철 & 철분 대사(1)

1. 철(Iron, Fe)

철은 모든 살아있는 유기체에서 가장 중요한 전이 금속입니다. 철은 전자를 쉽게 잃기 때문에 산소와 결합함으로써 산화가 되고, 산소는 전자를 받아서 환원 상태가 됩니다. 참고로 전자를 얻으면 환원 상태가 되고, 전자를 뺏기면 산화상태가 됩니다. 2가 철은 3가 철보다 반응률이 높아 쉽게 산화스트레스를 일으킵니다. 철을 함유한 화합물은 직접 기능을 하거나 운반 및 저장에 유용할 수 있고, 철은 헤모글로빈을 이루는 헴(heme)의 구성 성분으로 산소 및 이산화탄소와 결합력이 높습니다. 

 

2. 철 대사

우리은 매일 음식을 통해 10~20mg의 철분을 섭취합니다. 이 중  장으로 흡수되는 용량은 1~2mg이고 매일 장세포의 탈락으로 1~2mg을 배설합니다. 장세포안으로 흡수된 철의 75%는 골수의 조혈기능에 사용되고, 10~20%는 저장철로 저장되며,  5~15%는 기타 다른 작용에 사용됩니다. 일단 철분이 체내에 들어오면 월경, 출혈, 임신, 상피세포의 탈락을 제외하고는 따로 배설 없이 철의 흡수/저장 조절에 의해서 항상성이 유지됩니다. 따라서 빈혈이 있을 때 혈액검사를 진행하여 철 결핍성 빈혈이 확인된 경우에만 철분제를 투여해야 합니다. 

 

1) 철 흡수

철은 인체 장에서 흡수될 때 2가 철의 형태로 흡수됩니다. 따라서 3가 철은 장세포 표면에 있는 환원효소(DCYTB, Duodenal cytochrome b, ferric reductase)에 의해서 2가 철로 변환된 후에 DMT1(Divalent metal transporter 1)을 통해 장 세포 안으로 들어오게 됩니다. 참고로 구리는 1가 상태에서 흡수됩니다. 철을 포함한 Heme 단백질(마이오글로빈, 헤모글로빈)은 HCP1/PCFT(Heme carrier protein  1/proton-coupled folate transporter)를 통해 흡수되어 HO-1(Heme oxygenase-1)에 의해 2가 철로 분해가 됩니다. 저장 철 페리틴은 Endocytosis 형태로 장세포 내로 들어와 리소좀에서 2가 철로 전환됩니다. 장세포안에서 2가 철은 다시 3가 철로 전환되어 혈액을 통해 운반되고 조직에 저장됩니다. 

 

철 흡수에 영향을 끼치는 인자

철(비헴 철) 흡수를 용이하게 하는 음식으로는 비타민 C, 비타민 A, 베타카로틴이 풍부한 음식과 육류, 생선, 가금류 등이 있습니다. 철 흡수를 저해하는 음식으로는 파이틱산이 함유되거나 칼슘이 풍부한 음식, 폴리페놀이 함유된 음식입니다. 철과 경쟁적 흡수관계에 있는 것으로는 망간, 코발트, 아연, 납 등입니다.

bioavailability	Heme> Fe2+ > Fe3+
저해제	phytates, popyphenols, calcium, some proteins
경쟁적	manganese, cobalt, lead, zinc, strontium,
촉진제	ascorbate, citrate, meat, fish, poultry, some aminoacids

 

2) 철 수송

장 세포로 흡수된 2가 철은 세포막에 결합된 HEPH, 혹은 혈장에 있는 ceruloplasmin에 의해서 3가 철로 산화된 후에 ferroportin(Fpn)을 통해서 장 세포 밖으로 방출됩니다. 세포 밖으로 배출된 3가 철은 세포막에 붙어있던 철 수송 단백질인 트랜스페린(transferrin, Tf)과 결합되어 혈액으로 운반됩니다.

 

3) 철 저장

장 세포에 흡수된 1~2mg의 철분 중에서 10~20%는 페리틴으로 저장됩니다. 페리틴과 헤모시데린은 체내 철분 저장을 반영하는 지표입니다. 철은 저장될 때 산화스트레스를 덜 일으키는 불용성 형태인 3가 철로 저장되고 이들은 주로 간, 비장, 골수에 존재하고 있습니다. 페리틴은 세포 내 및 혈장 모두에서 발견되는 철 저장 단백질로써 혈청 페리틴 수치를 측정함으로써 체내 저장된 철의 양을 추측할 수 있습니다.

페리틴(ferritin) 

페리틴의 주요 기능은 철을 무독성 상태로 격리하는 것입니다. 1) 세포 내 페리틴은 H 사슬 및 L 사슬의 24개 소단위로 구성되고, 그 비율은 조직에 따라 다르며 질병 및 기타 자극에 의해 변형될 수 있습니다. H사슬은 페록시다제 활성으로 철을 3가 철 상태로 저장하는데 중요하고, L사슬은 철 핵 생성 특성을 나타냅니다. 2) 혈청 페리틴은 저장철의 반 정량적 지표로서 임상적으로 사용되고 있습니다. 혈청 페리틴은 L-subunit가 많고 당화가 되어 있으며, 세포 내 페리틴에서 혈청으로 소량 방출된 것으로 추정되며, 혈관 신생 조절에 관여할 것으로 추정하고있습니다.

 

헤모시데린(Hemosiderin)

헤모시데린은 나노 케이지로 철분 양이 비정상적으로 과도하게 높을 때 페리틴이 분해된 것입니다. 페리틴과 달리 헤모시데린은 ROS를 생성하고 산화스트레스를 줄 수 있습니다. 간과 비장 속에 저장된 페리틴(3가 철의 형태)은 산화스트레스가 없지만, 헤모글로빈 속에 들어있는 철은 2가 철이므로 붉은 육류, 선짓국은 산화스트레스를 많이 줄 수 있습니다.

 

4) 미토콘드리아 철분 대사

철분은 거의 대부분 미토콘드리아에서 Heme 단백질과 ISCs(Iron-sulfer clusters)를 생합성하는 데 사용됩니다. 세포 내 철 항상성은 미토콘드리아에서 생성하는 ISC에 의존합니다. 따라서 세포 내 철 항상성이 적절하게 이뤄지려면 미토콘드리아의 기능이 매우 중요합니다. 헴 단백질은 미토콘드리아 내에서 ALA가 합성되어 세포질로 나가서 COPRO3 합성 후 다시 미토콘드리아 내로 들어와 PPIX로 전환되고, 여기에 2가 철이 결합되어 Heme 단백질을 형성합니다. 

 

 

5) 체내 철분 분배 및 재활용

철분은 체내에서 저장 철(페리틴, 헤모시데린)의 형태로 약 1000 mg 정도 저장되어 있습니다. 비장의 RES  대식세포는 노화된 적혈구로부터 철의 재활용을 담당하고 있습니다. 예를 들어 70kg 남성은 약 4,000 mg의 철을 가지고 있습니다. 이 중에서 2,000mg은 적혈구 내 헤모글로빈에 있고, 1,000mg은 간과 비장의 대식세포 내에서 페리틴으로 저장되어 있습니다. 이외 철을 함유한 헴 단밸질(마이오글로빈, 싸이토크롬, 페록시다제)과 비 헴 단밸질(트랜스페린, 락토페린, 헵토글로빈, 헤모펙신), 비헴 효소(ribonuceotide reductase, iron sulfur proteins -aconitase, ferredoxin 등)에 나머지 1000mg의 철이 함유되어 있습니다.