비타민K

비타민 K1은 필로퀴논(Phylloquinone)이라고도 불리며, 주로 녹색 잎채소에서 발견되는 지용성 비타민이다. 화학적으로는 2-메틸-3-파이틸-1,4-나프토퀴논의 구조를 가지며, 측쇄에 파이틸기가 결합되어 있다. 이는 식물의 엽록체에서 합성되는 비타민 K의 주요 형태이다.

비타민 K1은 혈액 응고 과정에서 필수적인 역할을 한다. 간에서 프로트롬빈과 같은 혈액 응고 인자(응고 인자 II, VII, IX, X)의 활성화에 관여하는 카르복실화 반응의 보조 인자로 작용한다. 이 과정에서 글루탐산 잔기가 γ-카르복시글루탐산(Gla)으로 전환되어, 이러한 단백질들이 칼슘 이온과 결합하고 혈전 형성에 참여할 수 있게 된다.

식이 공급원으로는 시금치, 케일, 브로콜리, 상추와 같은 짙은 녹색 잎채소가 가장 풍부하다. 다른 채소나 식물성 기름(대두유, 카놀라유)에도 소량 함유되어 있다. 체내 흡수율은 식품의 지방 함량과 함께 섭취할 때 증가하며, 조리 과정에서 일부 손실될 수 있다.

비타민 K1의 주요 대사 및 작용 경로는 다음과 같다.

비타민 K2는 메나퀴논(menaquinone)으로 알려진 지용성 비타민의 한 형태이다. 주로 세균에 의해 합성되며, 특히 장내 세균에 의해 일부 생산된다. 비타민 K2는 사이드 체인의 길이와 포화도에 따라 여러 하위 유형(MK-4부터 MK-13까지)으로 나뉜다. 이 중 MK-4와 MK-7이 가장 활발히 연구되는 형태이다. MK-4는 동물성 식품에 주로 존재하며, MK-7은 낫토와 같은 발효 식품에서 발견된다.

비타민 K2의 주요 기능은 비타민K 의존성 단백질을 활성화하는 것이다. 특히 오스테오칼신(뼈에 존재)과 매트릭스 Gla 단백질(혈관 등 연조직에 존재)의 활성화에 핵심적인 역할을 한다. 활성화된 오스테오칼신은 칼슘이 뼈의 기질에 결합하도록 유도하여 뼈의 광화를 촉진한다. 반면, 활성화된 매트릭스 Gla 단백질은 혈관 벽과 같은 연조직에서 비정상적인 칼슘 침착을 억제한다[4].

다양한 식품 공급원을 통해 섭취할 수 있다. MK-4는 달걀 노른자, 버터, 치즈, 간과 같은 동물성 식품에 포함되어 있다. MK-7, MK-8, MK-9와 같은 장사슬 메나퀴논은 낫토(발효 대두), 일부 치즈, 발효 양배추와 같은 세균 발효 식품에서 발견된다. 일반적으로 MK-7은 체내에서 MK-4보다 더 오래 지속되는 생체이용률을 보이는 것으로 알려져 있다.

비타민 K3는 메나디온(Menadione)이라는 화합물로, 자연적으로 존재하는 비타민 K1과 비타민 K2와 달리 인공적으로 합성된 수용성 비타민 K 유사체이다. 이는 순수한 형태의 비타민이 아니라, 체내에서 활성 형태인 비타민 K2(메나퀴논-4)로 전환되어야 생물학적 기능을 발휘할 수 있는 전구체(프로비타민) 역할을 한다.

주로 동물 사료의 첨가제나 산업용으로 사용되었으며, 과거에는 인간용 의약품으로도 활용되기도 했다. 그러나 고용량에서 나타나는 잠재적 독성 때문에 현재 많은 국가에서 인간의 영양 보충제나 의약품으로의 사용이 제한되거나 금지되었다. 메나디온은 특히 신생아에게 용혈성 빈혈과 고빌리루빈혈증(황달)을 유발할 수 있는 것으로 알려져 있어 주의가 필요하다[5].

따라서 인간의 건강을 위한 비타민 K 보충은 천연 형태인 K1과 K2를 통해 이루어지는 것이 일반적이며, K3에 대해서는 그 사용과 안전성에 주의를 기울여야 한다.

비타민K는 간에서 혈액 응고 인자 II(프로트롬빈), VII, IX, X의 활성화에 필수적인 보조 인자 역할을 한다. 이들 단백질은 간에서 합성될 때 활성 형태가 아닌 전구체로 생성되는데, 비타민K는 이들의 활성화를 돕는 카르복실화 반응의 핵심 성분이다.

구체적으로, 비타민K는 감마-글루타밀 카르복실화 효소의 보조 인자로 작용하여, 응고 인자들의 글루탐산 잔기를 감마-카르복시글루탐산 잔기로 변환한다. 이 변환은 칼슘 이온과 결합할 수 있는 부위를 만들어내며, 이는 응고 인자들이 혈소판 표면의 인지질 막에 정확하게 부착되어 활성화되는 데 필수적이다. 비타민K가 부족하면 이 카르복실화가 불완전하여 기능이 떨어지는 응고 인자들이 생성된다.

이 과정은 비타민K 주기를 통해 효율적으로 재활용된다. 활성화된 비타민K는 반응 후 비타민K 에폭사이드로 산화되고, 비타민K 에폭사이드 환원효소에 의해 다시 환원되어 재사용된다. 이 환원 효소는 항응고제인 와파린의 주요 표적이다. 와파린은 이 효소를 억제함으로써 비타민K의 재활용을 방해하고, 결과적으로 활성화된 응고 인자의 생성을 감소시켜 혈액 응고를 억제한다.

비타민 K는 뼈 대사에 필수적인 단백질인 오스테오칼신의 활성화에 핵심적인 역할을 한다. 오스테오칼신은 골아세포에서 생성되는 단백질로, 칼슘이 뼈 기질에 정상적으로 침착되도록 하는 기능을 한다. 비타민 K는 이 오스테오칼신의 특정 글루탐산 잔기에 카르복실화 반응을 촉매하여 활성형으로 전환시킨다. 활성화된 오스테오칼신은 칼슘 이온과 결합력이 높아져 뼈의 광화 과정을 효율적으로 돕는다.

따라서 비타민 K가 부족하면 오스테오칼신의 활성화가 저하되어 뼈의 광화가 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 이는 뼈의 미네랄 밀도를 낮추고 취약성을 증가시켜 골다공증 및 골절 위험을 높이는 요인으로 작용한다. 특히 비타민 K2 (메나퀴논)는 뼈 건강에 있어 비타민 K1보다 더 강력한 효과를 보이는 것으로 여러 연구에서 보고되고 있다[8].

여러 관찰 연구와 메타분석 결과는 비타민 K 섭취량이 높을수록 고관절 골절 위험이 낮아지는 상관관계를 보여준다. 또한 골다공증 환자를 대상으로 한 임상 시험에서 비타민 K2 보충이 요추의 골 미네랄 밀도 감소를 억제하고 골절 발생률을 낮추는 데 도움이 될 수 있다는 결과가 있다. 그러나 모든 연구 결과가 일치하는 것은 아니며, 비타민 K의 골다공증 예방 및 치료 효과에 대한 결론을 내리기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.

비타민 K의 뼈 건강에 대한 기전과 효과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

비타민K는 혈관 석회화를 억제하는 데 중요한 역할을 한다. 혈관 석회화는 혈관벽, 특히 동맥벽에 칼슘이 침착되어 혈관이 딱딱해지고 탄력을 잃는 현상이다. 이는 동맥경화의 주요 원인 중 하나이며, 심혈관 질환의 위험을 크게 증가시킨다. 비타민K는 혈관벽에 존재하는 MGP와 같은 비타민K 의존성 단백질을 활성화시켜 칼슘이 혈관 조직에 침착되는 것을 직접적으로 차단한다.

주로 비타민K2가 이 기능에 깊이 관여한다. 활성화된 MGP는 혈관벽에서 칼슘 이온과 결합하여 석회화를 억제하는 억제제 역할을 한다. 연구에 따르면, 혈액 내 비활성 형태의 MGP 수치가 높을수록 혈관 석회화 및 심혈관 사건 위험이 증가한다는 사실이 확인되었다[9]. 따라서 충분한 비타민K, 특히 K2의 섭취는 혈관의 건강한 탄력성을 유지하고 동맥의 병적 석회화 진행을 늦추는 데 기여한다.

혈관 석회화 억제 효과와 관련된 주요 연구 결과는 다음과 같다.

이러한 기전과 연구 결과는 비타민K, 특히 장쇄형 메나퀴논인 비타민K2가 단순한 응고 인자 이상으로 심혈관 시스템 건강을 보호하는 다면적인 기능을 가짐을 시사한다.

성인 남성의 경우 하루 약 120 마이크로그램(㎍), 성인 여성의 경우 약 90 ㎍의 비타민 K 섭취가 충분하다고 알려져 있다[11]. 이 수치는 주로 비타민 K1을 기준으로 설정되었으며, 비타민 K2에 대한 별도의 공식 권장량은 대부분의 국가에서 아직 마련되지 않았다.

연령별 권장 섭취량은 다음과 같다.

이 수치는 건강한 개인의 혈액 응고 기능을 유지하기 위한 최소 필요량에 가깝다. 최근 연구들은 뼈와 혈관 건강을 최적화하기 위해서는, 특히 비타민 K2의 경우 더 높은 수준의 섭취가 유익할 수 있다는 가능성을 제시한다. 그러나 이에 대한 공식적인 상한 섭취량(UL)은 설정되어 있지 않다.

비타민 K 결핍은 혈액 응고에 필요한 프로트롬빈 및 기타 응고 인자의 합성을 저해하여 출혈 경향을 증가시킨다. 주요 증상으로는 쉽게 멍이 들거나, 코피가 자주 나거나, 잇몸 출혈이 발생하는 것이 포함된다. 심각한 결핍의 경우 내부 출혈이나 위장관 출혈, 생리 과다 출혈이 나타날 수 있으며, 신생아에서는 생명을 위협할 수 있는 신생아 출혈성 질환의 원인이 된다[12].

비타민 K 결핍은 일반 성인보다 특정 위험군에서 더 흔하게 발생한다. 주요 위험군은 다음과 같다.

또한, 와파린과 같은 비타민 K 길항제를 복용하는 환자는 약물의 작용 메커니즘상 기능적 결핍 상태에 있으므로, 의사의 지시 없이 비타민 K 섭취를 급격히 변화시키면 안 된다.

비타민K는 지용성 비타민이지만, 다른 지용성 비타민(예: 비타민A, 비타민D)에 비해 과잉 섭취로 인한 독성 위험은 상대적으로 낮은 편이다. 자연적으로 존재하는 비타민K1과 비타민K2는 식품을 통한 섭취나 보충제 복용 시에도 독성 보고가 극히 드물다. 이는 신체가 과잉분을 효율적으로 대사하고 배출하기 때문이다.

그러나 합성 형태인 비타민K3(메나디온)는 예외적이다. 비타민K3는 동물 사료나 일부 의약품에 사용되었으나, 고용량에서 독성을 나타낼 수 있어 인간의 영양 보충제로는 일반적으로 사용되지 않는다. 비타민K3 과잉은 산화 스트레스를 유발하고, 특히 신생아에서 용혈성 빈혈[13] 및 고빌리루빈혈[14]을 일으킬 위험이 있다.

비타민K 보충제를 과도하게 장기간 복용할 경우 이론적으로는 몇 가지 잠재적 위험이 제기된다. 이는 주로 비타민K가 혈액 응고 과정에 관여하기 때문이다. 과잉 섭취는 항응고제(와파린 등)의 효과를 상쇄하여 혈전 형성 위험을 높일 수 있으며, 반대로 특정 약물과 상호작용하여 출혈 위험을 변화시킬 수도 있다. 따라서 약물을 복용 중인 경우 보충제 섭취 전 의사와 상담이 필수적이다.

일반적으로 건강한 성인이 식품을 통해 자연 형태의 비타민K를 섭취하는 경우에는 과잉을 걱정할 필요가 거의 없다. 각국 보건 당국에서 설정한 비타민K의 상한 섭취량(UL)은 존재하지 않거나, 매우 높은 수준으로 설정되어 있다. 이는 식이 섭취로는 독성 수준에 도달하기 어렵다는 점을 반영한다.

비타민 K1(필로퀴논)은 주로 녹색 잎채소에서 발견되는 식물성 비타민 K의 주요 형태이다. 이는 식물의 엽록체에서 합성되기 때문에 엽록소가 풍부한 식물 조직에 높은 농도로 존재한다.

비타민 K1의 가장 중요한 식품 공급원은 다음과 같다.

이들 식품 중 파슬리와 케일은 특히 높은 농도를 보인다. 일반적으로 잎의 색이 짙을수록 비타민 K1의 함량이 높은 경향이 있다. 조리 과정은 비타민 K1의 일부를 파괴할 수 있지만, 지용성 비타민이기 때문에 기름과 함께 조리하면 흡수율이 향상된다[16].

비타민 K1은 식물성 오일에서도 발견된다. 카놀라유, 대두유, 올리브 오일 등이 그 예이다. 그러나 오일의 정제 과정과 저장 조건에 따라 함량이 크게 달라질 수 있다. 과일과 곡물은 일반적으로 비타민 K1 함량이 낮은 편이다.

비타민 K2는 주로 동물성 식품과 발효 식품에서 발견되며, 그 형태와 공급원에 따라 차이를 보인다. 가장 일반적인 형태인 메나퀴논-4(MK-4)는 동물 조직에, 긴 사슬 형태인 메나퀴논-7(MK-7) 등은 박테리아 발효를 통해 생성된다.

동물성 공급원으로는 간, 특히 거위 간과 같은 지방이 많은 간, 계란 노른자, 버터, 치즈, 닭고기 등이 있다. 이들 식품의 MK-4 함량은 동물의 사료에 크게 의존한다[17]. 발효 식품은 특히 MK-7을 포함한 다양한 형태의 K2를 제공하는 중요한 공급원이다. 대표적인 식품은 일본의 전통 발효 대두 식품인 낫토로, MK-7 함량이 매우 높다. 그 외에도 된장, 청국장, 일부 숙성 치즈(예: 고다 치즈, 에담 치즈), 발효 유제품도 K2를 함유한다.

일반적으로 서양 식단에서는 치즈와 같은 유제품이 주요 K2 공급원인 반면, 동아시아 식단에서는 낫토와 같은 발효 대두 제품이 중요한 역할을 한다. 장내 미생물군도 소량의 비타민 K2를 생산하지만, 이는 식이 섭취를 대체하기에는 충분하지 않을 수 있다.

와파린은 비타민K의 길항제로 작용하는 대표적인 항응고제이다. 와파린은 간에서 비타민K의 재활용을 방해하여, 비타민K 의존성 응고 인자(인자 II, VII, IX, X)의 활성화를 억제한다[20]. 이로 인해 혈액 응고 시간이 길어져 혈전 형성을 예방한다.

따라서 와파린을 복용하는 환자는 비타민K 섭취량을 일정하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 식사를 통한 비타민K 섭취량이 갑자기 크게 증가하면 와파린의 항응고 효과가 약화되어 혈전 위험이 높아질 수 있다. 반대로 섭취량이 급격히 감소하면 출혈 위험이 증가할 수 있다. 환자는 의사나 약사의 지시에 따라 녹색채소 등 비타민K가 풍부한 식품을 꾸준히 일정량 섭취하는 것이 권장되며, 급격한 식단 변화는 피해야 한다.

일부 비타민K 보충제(특히 고용량)는 와파린의 작용을 방해할 수 있으므로, 복용 전 반드시 의사와 상담해야 한다. 반면, 최근 연구에서는 매우 낮은 용량의 비타민K2 보충이 와파린으로 인한 혈관 석회화를 완화하는 데 도움이 될 수 있다는 보고도 있다[21]. 환자의 안전을 위해 모든 보충제 복용은 치료 담당 의사와 논의 후 결정한다.

항생제의 장기간 사용은 장내 세균총을 변화시켜 비타민K 합성을 저해할 수 있다. 이로 인해 항생제 치료를 받는 환자에서 비타민 K 결핍 위험이 증가할 수 있다[22].

지용성 비타민 흡수를 저해하는 약물은 비타민 K의 흡수에도 영향을 미친다. 콜레스티라민이나 올리스타트와 같은 약물은 지방과 함께 비타민 K의 흡수를 감소시킬 수 있다. 또한 항경련제(예: 페니토인, 카르바마제핀)의 장기 사용은 비타민 K 대사를 촉진하거나 간에서의 활성화를 방해하여 결핍을 유발할 수 있다.

보충제와의 관계에서는 고용량의 비타민E 보충제(하루 1000 IU 이상)가 비타민 K 의존적 응고 인자의 활성을 방해할 수 있다는 연구 결과가 있다. 반면, 비타민D는 뼈 대사에서 비타민 K와 상승 작용을 하는 것으로 알려져 있으며, 특히 칼슘의 뼈로의 적절한 침착을 위해 두 비타민의 균형이 중요하다.

비타민 K2는 동맥 석회화를 억제하고 심혈관 건강에 긍정적인 영향을 미칠 수 있다는 연구 결과들이 제시되고 있다. 동맥 석회화는 혈관 벽에 칼슘이 침착되어 혈관의 탄력을 잃고 심혈관 질환 위험을 높이는 과정이다. 비타민 K2는 매트릭스 글라 단백질(MGP)이라는 단백질을 활성화시키는 데 필수적인 역할을 한다. 활성화된 MGP는 혈관 벽에서 칼슘 이온과 결합하여 침착을 방지하는 '강력한 혈관 석회화 억제제'로 작용한다[24].

여러 관찰 연구와 전향적 코호트 연구에서 혈중 비타민 K2(특히 메나퀴논-7) 수치가 높을수록 관상동맥 심장병 위험이 낮아지고, 대동맥 석회화 정도가 감소하는 연관성이 보고되었다. 예를 들어, 네덜란드에서 수행된 대규모 코호트 연구(Rotterdam Study)에서는 비타민 K2 섭취량이 가장 높은 군이 가장 낮은 군에 비해 관상동맥 심장병으로 인한 사망 위험이 57% 낮았으며, 심한 대동맥 석회화 위험도 52% 감소한 것으로 나타났다[25].

그러나 이러한 긍정적 효과가 주로 비타민 K1보다는 비타민 K2, 특히 장쇄형 메나퀴논에서 관찰된다는 점이 주목할 만하다. 현재까지의 증거는 대부분 연관성을 보여주는 관찰 연구에 기반하고 있으며, 비타민 K2 보충이 심혈관 사건(예: 심근경색, 뇌졸중)을 직접적으로 예방한다는 것을 입증하는 확정적인 무작위 대조 시험은 아직 부족한 실정이다. 따라서 비타민 K2가 심혈관 건강에 미치는 정확한 기전과 임상적 효능을 규명하기 위해 추가적인 중재 연구가 필요하다.

비타민 K, 특히 비타민 K2의 신경 보호 효과에 대한 연구가 주목받고 있다. 초기 연구는 주로 뇌의 지질 대사와 관련된 단백질인 Apolipoprotein E의 기능 조절에 비타민 K가 관여할 수 있다는 점에 주목했다. Apolipoprotein E는 알츠하이머병의 주요 위험 인자로 알려져 있으며, 비타민 K는 이 단백질의 대사를 영향을 줄 수 있다는 실험실 연구 결과가 있다[26].

최근 연구는 비타민 K가 뇌의 항산화 체계와 신경염증 조절에 기여할 수 있다는 가능성을 제시한다. 동물 실험에서 비타민 K 결핍은 산화 스트레스를 증가시키고 신경세포 손상을 유발하는 반면, 보충은 인지 기능 저하를 완화하는 것으로 나타났다. 또한, 비타민 K는 뇌에서 생성되는 중요한 스핑고지질의 합성에 필수적인 역할을 한다. 스핑고지질은 신경세포의 수초 형성과 기능 유지에 중요한 물질이다.

이러한 연구들은 비타민 K가 노화 관련 인지 감퇴나 신경퇴행성 질환의 예방에 잠재적 역할을 할 수 있음을 시사하지만, 아직 확정적 결론을 내리기에는 증거가 부족하다. 대부분의 연구가 동물 실험이거나 소규모 관찰 연구에 그치기 때문이다. 비타민 K의 인지 기능 보호 효과와 정확한 작용 기전을 규명하기 위해서는 대규모 장기간의 임상 연구가 필요하다.