루테인

식물의 광합성 조직인 잎의 카로티노이드(carotenoid) 성분 중 크산토필(엽황소, xanthophyll) 그룹에 속하는 주요 성분(약 32% 정도)의 하나로서, 주로 시금치, 케일 등의 녹색의 잎 채소와 노란색의 당근, 과일, 꽃 등에서 다량 발견되며, 달걀 난황의 주성분이기도 하다.¹⁾ 특히, 루테인은 안구의 황반 색소의 구성물질로서 하루에 6~10 mg 정도 섭취 시 눈 건강에 도움을 준다는 긍정적 건강효과가 보고됨으로써²⁾ 메리골드(천수국, marigold) 꽃 추출물 등은 식품 첨가제로 승인되어 사용되고 있다.³⁾

목차

루테인은 카로티노이드(carotenoid, C40) 라는 식물 색소 물질 군 중에서 카로틴(carotene, C40)의 산화적 유도체인 크산토필(xanthophyll C40) 그룹의 한 성분이고, 카로티노이드는 테르펜(terpene) 또는 테르페노이드(terpenoid)라는 식물 2차 대사물질의 큰 영역에 속하므로 그 생합성 과정은 테르페노이드의 공동 전구체 물질인 이소프렌(isoprene, C5) 생성, 카로티노이드 생합성 경로의 본격적인 시작 물질인 파이토엔(phytoene, C40) 생성과 루테인을 포함하는 알파크산토필(a-xanthophyll, C40) 물질군의 생성 경로로 나누어 볼 수 있다.⁴⁾

이소펜테닐 2인산염(isopentenyl pyrophosphate, IPP, C5)과 디메틸아릴 2인산염 (dimethylallyl pyrophosphate, DMAPP, C5) 물질을 공급하는 과정은 주로 엽록체에서 일어나며, 1차대사 산물인 글리세르알데히드 인산염(glyceraldehyde-3-phosphate, GAP, C3)과 피루브산(pyruvate, C3)으로부터 디옥시자일룰로우즈 인산염(1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate, DXP, C5)을 거치는 비메발론산 경로(non-mevalonate 경로 또는 MEP 경로 또는 DXP 경로)를 통해 주로 공급된다. 먼저 DXP synthase(DXS)에 의해 GAP과 pyruvate의 중합반응으로 형성된 DXP가 DXP reductoisomerase(DXR, IspC)에 의한 환원반응으로 메틸에리스리톨 인산염(2C-methyl-D-erythritol 4-phosphate, MEP, C5)이라는 branched-chain polyol 구조로 재배치되고, 4-diphosphocytidyl-2C-methyl-D-erythritol synthase(MES, IspD), 4-diphosphocytidyl-2C-methyl-D-erythritol kinase(MEK, IspE), 2C-methyl-D-erythritol 2,4-cyclodiphosphate synthase(MECS, IspF) 등 세 종류의 연속적인 효소반응에 의해 nucleotide diphosphate intermediate를 거쳐 메틸에리스리톨 시크로2인산염(2C-methyl-D-erythritol-2,4-cyclodiphosphate, MECPP, C5) 구조로 전환된다. 그 이후 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate synthase(HDS, IspG)에 의한 ring opening, 1-hydroxy-2-methyl-2-(E)-butenyl 4-diphosphate reductase(HDR, IspH)에 의한 환원반응에 의해 IPP가 합성되고 isopentenyl diphosphate isomerase(IPI) 효소 활성에 의해 DMAPP와 상호 전환되면서 최종적으로 IPP와 DMAPP가 합성된다.

DMAPP 한 분자에 IPP 세 분자를 연속적으로 첨가시키는 geranylgeranyl pyrophosphate synthase(GGPS) 촉매반응에 의해 탄소 20개의 diterpene 물질인 제라닐 피로인산염(geranylgeranyl pyrophosphate, GGPP, C20)이 만들어지고, 두 분자의 GGPP가 phytoene synthase(PSY)에 의한 중합반응을 통해 탄소 40개의 파이토엔 물질을 합성하면서 카로티노이드 합성의 본격적인 기질로 사용된다.

파이토엔은 phytoene desaturase(PDS), ζ-carotene isomerase(Z-ISO), ζ-carotene desaturase(ZDS) 및 carotenoid isomerase(CRTISO)에 의해 all-trans 폼의 비환형 카로티노이드의 최종물질이자 선홍색 색소인 라이코펜(lycopene, C40)을 생성하고, 이는 lycopene-β-cyclase(β-LCY, LCYB)과 lycopene-ε-cyclase(ε-LCY, LCYE)의 교차작용에 의해 각각 γ-carotene과 δ-carotene을 거쳐 환형 카로틴 물질인 알파카로틴(a-carotene, C40)으로 전환된다. 이후 알파카로틴의 산화적 유도체인 알파크산토필의 합성은 P450-type β-carotene hydroxylase인 CYP97A또는 di-iron non-heme β-carotene hydroxylase(BCH)와 P450-type ε-carotene hydroxylase인 CYP97C의 교차작용에 의해 각각 zeinoxanthin과 α-cryptoxanthin을 거쳐 최종적으로 양말단 링 구조에 각각 수산기를 가지는 노란색소인 루테인(lutein, C40)이 생성된다. 

루테인 생합성 경로 (출처:한국식물학회, 하선화)

루테인 물질의 화학 구조 (출처:한국식물학회, 하선화)

식물에서 루테인은 광합성기구에 가장 풍부한 크산토필 성분의 하나로서, LHCII 복합체의 L1 부위에 결합하여 유해한 클로로필 3중체(3Chl*)를 소멸시키는 특성으로 활성산소종(ROS) 형성을 방지하는데 필수적이다.⁵⁾ 또한, 인간의 눈에서 루테인은 3차원 시야를 책임지는 망막의 황반에 농축되어 안색소로서 산화 스트레스 및 청색광의 고에너지 광자로부터 눈을 안전하게 도와준다고 알려져 있어 영양보충제로 섭취 시 황반변성, 안구건조증 예방 효과가 일부 보고되어 있다.⁶⁾

1. Perry A, Rasmussen H, Johnson EJ (2009) Xanthophyll (lutein, zeaxanthin) content in fruits, vegetables and corn and egg products. J Food Compos Anal 22: 9–15
2. Seddon JM, Ajani UA, Sperduto RD (1994) Dietary Carotenoids, Vitamins A, C, and E, and Advanced Age-Related Macular Degeneration. JAMA 272: 1413–1420
3. Piccaglia R, Marotti M, Grandi S (1998) Lutein and lutein ester content in different types of Tagetes patula and T. erecta. Ind Crops Prod 8: 45–51
4. Ha SH, Jeong YS, Lim SH 등 (2012) Carotenoid metabolic engineering in flowering plants. Kor J Hort Sci Technol 30: 107–122
5. Dall'Osto L, Lico C, Alric J 등 (2006) Lutein is needed for dfficient chlorophyll triplet quenching in the major LHCII antenna complex of higher plants and effective photoprotection in vivo under strong light. BMC Plant Biol 6: 32
6. Moeller SM, Jacques PF, Blumber JB (2000) The potential role of dietary xanthophylls in cataract and age-related macular degeneration. J Am Coll Nutr 19: 522S–527S