카르니틴

3. 구조

카르니틴은 분자 내에 항상 양전하를 띠는 4급 암모늄과 음전하를 띨 수 있는 카르복실산을 모두 가지고 있어 쯔비터이온 형태로 존재한다. 수용액에서 L-카르니틴은 자유롭게 용해되며, 이온화 가능한 그룹인 카복실기(COO^-)와 4급 암모늄(N⁺(CH₃)₃)은 인간의 생리적 pH(~7.4)에서 90% 이상 해리된다.^[9]

카르니틴 분자 구조에서 3번 탄소(수산기(-OH)가 결합된 탄소)는 키랄 중심이다. 따라서 카르니틴은 서로 거울상 관계에 있는 한 쌍의 거울상 이성질체가 존재한다. 이 두 이성질체는 관습적으로 '''L-카르니틴'''과 '''D-카르니틴'''으로 구분하여 부른다. 생체 내에서는 L-카르니틴만이 지질 대사 등에서 활성을 나타낸다. 반면, D-카르니틴은 생리 활성이 없을 뿐만 아니라, 오히려 L-카르니틴의 작용을 방해하는 것으로 알려져 있다.^[30] L-카르니틴과 D-카르니틴이 같은 양으로 섞여 있는 라세미체 혼합물은 '''DL-카르니틴'''이라고 부른다.

간혹 카르니틴을 "아미노산의 유도체"라고 설명하는 경우가 있지만, 그 구조에서 알 수 있듯이 카르니틴은 아미노산'''이 아니다'''. 아미노산은 기본적으로 아미노기(-NH₂)와 카복실기(-COOH)를 모두 가지지만, 카르니틴은 4급 암모늄 구조를 가진다. 카르니틴은 체내에서 아미노산인 리신과 메티오닌으로부터 합성된다.

4. 생합성 및 대사

L-카르니틴은 사람의 체내에서 생합성되기 때문에 비타민으로 분류되지 않는다.^[29] 이는 필수 아미노산인 리신과 메티오닌으로부터 주로 간과 신장에서 만들어지는 생체 성분이다.^[30] 동물성 단백질에는 카르니틴의 원료가 되는 리신과 메티오닌이 풍부하지만, 식물성 단백질에는 상대적으로 적게 들어있다.^[84] 카르니틴은 구조적으로 아미노산의 정의에는 해당하지 않으며, 아미노산의 유도체로 설명되기도 한다.

4. 1. 카르니틴 셔틀 시스템

5. 생물학적 역할

카르니틴의 주요 생물학적 기능은 지방산을 미토콘드리아 내부로 운반하여 에너지를 생산하는 것이다.^[8][30] 지방산은 미토콘드리아 막을 통과해야 β-산화를 거쳐 세포의 주요 에너지원인 ATP를 생성할 수 있는데, 특히 장쇄 지방산은 L-카르니틴과 결합해야만 미토콘드리아 내막을 통과할 수 있다.^[8][30] 이 운반 과정에는 카르니틴 팔미토일 전이효소 I, 카르니틴-아실카르니틴 트랜스로카제, 카르니틴 팔미토일 전이효소 II 등의 효소가 관여한다.^[12][32][33] 지방산은 미토콘드리아 외막에서 아실-CoA로 변환된 후, CPT-I에 의해 L-카르니틴과 결합하여 아실카르니틴이 된다. 이 아실카르니틴은 CACT를 통해 내막을 통과하고, 내막 안쪽에서 CPT-II에 의해 다시 아실-CoA로 변환되어 β-산화 과정을 거치게 된다.^[32][33] 이 과정에서 분리된 L-카르니틴은 다시 미토콘드리아 밖으로 나가 재사용된다.^[33] 중쇄 지방산은 L-카르니틴 없이도 미토콘드리아 막을 통과할 수 있지만, 일부는 L-카르니틴과 결합하여 운반되기도 한다.

카르니틴은 아세틸기를 주고받는 능력을 통해 아세틸-CoA와 조효소 A (CoA) 수준을 안정화시켜, 특히 단식이나 운동 시 에너지 생산과 대사 유연성을 유지하는 데 기여한다.^[8][1] 또한, 아실카르니틴 형성을 통해 잠재적으로 독성을 가질 수 있는 아실기 중간체의 축적을 막고 배설을 돕는 해독 작용을 수행한다.^[8] 지방산 외 다른 불필요한 분자도 L-카르니틴과 결합시켜 수용성을 높여 소변으로 배출하는 역할을 한다.

세포 대사 조절에도 관여하여, 세포가 필요에 따라 탄수화물과 지방산 대사 사이를 전환할 수 있도록 다양한 에너지원의 활용을 돕는다.^[8] 산화 스트레스로부터 세포를 보호하는 항산화 작용도 알려져 있다.^[8]

그 외에도 카르니틴은 뼈 조직에 작용하여 뼈를 강화하고 질량을 늘리는 데 기여하며,^[87] 이는 노화 방지와도 연관된다. 특히 L-카르니틴은 골격근과 심근에 많이 분포하며,^[30] 근육 기능 강화^[86] 및 지질 대사에 중요한 역할을 한다. L-카르니틴은 제2형 당뇨병 환자의 혈당 조절 개선에 긍정적인 영향을 줄 수 있다는 연구 결과도 있다.^[88]

생체 내에서 지질 대사에 활성을 나타내는 것은 L-카르니틴이며, 그 입체 이성질체인 D-카르니틴은 생리 활성이 없고 오히려 L-카르니틴의 작용을 방해할 수 있다.^[30]

6. 결핍증

카르니틴 결핍은 대사 장애가 없는 건강한 사람에게는 드물다.^[1] 한 연구에 따르면 채식주의자도 카르니틴 결핍 징후를 보이지 않았다.^[27] 하지만 영아, 특히 미숙아는 카르니틴 저장량이 낮아 결핍 위험이 높으므로, 필요한 경우 카르니틴 강화 영아용 조제분유를 모유 대신 사용해야 할 수 있다.^[1]

카르니틴 결핍 상태는 크게 두 가지 유형으로 나뉜다.

• 일차성 카르니틴 결핍증: 세포 내 카르니틴 수송 시스템의 유전 질환으로 인해 발생한다. 보통 5세 이전에 심근증, 골격근 약화, 저혈당증 등의 증상이 나타난다.^[1][3]
• 이차성 카르니틴 결핍증: 만성 신부전과 같은 특정 질환이나, 카르니틴 흡수를 감소시키거나 배설을 증가시키는 특정 약물 사용, 영양실조, 소화 후 흡수 불량 등의 조건으로 인해 발생할 수 있다.^[1][3]

6. 1. 약물성 L-카르니틴 결핍증

• 생합성 억제: 발프로산이 L-카르니틴 합성에 관여하는 효소를 억제하여 체내 생성을 방해한다^[58].
• 재흡수 억제: 신장에서 L-카르니틴이 다시 흡수되는 과정을 방해한다^[58].
• 배설 증가: 발프로산(2-프로필펜탄산)은 지방산과 유사한 구조를 가지고 있어, 체내 대사 과정에서 발프로일 CoA로 변환된 후 L-카르니틴과 결합하여 발프로일카르니틴 형태로 소변을 통해 배설된다. 이 과정에서 L-카르니틴이 소모된다^[58].

7. 식품 함유량

카르니틴은 주로 동물성 식품에 풍부하며, 특히 포유류의 붉은 살코기에 고농도로 함유되어 있다.^[34] 일반적으로 고기의 색이 붉을수록 카르니틴 함량이 높은 경향이 있다.^[47] 특히 양고기, 쇠고기와 같은 초식동물의 고기, 그중에서도 어린 가축보다는 성체의 고기에 카르니틴 함량이 높은 것으로 알려져 있다.^[35] 동물성 단백질에는 카르니틴 합성에 필요한 아미노산인 리신과 메티오닌이 풍부하기 때문에, 상대적으로 식물성 식품에는 카르니틴 함량이 적다.^[84]

이 외에도 일부 어패류나 유제품 등 동물성 식품에 비교적 많이 들어있다. 우유에도 카르니틴이 함유되어 있으며, 유제품에서는 주로 유청 부분에 포함된다.^[47] 견과류(호두 등), 씨앗(호박씨, 해바라기씨, 참깨 등), 콩류(콩, 완두콩, 렌즈콩, 땅콩 등), 일부 채소(아스파라거스, 브로콜리, 마늘, 겨자, 케일 등), 과일(바나나 등), 시리얼 등에도 소량 함유되어 있다.

다음은 주요 식품 100g(또는 100ml)당 카르니틴 함량이다.

일반적으로 성인은 하루에 약 60~180mg의 카르니틴을 식단을 통해 섭취하며, 이 중 54~86%가 소장에서 흡수된다.^[3] 반면, 채식주의 식단을 따르는 경우 하루 섭취량이 약 10~12mg으로 훨씬 적다.^[3] 따라서 채식주의자는 하루에 약 1000mg 정도의 카르니틴 섭취가 권장되기도 한다. 일반적인 일일 권장 섭취량은 20~200mg이며, 최대 섭취량은 하루 2g(2000mg)으로 제한된다.^[91]

식품에 함유된 카르니틴은 주로 L-카르니틴 형태이다.^[92][93][94] L-카르니틴은 생체 내에서 지방 대사에 중요한 역할을 하지만, 그 거울상 이성질체인 D-카르니틴은 활성이 없으며 오히려 L-카르니틴의 작용을 방해할 수 있다고 여겨진다.^[30]

카르니틴은 모유에도 포함되어 있어 유아의 성장 인자 중 하나로 작용한다. 이 때문에 국제식품규격위원회(CODEX)는 모유 대체용 분유에 카르니틴 첨가를 권장하고 있다.^[39]

8. 의약품 및 보충제

카르니틴은 의약품 및 건강 보조 식품으로 사용된다.

'''의약품으로서의 카르니틴'''

카르니틴은 사용 목적에 따라 DL-카르니틴 또는 L-카르니틴 형태로 사용된다.

• '''DL-카르니틴''': 라세미체인 DL-카르니틴을 염산염으로 만든 주사제는 소화관 기능 저하가 원인으로 추정되는 증상에 위장약으로 사용될 수 있다. 예를 들어 소화관 수술 후 운동 기능이 저하되었을 때 사용된다. 카르니틴은 소화관에 비교적 선택적으로 작용하는 콜린 작용제 역할을 하며, 위액과 췌액 분비를 촉진한다. 이 때문에 급성 췌장염이나 만성 췌장염이 급격히 악화된 경우에는 증상을 더 악화시킬 수 있어 사용이 금지된다.
• '''L-카르니틴''' (레보카르니틴): 생체 내 L-카르니틴이 부족한 카르니틴 결핍증 치료를 위해 경구 투여 또는 주사제로 사용된다. L-카르니틴을 보충하여 결핍 증상을 개선하는 것이 주된 작용 기전이다. 또한, 만성적인 L-카르니틴 부족 시 체내에 축적될 수 있는 유해한 대사 생성물(예: 프로피오닐기)이 L-카르니틴과 결합하여 체외로 배설되는 것을 촉진하는 효과도 있다.^[44] 그러나 신장 기능이 거의 없는 환자에게 L-카르니틴을 투여할 경우, 유해 물질인 트리메틸아민 등이 체내에 축적될 수 있어 주의가 필요하다.^[44] 또한, 뇌전증 치료제인 밸프로산 중독 시 중화제로 L-카르니틴을 투약하기도 한다.

9. 섭취 권장량 및 과다 섭취

일반적으로 하루에 20 ~ 200 mg 정도의 카르니틴 섭취가 권장된다. 붉은 고기와 다른 동물성 제품을 포함한 혼합 식단을 섭취하는 성인은 하루에 약 60~180 mg의 카르니틴을 얻는 반면, 채식주의자는 하루에 약 10~12 mg을 섭취한다.^[3] 이 때문에 채식주의자의 경우 하루 1000 mg 정도의 섭취가 필요하다는 의견도 있으며, 최대 카르니틴 섭취량은 하루 2g (2000 mg) 정도로 제한된다.^[91] 일본 후생노동성은 일본인의 하루 필요량을 200 mg, 섭취 권장량을 약 1000 mg으로 제시하고 있다.^[30]

카르니틴은 인체 내에서도 합성되는데, 70kg 체중의 사람은 라이신과 메티오닌을 원료로 간이나 신장에서 하루에 11~34 mg을 생합성한다.^[1][30] 이렇게 체내 필요량의 일부(10%^[30]~25%^[34])가 합성되므로 카르니틴은 비타민으로 분류되지 않는다.^[29] 체내 합성만으로 충분하며 음식이나 보충제를 통한 섭취가 불필요하다는 의견과^[47], 신장이 카르니틴을 효율적으로 보유하여 식단 영향이 적다는 보고도 있다.^[47] 이 때문에 필수 영양소로 간주되지 않으며 섭취 기준량은 설정되어 있지 않다.^[47]

반면, L-카르니틴 생합성량은 20대에 정점을 찍고 감소하며^[30], 근육 내 L-카르니틴도 노화에 따라 줄어드는 경향이 있어^[29] 식사를 통한 섭취가 중요하다는 주장도 있다. 특히 성장기나 임신 중 필요량이 증가하므로 외부 섭취를 권장하기도 한다. 이들은 주로 식사를 통해 섭취하는 양이 대부분이므로 적극적인 섭취가 필요하다고 보지만^[34][30], 이러한 주장은 카르니틴 보충제 판매 기업의 입장일 수 있어 주의가 요구된다.

카르니틴의 혈중 농도는 신체가 조절하므로, 보충제 등으로 다량 섭취해도 추가적인 건강상 이득은 없을 수 있다.^[73] 필요 이상 섭취된 카르니틴은 체외로 배출될 가능성이 높아 비교적 안전한 성분으로 여겨지기도 한다.^[30]

그러나 하루 3g 이상 과다 섭취 시 메스꺼움, 구토, 복부 경련, 설사, 생선 냄새 나는 체취 등의 부작용이 나타날 수 있다.^[1][4] 두드러기, 근력 약화, 간질 환자의 발작 위험 증가 등 다른 부작용도 가능하다.^[4] 또한, 일부 장내 세균이 카르니틴을 트리메틸아민 N-산화물(TMAO)로 대사시켜 동맥 경화증을 유발할 수 있다는 연구 결과도 있다.^[50][51] 따라서 과다 섭취를 피해야 하며, 일본 후생노동성에서도 이를 권고하고 있다.^[30]

10. 연구 동향

카르니틴은 뼈 조직에 작용하여 뼈를 단단하게 하고 질량을 점진적으로 증가시키는 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이는 오스티오칼신이라는 물질과 유사한 작용이며, 노화가 진행됨에 따라 뼈가 약해지는 것을 방지하는 데 칼슘과 함께 중요한 역할을 할 수 있다.^[86][87] 또한, L-카르니틴은 근육 조직에 작용하여 근력을 강화하는 효과가 있다는 연구 결과도 있다.^[86]

운동 능력 향상, 근육 경련 억제, 체력 훈련 후 회복 촉진 등에 대한 운동선수들의 관심이 높지만, 관련 연구의 질이 낮아 명확한 결론을 내리기 어렵다.^[1][3] 일부 연구에서는 고강도 운동 능력 향상^[15] 및 회복 촉진^[16] 가능성을 제시하지만, 연구 설계의 차이로 인해 결과가 결정적이지 않다.^[17][18] 하루 2g에서 6g 정도의 보충제를 한 달간 섭취해도 중강도 운동 능력에는 일관된 영향이 없었으며, 고강도 운동에서는 결과가 엇갈렸다.^[3] 카르니틴 보충제는 운동 시 산소 소비량이나 신진대사 기능을 개선하거나 근육 내 카르니틴 양을 증가시키지 않는 것으로 보인다.^[1][3] 운동 능력 향상 기전 역시 명확히 밝혀지지 않았다.^[19] 파행 환자의 경우, 메타 분석 결과 보행 능력이 약간 개선되었다는 보고가 있다.^[68][69]

L-카르니틴이 지방 대사에 영향을 미치거나 체중 감량에 도움이 된다는 명확한 증거는 부족하다.^[3][20][21] 그러나 9건의 무작위 대조 시험 결과를 종합한 메타 분석에서는 체중과 BMI가 감소했다는 결과가 보고되었다.^[61] 또한, 24건의 무작위 대조 시험 분석 결과, 하루 1.5g 이상 섭취 시 혈중 지질 프로파일을 개선하고, 저칼로리 식단과 병행할 경우 혈당 조절에도 긍정적인 영향을 미치는 것으로 나타났다.^[62] L-카르니틴은 제2형 당뇨병 환자의 치료율을 높이고 혈당 수치를 낮추는 데 기여할 수 있다는 연구 결과도 있으며,^[88] 포도당 내성 개선이나 공복 혈당 감소에 도움이 될 수 있다는 예비 임상 연구 결과도 존재한다.^[1][24] 5건의 무작위 대조 시험 분석 결과, 인슐린 저항성 개선에 유용할 수 있다는 가능성이 제기되었으나, 장기간의 효과를 확인하기 위한 추가 연구가 필요하다.^[66]

카르니틴은 다양한 심혈관 및 대사 질환 연구에서 주목받고 있으며, 심장 질환과 당뇨병 등 여러 질병의 보조 치료제로서의 가능성이 탐색되고 있다.^[1] 그러나 현재까지의 연구 결과로는 심혈관 질환 관련 사망률 예방 효과는 없으며,^[22] 혈중 지질에도 큰 영향을 미치지 않는 것으로 보인다.^[1][23] 일부 메타 분석에서는 L-카르니틴 보충제가 심부전 환자의 심장 기능을 개선한다는 결과가 있지만, 전반적인 효능을 확정하기에는 연구가 부족하다.^[1][22] 심근 경색 후 사용 시 사망률이나 유사 증상 발생률 감소 등의 이점은 나타나지 않았다.^[73]

신장은 체내 카르니틴 수치를 조절하는 데 중요한 역할을 한다. 신부전 환자의 경우, 카르니틴 배출 증가, 합성 감소, 식욕 부진 등으로 인해 카르니틴 결핍이 발생할 수 있다.^[1] 카르니틴 보충이 말기 신장 질환의 주요 지표에 큰 영향을 미치지는 않지만, 염증 지표인 C-반응 단백질 수치를 낮출 수 있다는 연구 결과가 있다.^[25] 카르니틴 결핍은 빈혈, 근육 약화, 피로, 혈중 지방 수치 변화, 심장 질환 등을 유발할 수 있으며,^[1] 고용량의 L-카르니틴 보충(주로 주사)이 빈혈 관리에 도움이 될 수 있다는 일부 연구 결과가 있다.^[1] 14건의 무작위 대조 시험 메타 분석 결과, 만성 신장병 환자에게 카르니틴 보충제를 투여했을 때 혈중 알부민, 혈청 총 단백질, 혈청 총 콜레스테롤 수치가 상승하여 유용할 가능성을 시사했으나, 더 엄격한 연구를 통한 확인이 필요하다.^[63]

'''아세틸카르니틴'''은 카르니틴의 한 형태로, 혈액뇌관문을 통과하여 뇌 내 아세틸콜린 수치를 높이는 것으로 알려져 있다. 이 때문에 알츠하이머병 초기 증상 개선 효과에 대한 연구가 진행되었다. 그러나 여러 연구 결과, 치매에 대한 카르니틴 섭취의 이점은 명확히 입증되지 않았다.^[74] 경도 인지 장애나 알츠하이머병에 대한 메타 분석에서는 작은 효과(효과 크기 0.2)가 밝혀졌지만,^[75] 여러 대규모 다기관 무작위 대조 시험에서는 알츠하이머병에 대한 유의미한 효과가 관찰되지 않았다.^[76][77] 치매가 아닌 성인의 인지 기능에 미치는 영향에 대한 연구는 부족하여 결론을 내리기 어렵다.^[78] 한편, 말초성 신경병성 통증에 대해서는 4건의 무작위 대조 시험 결과 중간 정도의 효과가 있는 것으로 나타났다.^[71] 우울증에 대해서는 12건의 무작위 대조 시험 분석 결과, 항우울제와 비슷한 효과를 보이면서도 부작용은 더 적은 것으로 나타났다.^[79]

그 외 질환에 대한 연구도 진행 중이다. 간경변에 동반되는 비급성 간성 뇌증의 경우, 아세틸-L-카르니틴이 혈중 암모니아 수치를 감소시킨다는 낮은 품질의 증거가 있지만, 피로나 삶의 질 개선 효과는 없었다.^[64] 다낭성 난소 증후군 환자에게서 난포나 난소 세포 성장 및 체중 감소 가능성이 시사되었으나, 추가 연구가 필요하다.^[65] 골관절염에 대해서는 증거의 질은 낮지만 통증 감소에 큰 효과(효과 크기 0.8)를 보였다는 메타 분석 결과가 있다.^[70] 악성 종양 관련 피로에 대해서는 메타 분석 결과 피로 감소 효과가 나타나지 않아 사용 근거가 부족하다.^[72]

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_[51] 웹사이트 肉食の心血管病リスクに関する「カルニチン論争」―腸内細菌叢のエンテロタイプが鍵？ http://www.tmd.ac.jp[...] 2013-07-01
_[52] 웹사이트 カルニチン欠乏症 https://www.msdmanua[...] MSDマニュアル プロフェッショナル版
_[53] 문서 必ずしも制限食のためにカルニチン欠乏が発生するわけではないものの、ヒトのL-カルニチンの生合成量は必要量を満たさないため、食餌中のL-カルニチンが不足していれば、カルニチン欠乏症が発生し得る。また、同様に偏食の場合も必ず発生するわけではないものの、L-カルニチン摂取が不足すれば、カルニチン欠乏症を起こし得る。
_[54] 논문 特集「L－カルニチン欠乏症とL－カルニチン投与の有用性」L－カルニチン欠乏症の診断と治療指針 日本外科代謝栄養学会
_[55] 논문 カルニチンの生体作用 : カルニチン欠損マウスを用いた解析から(ビタミン類縁化合物に関する最近の研究) 日本ビタミン学会
_[56] 문서 L-カルニチンは、食肉に多く含まれるため。
_[57] 논문 小児の二次性低カルニチン血症に対する 医療従事者へのアンケート調査 https://doi.org/10.2[...]
_[58] 논문 薬剤性L‐カルニチン欠乏症と治療 https://doi.org/10.1[...] 日本外科代謝栄養学会 2021-04-20
_[59] 문서 ピバリン酸には、ピバル酸など幾つかの別名が存在する。
_[60] 논문 ピボキシル基含有抗菌薬投与による二次性カルニチン欠乏症への注意喚起
_[61] 논문 The effect of (L-)carnitine on weight loss in adults: a systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials.
_[62] 논문 The effect of l-carnitine supplementation on lipid profile and glycaemic control in adults with cardiovascular risk factors: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled clinical trials.
_[63] 논문 Effects of Carnitine on Nutritional Parameters in Patients with Chronic Kidney Disease: An Updated Systematic Review and Meta-Analysis
_[64] 논문 Acetyl-L-carnitine for patients with hepatic encephalopathy
_[65] 논문 Potential roles of carnitine in patients with polycystic ovary syndrome: a systematic review
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_[67] 논문 Effect of glycine propionyl-L-carnitine on aerobic and anaerobic exercise performance.
_[68] 논문 A systematic review to evaluate the effectiveness of carnitine supplementation in improving walking performance among individuals with intermittent claudication.
_[69] 논문 A systematic review and meta-analysis of propionyl-L-carnitine effects on exercise performance in patients with claudication.
_[70] 논문 Dietary supplements for treating osteoarthritis: a systematic review and meta-analysis.
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