성 장 질환 환자의 경우 장내 세균 중 부티르산 생성균의 수가 감소한 경우가 많다는 보고가 있다. 이러한 염증성 장 질환이나 클로스트리디움 디피실 감염증 환자에게 분변 미생물군 이식 (FMT)을 통해 부티르산 생성균을 포함한 건강한 장내 세균총을 이식하는 치료법의 가능성이 제시되고 있다.[36][37]
4. 3. 대사 질환 예방
짧은 사슬 지방산은 생활 습관병과 밀접한 관련이 있으며, 암, 비만, 당뇨병, 면역 질환 등을 예방하고 치료하는 데 중요한 역할을 할 가능성이 있어 활발히 연구되고 있다.[22]
짧은 사슬 지방산은 지방세포의 특정 수용체에 작용하여 지방세포로의 에너지 흡수를 억제하고 세포가 커지는 것을 막아 비만 예방에 기여할 수 있다.[29][30] 또한, 신경세포의 수용체에도 작용하여 교감 신경계를 활성화시켜 에너지 소비를 늘리는 방식으로 에너지 균형 조절에 관여한다.[29]
특히 뷰티르산 (낙산)은 장관에 있는 L 세포를 자극하여 GLP-1이라는 장관 호르몬의 분비를 촉진한다.[31] GLP-1은 인슐린 분비를 촉진하고, 인슐린을 만드는 췌장의 β 세포 수가 줄어드는 것을 막아 당뇨병 예방 및 개선에 도움을 줄 수 있다.[31] 실제로 GLP-1 수용체에 작용하는 약물은 당뇨병 치료제로 사용되고 있다.[32]
또한 짧은 사슬 지방산은 장내 환경을 건강하게 유지하는 데 기여한다. 이들은 장 내부를 약산성 상태로 만들어 유해균이 만드는 해로운 효소의 활동을 억제한다.[23] 결과적으로 발암 물질로 알려진 2차 담즙산이나 기타 유해한 부패 산물의 생성을 줄여 대장암 등의 위험을 낮출 수 있다.[23] 약산성 환경은 칼슘이나 마그네슘과 같은 중요한 미네랄이 물에 잘 녹게 만들어 체내 흡수를 돕는 효과도 있다.[21]
실험 연구에서는 주요 짧은 사슬 지방산인 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산이 혈압을 낮추는 효과를 보였다.[46][47][48][49] 현재 고혈압 환자를 대상으로 이러한 효과를 확인하기 위한 임상 연구가 진행 중이다.[50]
4. 4. 기타 건강 효과
짧은 사슬 지방산(SCFA)은 신체에서 다양한 생리학적 역할을 수행한다.[38][40][1][2] 이는 지질, 에너지 및 비타민 생성에 영향을 미칠 수 있으며,[44][7] 식욕과 심혈관 대사 건강에도 관여할 수 있다.[42][4] 또한 정신 건강과 기분에도 영향을 미칠 가능성이 있다.[45]
주요 짧은 사슬 지방산인 아세트산, 프로피온산, 뷰티르산은 실험 연구에서 혈압을 낮추는 효과를 보였으며,[46][47][48][49] 현재 고혈압 환자를 대상으로 한 임상 시험이 진행 중이다.[50] 특히 뷰티르산은 결장세포(결장의 상피세포)의 주요 에너지원으로 사용되어 결장 건강 유지에 중요한 역할을 한다.[38][40][1][2]간은 아세트산을 에너지원으로 활용할 수 있다.[51][5]
짧은 사슬 지방산은 장관 내 환경 개선에도 기여한다. 이들은 산성 성분으로 장내 환경을 약산성으로 만들어 유해균이 생산하는 효소의 활성을 억제한다. 이를 통해 발암 물질로 알려진 2차 담즙산이나 해로운 부패 산물의 생성을 줄여 장내 환경을 건강하게 유지하는 데 도움을 준다.[23] 또한, 약산성 환경은 칼슘이나 마그네슘과 같은 중요한 미네랄의 용해도를 높여 체내 흡수를 용이하게 한다.[21]
식욕 조절에도 관여하는데, 뷰티르산과 프로피온산은 장의 L세포를 자극하여 GLP-1 및 PYY와 같은 장관 호르몬의 분비를 촉진한다. 이 호르몬들은 뇌에 작용하여 식욕을 억제하고 포만감을 유지시켜 과식을 방지하는 데 도움을 줄 수 있다.[33]아세트산 역시 뇌에 직접 작용하여 식욕을 억제할 수 있다는 연구 결과가 있다.[34]
이러한 다양한 기능으로 인해 짧은 사슬 지방산은 전신의 여러 수용체와 상호작용하며 생체 조절 기능을 수행한다. 특히 생활 습관병(암, 비만, 당뇨병, 면역 질환 등) 예방 및 치료와 관련하여 활발한 연구가 이루어지고 있다.[22]
5. 한국인의 식습관과 짧은 사슬 지방산
짧은 사슬 지방산이 생성되기 위해서는 장내 세균에 의한 발효 과정이 필요하다. 모든 식이섬유가 발효되는 것은 아니며, 주로 저항 전분(전분성 식이섬유), 비전분성 식이섬유, 올리고당 순서로 발효에 많이 이용된다.[26]
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