원자 번호 30, 원자량 65.37, 청색을 띤 은백색 금속이며 인간의 삶과 함께한 놋쇠는 아연과 구리의 합금이다. 100도 이상 가열하면 전성(展性, 펴서 늘어나는 성질), 연성(延性, 가늘고 길게 늘어나는 성질)이 뛰어나기 때문에 철사나 얇은 관 제조에 흔히 사용된다. 200도 이상 가열하면 분말로 만들 수 있다.
아연의 생체 기능
A)아연과 효소
살아 있는 모든 세포 기능에 필수적인 미네랄이다. 인체 함유량은 2~3 gm 정도. 특히 눈, 간, 뼈, 전립선, 정액, 모발에 고농도로 집적되어 있다.
아연은 전이원소(transition element)로 화합물에서는 2가 양이온으로 존재한다. 현재까지 alcohol dehydragenase 등 80종 이상의 효소를 구성하며 200 종 이상의 효소 활성에 필요한 영양소다.
DNA 및 RNA 중합 효소(polymerase), carbonic peptidase, 알코올 탈수소 효소(alcohol dehydrogenase), 알칼리성 인산 분해효소(alkaline phsphatase), 탄산 탈 수소 효소(carbonic anhydrase), Metalloprotease, PKC. Thymidine kinase, carbonate dehyratase, uricase, superoxide dismutase(SOD), Retinene reductase, lactate dehydrogenase 등 세포 내 수 많은 효소가 제 기능을 발휘하기 위해 아연을 요구하여 갑상선 호르몬, 인슐린, 성장 호르몬, 성 호르몬 등 호르몬 활동과 해독의 중심 미네랄로 다양한 기능을 수행한다.
Carbonic anhydrase (CA)는 아연을 함유한 금속 효소(metalloenzyme)로 CO2와 HCO3 의 가수 및 탈수 반응 (CO2+H2O -> H++HCO3-)을 촉매 하여 호흡, 산 염기 평형, 이온 수송, 뼈 재흡수 등과 같은 다양한 생리학적 및 생물학적 활성에 관여한다. Carboxypeptidase는 펩타이드 결합의 C 터미날을 가수분해하는 효소이며 췌장 카복시펩티다제처럼 소화기능을 발휘하기도 한다. 중합 효소(polymerase)는 전사 및 복제 과정에서 새로운 DNA 및 RNA를 중합시킨다. Alcohol dehydrogenase(ADH)는 NAD+ 존재 하에 알코올을 산화, 분해시킨다. NAD+를 NADH로 환원시키며 알코올과 알데하이드(또는 케톤) 간 상호 전환 효소다. 알칼리성 인산 분해 효소(ALP)는 뉴클리오타이드, 단백질, 알칼로이드 등 분자에서 인산기를 제거한다. 이와 같이 아연 함유 효소는 인슐린 등 신경내분비 펩타이드 생합성, 혈액 응고, 성장 인자 생성, 상처 치유, 생식 기능 등 실로 다양한 생물학적 기능을 조절한다.
B) 아연과 아연 핑거(zinc finger)
아연 핑거 구조
13, 15, 16, 19 잔기가 DNA 인식에 연루된다. 아연 이온은 2개의 시스테인과 히스티딘에 의해 킬레이트되어 있다.
전사인자는 유전 정보 발현에 필수 단백질이다. 전사 인자는 삼차원 구조를 지닌 DNA 부착 모티브(motif)라는 공통 부위가 있다. 전사 단백질의 ZFM가 DNA와 결합한다. 전사 인자 모티브가 전사인자를 DNA에 부착시켜야 전사가 일어난다. 아연은 전사 인자의 아연 핑거 모티브(ZFM, Zinc finger motif) 성분이다. 수많은 전사 인자가 아연 핑거라는 구조를 내장한다. 핵산과 결합하는 전사 인자 부위가 아연 핑거(finger)이며 아연 이온에 의해 구조적으로 안정화된 작은 단백질 도메인이다. 손가락처럼 연결되어 DNA와 결합하고 손가락 하나에 3개의 염기가 순차적으로 결합한다. C2H2형 아연 핑거 모티브는 약 30개의 아미노산 잔기로 구성되며 2개의 시스틴(C)와 히스티딘(H) 잔기에 아연이 배위되어 구형을 형성한다. 아연 핑거의 아연은 DNA와 직접 접촉하지 않는다. 아연 이온이 접혀있는 주변 단백질 사슬을 안정화시키며 한 쌍의 시스테인(cysteine)과 히스티딘(histidine) 측쇄에 의해 반응한다
유전자 발현은 복잡한 과정을 거친다. 외부 신호에 의해 전사인자(transcription factor)가 활성화 되고, 활성화된 전사 인자가 RNA 중합 효소(RNA polymerase)와 복합체를 형성하면서 시작되며 전사 인자가 DNA와 붙어야 전사가 일어난다. C2H2형 아연 핑거는 DNA와 결합하는 대표적인 모티브로 생물학적으로 중요한 의미가 있다.
아연 결핍과 생리적 기능
아연이 여러 효소기능에 필요한 만큼 면역기능, 단백질 합성 및 세포분열에 의한 성장, 발육, 상처 치유기능, 미막, 후각 등 감각 기능, 피부 건강, 정자의 질, 발기 등 성기능 및 전립선 기능 등 광범위한 역할을 한다. 특히 세포 교체율이 신속한 위장관 및 맛을 탐지하는 미뢰(taste bud)는 다량의 아연을 요구한다. 신체는 쉽게 아연을 이용할 수 있고 또한 생물학적으로 이용할 수 있는 분량이 소량이기 때문에 결핍되면 곧 바로 증상과 직결 된다. 특히 성장율이 급속한 어린이의 아연 결핍은 성장 및 발육 지연과 연결된다.
1)성장, 발육, 재생
아연이 부족하면 태아 및 소아의 성장과 발육이 지연된다. 임산부의 아연 결핍은 저 체중 신생아, 발육 지연, 전자간증 등과 관련이 있다. 또한 조산, 유산 위험도 동반된다.
아연은 뇌 발육과 신호 전달에 관여하여 아연이 결핍되면 식욕부진, 학습 능력 저하, 행동 이상, 우울증을 보이기도 한다.
2) 아연 결핍에 의한 대사이상은 미각을 손상시킨다. 아연은 또한 망막의 시각색소 생성을 촉진하여 시력(視力)을 유지하고 간장의 레티놀 결합 단백 합성에 관여하여 암시력(暗視力)을 유지한다
3) 면역기능
아연이 결핍되면 감염에 대한 저항성이 저하된다. 아연 결핍에 의한 면역 기능 장애의 특징은 흉선과 흉선 의존성 임파조직의 위축에 의한 세포성 면역 부전이라는 점이다. 비장, 임파절도 위축되고 항체 생산 능력이 떨어진다. 아연 결핍은 T 세포 수 감소. 흉선 호르몬 수치 저하. 면역 반응에 관여하는 백혈구 기능 저하 등을 초래한다.
4) 아연은 체내 중금속을 해독하는 금속 단백질(metalloprotein) 생성에 필수적인 무기질로 카드뮴(Cd), 납(Pb), 수은(Hg)등 중금속의 독성을 약화시킨다. 따라서 아연 섭취는 기억력과 학습 능력을 증가시키고 신경질, 우울증을 완화하며, 자폐증에도 긍정적인 효과가 있다.
아연이 결핍되면 납 등 중금속 축적으로 인한 성장 장애가 초래될 수 있다.
5) 아연은 인슐린 합성, 저장(貯藏) 그리고 당 대사에도 관여한다. 아연 결핍은 췌장 베타세포의 인슐린 함량이 저하되고 혈중 인슐린양도 감소한다. 포도당 부하 시험에서 내당능 저하가 보고되었다.
5) 염증과 류머티스 관절염
아연은 항산화 효소인 구리-아연 SOD 기능 유지에 필요하다. 류머치스 관절염 환자는 대개 아연 수치가 낮다.
6) 모발, 손발톱, 피부 건강
아연이 결핍되면 피부가 얇아지고 건조해지며 껍질이 일어나 거칠어진다. 장성(腸性) 지단(肢端) 피부염의 원인이 되고 급성 결핍은 사지 말단부, 입, 코, 귀, 안검, 외음부, 항문 주변에 수포, 진무름, 농가진양 피진(皮疹)을 동반한다. 아연이 결핍되면 머리결이 나빠지고 탈모와 손톱이상을 나타내기도 한다. 아연은 여드름 치료에도 효과적이다.
7)시냅스 아연과 퇴행성 질환(알츠하이머병)
아연 결핍은 알츠하이머병 원인 인자 중 하나다. DNA 복제와 복구, 전사에 관여하는 모든 효소는 거의 아연을 함유하고 있다. 또한 항 산화제도 대부분 아연을 필요로 한다. 따라서 아연 결핍은 신경 세포 파괴를 부추긴다. 아연 농도가 낮으면 아밀로이드 단백질 응집이 증가되어 신경 세포 사와 밀접한 관계가 있다. 아연은 알츠하이머 병에서 나타나는 NFT (Neurofibrillatory tangle) 형성에 관여한다. 아연 결핍은 세포 골격 단백질인 Tau 단백질 변성을 야기함으로써 신경세포에 축적시켜 신경 섬유 퇴행(neurofibrillatory degeneration)의 원인이 된다.
8) 호르몬 대사
아연은 정자 형성 및 운동성에 관여한다. 정자수가 적은 남성들은 아연 수치 감소를 동반하여 불임의 원인 인자로 알려져 있다. 아연 결핍은 테스토스테론 및 정자수 감소를 초래한다. 따라서 아연은 저성선증을 동반한 감 정자증 치료에 활용된다. 그러나 테스토스테론치가 정상인 감 정자증의 경우에는 별로 효과가 없다.
9) 남성 미네랄(male, masculine mineral)
아연은 남성 호르몬 대사에 관여한다. 아연은 5 알파 환원 효소(5AR)를 억제하여 전립선 크기 및 기능을 유지하며 아로마타제(aromatase) 억제로 남성 호르몬이 증가하고 에스트로젠을 감소시킨다. 아연은 시상하부-뇌하수체-성선 축(HPG axis)의 신호 전달에 관여하는 호르몬 기능을 유지하여 고환의 테스토스테론 생성과 정자 생성 및 성 기능에 관여한다. 아연은 정자 생성 및 운동성, 정액량, 발기에 중요한 미네랄이다. 아연이 결핍되면 발기 부전 및 불임을 초래하기도 한다. 과다한 성교는 아연 비축 량을 결핍시킨다.
전립선에는 고농도의 아연을 함유한다. 전립선의 아연 농도가 낮으면 전립선 비대증을 위시한 전립선 질환에 민감해진다. 아연은 전립선의 남성 호르몬 수용체에 남성 호르몬 결합을 억제하여 전립선 암, 전립선 비대증, 전립선염 등 전립선 질환 예방에 효과적이라는 문헌이 많다. 아연은 5 알파 환원 효소 억제 효과(5 AR Reductase inhibitor) 기능이 있다. 처방약품인 프로스카(Proscar) 및 건강 기능 식품인 톱야자 추출물(Saw Palmetto)도 5 AR 억제 기능이 있다. 전립선 건강은 아연의 생물학적 이용도에 따라 결정된다
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