지방산

지방산은 생명체를 구성하는 기본이 되는 물질중의 하나인 지질(Lipid)의 구성 성분이고, 지질의 구조적-기능적 다양성을 제공하는데 중요한 분자이다. 지방산은 생명체의 기능에 기여할 뿐만 아니라, 인간의 일상 생활과 매우 밀접한 관계를 맺고 있는 음식 및 식품 첨가제로도 사용되고 있다(그림 1). 이렇게 다양하게 생명체와 관계 하기 때문에, 이들의 화학적-물리적 성질을 탐구하고 그에 대한 기본 지식을 습득하는 것은 생명체를 이해하는데 근간을 이룬다.

그림1. 지방의 생물학적 분포(식물지방과 생선지방)

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목차

화학적 관점에서 오일(oil) 또는 지방(fat, 기름)으로부터 얻어지는 카르복실산(carboxylic acid)을 지방산(fatty acid)이라고 부른다. 이렇게 얻어진 지방산은 일반적으로 길고, 비가지성(unbranched) 탄화수소(hydrocarbon) 체인이다. 지방과 오일의 차이점은 상온에서 고체이거나(지방) 액체(오일)인 상태를 기준으로 이름을 달리 부르는 것이다¹⁾. 이런 물리적 성질의 차이는 지방을 이루는 지방산 중에 이중결합을 포함하는 지방산이 있으면 액체인 오일이 된다. 가장 흔한 예가 참기름이다. 지방산은 알콜과 지방산과의 에스터 형태인(esterifed) 왁스(wax)에서도 얻을 수 있다.

지방산과 글리세롤(glycerol)의 삼중에스터(triester)를 지방(fat) 또는 지질(lipid)이라고 부르며(그림 2), 지방을 이루는 지방산은 보통 짝수 개의 탄소로 이루어져 있다. 그 이유는 생합성 과정에서 두 개의 탄소를 가진 아세틸 그룹이 중합되기 때문이다(그림 2). 이렇게 합성된 지방산 중 탄화수소체인이 단일 결합만으로 이루어져 있으면 포화 지방산(saturated fatty acid)이라 부르며, 구조적으로 곧고 길어 서로 강력하게 포개져 녹는점이 높아져 상온에서 고체일 가능성이 높다. 또한, 탄화수소 체인에 이중 결합이 한 개 이상 포함되어 있으면 불포화 지방산(unsaturated fatty acid)이라 부르며, 보통 체인의 구조가 구부러지는 경우가 많다(cis-형태는 구부러짐)¹⁾. 이 경우, 지질의 3개의 지방산들이 겹쳐질 때 모두 포화지방산인 경우에 비하여 불포화 지방산이 포함될 경우 서로간의 포개짐이 느슨하여 결국 녹는점이 낮아져 상온에서 액체인 지방인 경우가 많다(예, 참기름).

그림2. 지방산의 구조 및 성질

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지방산은 보통 16-24개의 탄화수소체인의 한쪽에 카르복실기(carboxyl, COOH-)를 포함한다(그림 2). 즉, 지방산은 한쪽은 소수성(탄화수소체인, hydrophobic)과 다른 한쪽은 친수성(카르복실기, hydrophilic)을 가지는 양쪽성 물질이다¹⁾. 이 카르복실기가 글리세롤의 -OH기와 에스터(ester) 결합을 하여 지방 또는 지질이라고 부르는 트리아실글리세롤(triacylglycerol)을 만들며, 이렇게 생성된 지방도 양쪽성 물질이지만, 탄화수소의 길이가 길어서 결국은 전체적으로 소수성 성질이 강하게 된다²⁾. 소수성인 탄화수소 부분에 C=C 이중결합이 없는 지방산은 포화지방산이라고 부르며 전체적으로 linear하며, 탄소가 16개인 스테아릭산(straric acid)이 대표적이다(그림 3). 이와는 대비되는 경우가, 탄화수소체인에 C=C 이중결합이 하나 이상 존재하는 불포화지방산이며, 대표적으로 올레익산(oleic acid)을 들 수 있으며, 이중결합이 cis- 또는 trans- 여부에 따라서 물리-화학적 성질이 다르다(그림 3). 따라서, 포화지방산은 대부분 직선(linear)상이지만, 불포화 지방산은 굽거나 환상인 구조를 보이는 경우도 있다(그림 3).

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산업적으로 지방산은 트리아실글리세롤에서 가수분해로 얻어진다. 산업적으로 얻어진 지방산은 보통 화장품 등의 보습효과를 위한 첨가제로 쓰인다. 하지만, 생명체에서는 더욱 다양한 용도로 쓰여지기 때문에 스스로 합성하거나 음식물로 충분히 섭취를 해야만 한다²⁾. 동물에서 지방산 생합성은 주로 간, 지방조직 등에서 만들어진다. 세포 수준에서는 세포질과 미토콘드리아에서 반응이 일어난다²⁾³⁾. 세포질에서 일어나는 해당 과정을 통해 탄수화물인 포도당이 피루브산으로 전화되어 미토콘드리아로 이동되고 Acetyl-CoA로 전환된다. 이어서, 이렇게 생산된 Acetyl-CoA와 시트르산 유래 acetyl-CoA가 효소적 중합으로 인한 malonyl-CoA로 전환되고, 세포질로 이동된 이 물질에 연속적으로 2-carbon인 acetyl-CoA의 중합으로 지방산의 탄화수소체인의 길이가 증가하게 된다⁴⁾⁵⁾. 지방산이 분해되는 동안 많은 양의 에너지(ATP)가 방출된다. 즉, 지방산은 합성되는 동안 음식으로 섭취된 탄수화물에 함유된 에너지를 저장하는 물질인 것이다. 이들의 분해도 미토콘드리아에서 진행되며, beta-oxidation과 시트릭산 사이클을 통하여 순차적으로 분해되어 이산화탄소와 물로 전환된다.

모든 지방산을 생물체의 세포 내에서 생산되지는 않는다. 특히, 영양학 및 생리학적으로 중요한 지방산들은 생체 내에서 충분히 합성이 되지 않는다. 특히, 인간은 지방산의 탄화수소체인의 9,10번 탄소 사이에 이중결합을 도입할 수 있는 체계를 가지고 있지 않다. 이러한 불포화 지방산은 음식으로만 섭취해야 하는데, 이를 필수 지방산(essential fatty acids)이라고 한다⁶⁾. 필수 지방산에는 리놀레익산(linoleic acid, ALA)과 알파리놀레익산(a-linoleic acid, a-ALA) 등이 있으며, 식물성 오일에 많이 함유되어 있다. 이런 식물성 오일을 음식으로 섭취하면, 인체는 고도 불포화 지방산으로 알려진 오메가-3-지방산들인 eicosapentaenoic acid (EPA)와 docosahexaenoic acid (DHA)로 전환시킨다. 이들은 잘 알려진 바와 같이 어류 오일에 풍부하다. 이러한 고도 불포화 지방산들은 신경계에 작용하는 통각 억제(antinoiceptic), 항불안증(anxiolytic) 등의 기능을 하는 endocannabinoids의 생합성의 전구체로 이용된다⁶⁾.

그림 4. 지방산 대사 ()

미토콘드리아, 고도불포화지방산, 필수지방산, 탄화수소

이성행/조선대학교

이정신/강원대학교

1. Fessenden, R.J. and Fessenden, J.S. 1982. Orgnaic Chemistry (2^nd ed). Willard Grant Press. Pp. 888-890.
2. Mathews, Van H. and Appling, A.H. 2013. Biochemistry (4^th Ed). Pearson Canada Inc. pp 359-362.
3. Stryer, L. 1995. Fatty acid metabolism. Biochemistry (4th ed.). New York: W. H. Freeman and Company. pp. 603–628.
4. Zechner, R., Strauss, J.G., Haemmerle, G., Lass, A., and Zimmermann, R. 2005. Lipolysis: pathway under construction. Curr. Opin. Lipidol. 16, 333–340.
5. Voet, D., Voet, J.G., and Pratt, C.W. 2006. Fundamentals of Biochemistry (2nd ed.). John Wiley and Sons. pp. 547, 556.
6. Ramsden, C.E., Zamora, D., Makriyannis, A., Wood, J.T., Mann, J.D., et al. 2015. Diet-induced changes in n-3 and n-6 derived endocannabinoids and reductions in headache pain and psychological distress. J. Pain 16, 707–716.