다량 무기질 - 칼슘 (1) (체내 기능, 흡수와 대사)

칼슘

인체 내 무기질 중 가장 많이 존재하는 칼슘(calcium ; Ca)은 치아와 골격을 유지하는 기능 외에도 여러 가지 생리 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 오랜 기간 동안의 칼슘 섭취 정도는 골격의 건강에 영향을 미쳐 골다공증의 발병 여부에 중요한 결정 요인이 됩니다.

 

체내 기능

1. 골격의 구성

성인의 경우 칼슘의 보유량은 1,200g 정도가 됩니다. 이 중 99%의 칼슘이 골격과 치아의 형성에 사용되고 나머지 1%의 칼슘은 세포내외액에 존재하여 세포의 주요 기능에 관여합니다.

골격은 뼈의 생성과 분해를 담당하는 조골세포와 파골세포에 의해 이루어집니다. 조골세포는 콜라겐과 점성 다당류로 구성된 뼈 기질을 분비하여 새로운 뼈를 생성하는 세포이며 파골세포는 무기질을 용해하고 콜라겐 기질을 분해함으로써 뼈를 분해합니다. 조골세포에 의해 분비되는 점성 다당류는 칼슘을 침착하여 석회화하는 기능이 있습니다. 석회화는 뼈에 무기질의 침착과 증대로 뼈가 견고하고 강하게 되는 과정입니다. 뼈 무기질의 주된 구성요소는 비결정상인 인산칼슘염과 수산화칼슘염의 복합체로 생리적으로 비교적 안정성을 지닌 인산칼슘복염인 히드록시아파타이트(Ca10(PO4)6(OH)2)입니다.

우리의 뼈는 겉으로 보기에는 비활성적인 것 같지만 끊임없이 재생성 과정을 거치는 상당히 활발한 조직입니다. 조골세포와 파골세포의 작용에 의해 칼슘이 지속적으로 들어가고 나오면서 뼈의 교체가 이루어집니다. 이 세포들은 부갑상선 호르몬, 활성형의 비타민 D, 칼시토닌(calcitonin), 에스트로겐(estrogen), 프로스타글란딘 E₂(prostaglandin E₂) 등의 여러 호르몬 등에 의해 활성이 조절되는데 이 중 칼시토닌은 파골세포에 작용하고 조혈세포에는 직접적인 영향을 미치지는 못합니다. 골질량을 이들 세포에 의한 뼈의 생성과 분해의 균형에 의해 이루어집니다.

골격은 기본적으로 두 가지 형태의 뼈로 이루어집니다. 뼈의 가장자리를 구성하고 있는 치밀골(compact bone, cortical bone)은 매우 단단하며 치밀한 구조로 이루어져 있고 해면골(spongy bone, trabeculae bone)은 뼈의 말단 부분에 있는 다공성의 조직으로 스펀지 형태를 이루고 있습니다. 해면골은 모세혈관에 접해 있으며 골수로부터 칼슘을 지속적으로 공급받고 있습니다. 혈액 무기질 농도의 항상성(homeostasis)에 관여하는 칼슘은 해면골에 저장되어 있는 것으로 해면골의 발육 정도는 칼슘 섭취의 적절함 여부와 관련됩니다. 칼슘 섭취가 증가하면 해면골의 규모는 커집니다. 칼슘 섭취가 부족하거나 해면골 자체에 충분한 칼슘이 보유되지 않았을 경우에는 다른 골격 부분에서 칼슘을 공급받게 됩니다. 이러한 경우 우선적으로 칼슘을 공급하는 부분은 골반과 척추뼈입니다.

정상적인 골격대사와 골질량(bone mass)을 유지하기 위한 가장 중요한 생리적인 요인은 혈액의 칼슘 농도입니다. 왜냐하면 혈액의 칼슘 농도가 저하되면 부갑상선 호르몬(parathyroid) 등에 의해 뼈로부터 칼슘이 용출되기 때문입니다(칼슘의 항상성 참고). 섭취한 칼슘의 양과 골질량은 어느 정도 관계가 있는 것으로 알려져 있습니다. 여러 가지 역학조사에 의하면, 아동기 때 칼슘보충제의 사용은 뼈의 밀도를 높여 주고 뼈의 분해는 낮추어 줍니다.

인산칼슘복염(hydroxyapatite)
칼슘과 인산으로 만들어진 염으로 골격의 단백질 기질에 침착되어 뼈에 강도와 경도를 준다.

뼈의 재생성 과정(bone remodeling)
파골세포에 의해 뼈가 분해되고 조골세포에 의해 새로운 뼈가 생성되는 일련의 과정

 

2. 체내의 대사 조절 기능

칼슘의 주된 기능은 골격을 형성하고 유지하는 것이지만 그 외에도 체내에서 여러 가지 생리기능을 조절하는 데 중요한 역할을 합니다. 이러한 과정 등은 혈액의 칼슘 농도를 조절하는 여러 호르몬의 영향을 받습니다.

 

가. 혈액 응고

칼슘이온은 혈액응고에 관여하는 단백질인 피브린(fibrin)을 형성하는 반응에 필수적입니다. 한 예로 칼슘은 프로트롬빈(prothrombin)을 트롬빈(thrombin)으로 전환시키는 데 작용합니다. 이렇게 생긴 트롬빈이 피브리노겐(fibrinogen)을 불용성의 피브린으로 전환시킴으로써 혈액이 응고됩니다. 따라서 칼슘 없이는 혈액응고가 이루어질 수 없습니다.

 

나. 신경 전달

신경세포에 활동전위(action potential)가 도달하면 세포외액으로부터 신경세포 내로 칼슘이온의 유입이 촉진됩니다. 세포 내 칼슘이온의 농도가 올라가면 신경전달물질이 방출되어 신경자극이 전달됩니다. 칼슘은 다른 이온들이 신경세포 내외로 이동하는 데도 관여합니다.

 

다. 근육 수축 및 이완

근육에는 근육 단백질인 액틴(actin)과 미오신(myosin)이 존재합니다. 신경자극으로 근육이 흥분되면 세포 안의 소포체에 저장된 칼슘이 방출되면서 이 두 단백질은 상호결합하게 됩니다. 방출된 칼슘이온이 세포 내 저장고로 되돌아가면 액틴과 미오신이 분리되면서 수축된 근육이 이완됩니다.

 

라. 세포 대사

칼슘은 여러 조절단백질(modulator protein)과 결합함으로써 세포 내의 대사과정을 돕습니다. 그중의 한 예가 칼모둘린(calmodulin)과의 결합입니다. 칼슘이 호르몬 등의 작용으로 인해 세포 내에 들어오면 작은 단백질인 칼모둘린과 결합하여 칼모둘린-칼슘 복합체를 만듭니다. 이 복합체가 여러 다른 단백질에 결합함으로써 그 단백질 또는 효소의 활성을 변화시킴으로써 세포의 여러 가지 대사에 영향을 미칩니다.

 

마. 기타

칼슘은 특히 고지방식이를 하는 사람의 경우 대장암의 위험도를 감소시킬 수 있습니다. 장내 칼슘이 유리지방산이나 담즙산 등과 결합함으로써 유리지방산이나 담즙산 같은 물질들이 대장을 자극하는 것을 막아주기 때문입니다. 결합되지 않은 유리지방산이나 담즙산 같은 물질들의 자극은 세포의 교체(cell turnover)를 증가시켜 암 발생의 위험도를 높입니다. 여러 연구들에 의하면 대장암의 위험도를 낮추기 위해서는 적어도 하루에 1,500~2,000mg의 칼슘 섭취가 필요하다고 합니다.

칼슘이 혈압에 미치는 효과에 대한 연구결과를 보면 하루 칼슘을 800~1,200mg 정도 섭취할 경우 섭취량이 400mg 이하인 사람들에 비해서 혈압을 낮출 수 있다고 합니다. 특히 임신 후기 자간전증에 의한 고혈압의 경우, 하루 칼슘 섭취량을 1,500~2,000mg으로 유지하면 고혈압의 발병률이 40~50% 감소되며, 임신 기간 동안의 고칼슘 식이는 영아의 체중 증가와 함께 혈압 감소와도 관련이 있습니다.

혈청 LDL 수준이 높은 사람의 경우 저지방, 저콜레스테롤 식이와 함께 칼슘을 1,200~2,200mg 섭취하면 LDL 수준을 낮출 수 있습니다. 이는 칼슘 섭취량이 증가함에 따라 대변으로 배설되는 포화지방산이 많아지기 때문인 것으로 보여집니다.

대장암, 고혈압, 혈청 LDL을 낮추는 칼슘의 효과는 확증된 것은 아니지만 권장섭취량이나 그 이상의 칼슘을 섭취하면 골격의 건강뿐만 아니라 이러한 효과도 있어 도움이 될 것입니다.

 

흡수와 대사

1. 흡수

칼슘의 흡수는 다른 식이 요소들과 칼슘 농도를 조절하는 호르몬들에 따라서 달라집니다. 섭취된 칼슘은 산성인 위에서 가용화되어 소장으로 이동됩니다. 음식물과 함께 섭취된 칼슘의 흡수율은 위의 산도에서 그다지 영향을 받지 않으나 탄산칼슘염과 같은 칼슘 보충제 등은 일반적으로 음식물과 함께 복용하면 흡수율이 증가됩니다. 이것은 음식물이 위액분비를 촉진시키고 위에 남아 있는 시간을 길게 해줌으로써 칼슘원의 확산과 용해를 돕기 때문입니다.

소장에서 칼슘이 흡수되는 데는 두 가지 경로가 있는데, 십이지장과 같은 소장 상부에서의 능동수송(active transport)과 소장 전체를 통한 수동수송(passive transport)이 그것입니다. 소장 상부의 능동수송은 비타민 D에 의해 조절되며, 비타민 D에 의해 합성이 조절되는 칼슘결합단백질(vitamin D-dependent calcium binding protein)이 관여합니다. 또 개인의 칼슘 및 비타민의 보유 상태나 연령, 임신, 수유 상태 등에 따라서도 달라집니다. 대부분의 칼슘은 소장에서 흡수되며 대장에서도 적기는 하지만 약 4%의 칼슘이 흡수됩니다.

보통 청소년이나 성인의 경우 1일 칼슘 섭취량의 20~40%가 흡수됩니다. 그러나 골격 발달이 왕성한 성장기 어린이의 경우에는 그 흡수율이 75%까지 증가하기도 하며 임신 기간 동안의 흡수율도 60%로 증가됩니다. 일반적으로 노년기가 되면 장년기에 비해 흡수율이 떨어지는데, 특히 폐경기 여성인 경우 흡수율이 총 칼슘 섭취의 20% 정도에 불과합니다. 폐경기 여성의 칼슘 흡수율이 저하되는 이유는 여성 호르몬인 에스트로겐 분비가 감소되기 때문이며, 에스트로겐은 비타민 D의 활성화와 효력을 증가시켜 주는 것으로 알려져 있습니다.

이 외에도 칼슘의 흡수에 영향을 미치는 요인에는 여러 가지가 있습니다. 칼슘 흡수 촉진 인자들로는 소장 내의 산도, 비타민 D뿐만 아니라 부갑상선 호르몬, 그리고 포도당 및 유당 등을 들 수 있습니다. 이와 반대로 과량의 인산, 피틴산, 시금치 등에 들어 있는 수산, 식이로 섭취하는 과량의 인, 차에 함유된 탄닌 등은 칼슘의 흡수를 저하시킵니다. 이외에도 운동부족이나 스트레스도 칼슘의 음의 평형을 초래합니다.

 

표. 칼슘 흡수에 영향을 미치는 인자

흡수를 증진시키는 인자	흡수를 방해하는 인자
소장 상부의 산성 환경 정상적인 소화관 운동 및 활성 비슷한 비율의 식이 칼슘과 인 비타민 D 호르몬 아동기와 임신기에 증가된 칼슘 요구량 낮은 칼슘 섭취 부갑상선 호르몬 유당 포도당 비타민 C 에스트로겐	소장 하부의 알칼리성 환경 위산 완화제 칼슘에 비해 과량의 인, 철분, 아연 피틴산, 수산, 흡수되지 않은 지방산 비타민 D 결핍 폐경 노령 탄닌 과량의 식이섬유 운동 부족 스트레스

 

2. 저장

체내 칼슘의 99% 이상이 뼈에 존재하므로, 골격은 세포외액의 칼슘을 유지하는 주요 저장 기관입니다. 단기간 동안의 음의 칼슘평형은 뼈의 칼슘에 그다지 나쁜 영향을 미치지는 않으나, 오랜 기간 동안 계속적인 칼슘의 이탈은 골격의 강도를 약화시킵니다.

세포 내에 저장된 칼슘의 방출은 여러 가지 세포 대사를 일으키는 데 중요합니다. 세포 내에 존재하는 거의 모든 칼슘은 소포체(endoplasmic reticulum)나 핵 같은 곳에 붙어 있다가 방출되면 칼모둘린이나 트로포닌 C(troponin C) 같은 칼슘결합단백질과 결합합니다. 이러한 결합은 직접 또는 간접적인 반응을 통해 생리대사를 조절합니다.

 

3. 배설

칼슘은 소변과 내인성 대변 배설량의 기본 손실량과 피부를 통한 손실량으로 구성됩니다. 대변으로 배설되는 칼슘은 흡수되지 않은 내인성 칼슘(endogenous calcium)과 식이 칼슘입니다. 내인성 칼슘은 담즙 등과 같은 장내 분비액에 함유된 칼슘 중 재흡수되지 않은 것입니다. 소변으로 배설되는 칼슘은 칼슘 섭취량 및 흡수량 그리고 개인에 따라 크게 다릅니다. 신장에서 99.8% 정도의 칼슘이 재흡수되므로 사구체에서 여과된 양의 0.2% 정도만이 소변으로 배설됩니다.

소변으로 배설되는 칼슘은 아동기에 조금씩 증가하여 사춘기 이전에 100~130mg이며 성인은 1일 140mg 정도가 됩니다. 폐경기는 칼슘 배설이 많아지는 시기로 뼈의 분해가 증가되는데, 이는 에스트로겐요법으로 완화할 수 있습니다.

식이칼슘 섭취와 흡수는 소변으로 배설되는 칼슘과 어느 정도 양의 상관관계를 가지고 있습니다. 탄수화물 대사물이나 단백질은 소변으로 배설되는 칼슘의 양을 증가시키나, 인의 섭취량이 증가하면 부갑상선 호르몬의 합성이 촉진되어 소변 중의 칼슘 양은 감소합니다. 정맥을 통해 아미노산이나 포도당을 주입하면 소변 중의 칼슘이 증가됨으로써 음의 칼슘평형을 가져오는데, 이때 정맥 주입액에 인을 첨가하면 이런 영향을 감소시킬 수 있습니다. 피부를 통한 칼슘 손실량은 환경 조건에 따라 크게 다르지만, 대략 하루에 15mg 이하입니다.

 

4. 칼슘의 항상성

우리의 혈액 중에는 항상 일정한 농도의 칼슘(혈청 내 10mg/dl)이 유지되는데, 이온화 상태가 47.5%, 단백질과 결합되어 있는 것이 46%이고, 그 외 시트르산칼슘염, 인산칼슘염 등의 복합체로 존재합니다. 이온화 상태의 칼슘이 기능을 갖는 형태이며, 단백질 결합형과는 빠르게 평형을 이룹니다.

혈장의 칼슘이온 농도는 칼슘을 조절하는 호르몬들이 소장과 뼈 그리고 신장에 영향을 미치면서 일정하게 유지됩니다. 이 중에 중요한 것이 부갑상선 호르몬, 칼시토닌 및 비타민 D입니다.

 

가. 부갑상선 호르몬

부갑상선 호르몬은 부갑상선에서 합성되어 분비되는데, 혈액의 칼슘 농도를 조절하는 가장 중요한 호르몬으로 혈액 내의 칼슘 농도가 저하되었을 때 분비됩니다. 이 호르몬은 직접적으로는 신장에서 칼슘의 재흡수와 뼈의 분해를 자극하며 간접적으로는 신장에서 비타민 D를 그 활성형인 1,25-디히드록시콜레칼시페롤[1,25-(OH)₂-D]로의 전환을 촉진시킵니다. 활성형인 비타민 D는 소장에서 칼슘의 흡수를 증가시킵니다.

 

나. 칼시토닌

칼시토닌은 갑상선의 C 세포에서 합성되는 호르몬입니다. 혈액 칼슘 농도가 상승했을 때 분비되어 칼슘 농도를 낮추며, 부갑상선 호르몬과는 반대작용을 합니다. 조골세포는 칼시토닌에 대한 수용체를 가지고 있어서 칼시토닌에 의해 뼈의 분해가 저해됩니다.

 

다. 비타민 D

식품이나 피부에서 합성된 비타민 D는 간에서 25-(OH)-D로 전환되었다가 신장에서 부갑상선 호르몬의 도움을 받아 1,25-(OH)₂-D의 활성형으로 전환됩니다. 칼슘 결핍상태에 있게 되면 더 많은 1,25-(OH)₂-D가 생성됩니다. 이러한 활성형의 비타민 D는 소장에서 칼슘의 흡수와 신장의 재흡수를 향상시켜서 혈액의 칼슘 농도를 증가시킵니다.

 

라. 기타 호르몬

부갑상선 호르몬, 칼시토닌 그리고 비타민 D가 혈액의 칼슘 농도를 조절하는 주요 호르몬이지만, 다른 몇 가지 호르몬들도 골격 및 칼슘 대사에 관여합니다. 글루코코르티코이드(hlucocorticoids), 갑상선 호르몬(thyroid hormone), 성장 호르몬(growth hormone), 인슐린(insulin)과 에스트로겐이 바로 그것입니다. 글루코코르티코이드는 조골세포의 활성을 저하시켜 뼈의 손실을 가져오며, 소장에서 칼슘의 능동 또는 수동수송에 장애를 주기도 합니다. 갑상선 호르몬도 뼈의 분해를 촉진시키므로 갑상선기능항진(hyperthyroidism)의 경우 골질량의 감소를 볼 수 있습니다. 갑상선기능부전(hypothyroidism)의 경우에는 부갑상선 호르몬의 작용인 뼈 분해가 손상을 입어서 이차적인 부갑상선기능항진(hyperparathyroidism)을 초래하기도 합니다. 성장 호르몬은 골격의 성장을 촉진하고, 활성형 비타민 D(1,25-dihydroxy cholecalciferol, 1,25-(OH)₂-D)의 농도를 높이며, 소장 내의 칼슘의 수송을 향상시킵니다. 혈액 내 에스트로겐 농도가 정상일 때 정상적인 골격대사의 균형이 이루어집니다. 폐경 후 여성들의 골격 손실로 인한 골다공증의 주된 발병원인은 에스트로겐 분비의 감소입니다.