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콜레스테롤은 세포막을 만들고 유지하는데 필수적이다. 콜레스테롤은 생리적 온도 범위 내에서 세포막의 유동성을 조절한다. 콜레스테롤의 수산화기는 막 인지질 및 스핑고지질의 극성 머리 부분과 상호작용하고, 부피가 큰 스테로이드와 탄화 수소 사슬은 다른 지질의 비극성 지방산 사슬과 함께 막 안에 파묻혀 있다. 인지질 지방산 사슬과의 상호작용을 통하여 콜레스테롤은 막을 밀집시키고 유동성은 낮춘다. 콜레스테롤의 4개 고리 구조는 트랜스 형태로, 곁사슬을 제외하고는 뻣뻣하고 평면 형태를 이루기 때문에 막의 유동성을 낮출 수 있다. 이러한 구조적 영향으로 콜레스테롤은 중성 용질,수소 이온, 나트륨 이온의 막 투과성을 감소시킨다.
세포막 내에서 콜레스테롤은 세포내 수송, 세포 신호전달, 신경 전도에도 관여한다. 콜레스테롤은 캐비올리와 클라트린 피막 홈의 구조뿐만 아니라 캐비올리나 클라트린 의존성 세포내이입을 포함하는 함입 기능에 필수적인 요소이다. 콜레스테롤이 세포 내 이입에서 하는 역할은 메틸 β-사이클로덱스트린(MβCD)이 원형질 막에서 콜레스테롤을 제거하는 특성을 이용하여 연구한다. 최근에는 원형질 막의 지질 뗏목 형성을 돕는 세포 신호 전달과 관련된 역할이 밝혀졌다. 지질 뗏목은 수용체 단백질을 가까운 거리에 모으고 2차 신호전달 분자를 밀집시킨다. 뉴런의 미엘린 수초는 슈반 세포의 빽빽한 층에서 유래하여 콜레스테롤이 풍부하며, 자극이 효율적으로 전도될 수 있도록 절연 기능을 한다.
세포 내에서 콜레스테롤은 몇몇 생화학 경로의 전구체 분자이다. 간에서 콜레스테롤은 담즙으로 전환되어 담낭에 저장된다. 담즙에는 담염이 들어있어 소화관에서 지방의 용해성을 높이고 지방뿐만 아니라 지용성 비타민 A, D,E, K의 흡수를 돕는다. 콜레스테롤은 비타민 D, 부신 호르몬인 코르티솔과 알도스테론을 포함하는 스테로이드 호르몬, 성 호르몬인 프로게스테론, 에스트로겐, 테스토스테론 및 그 유래물을 합성하는 주요 전구체 분자이다.
콜레스테롤이 항산화제 역할을 한다는 연구 결과도 있다.
식이를 통한 공급원
동물성 지방은 트라이글리세라이드와 그보다는 적은 인지질 그리고 콜레스테롤의 복잡한 혼합물이다. 따라서 동물성 지방이 든 음식에는 콜레스테롤이 들어있기 마련이다. 주요 식이원은 치즈, 노른자, 쇠고기, 돼지고기, 가금류, 물고기, 새우이다. 사람의 모유에도 상당한 양의 콜레스테롤이 들어 있다.
식물에서 섭취할 수 있는 콜레스테롤은 그리 많지 않다. 아마 씨앗이나 땅콩에는 콜레스테롤과 유사한 화합물인 파이토스테롤이 포함되어 있다. 파이토스테롤은 장에서 흡수되는 콜레스테롤과 경쟁한다.[17] 파이토스테롤은 관련 기능성 식품이나 LDL 콜레스테롤을 낮추는 것으로 밝혀진 의약식품(nutraceutical)을 통해 보충할 수 있다. 현재 EFSA[주 1] 나 FDA 권고에 따르면 하루에 파이토스테롤 1.6-3.0 g이 권장 보충량이며, 메타분석에 따르면 하루 평균 2.15 g을 섭취했을 때 LDL 콜레스테롤을 8.8% 낮추는 것으로 밝혀졌다. 그러나 파이토스테롤을 식이로 보충하는 것은 의문의 여지가 있다는 결과도 있다.
고콜레스테롤 혈증 문서를 참고하십시오.
지방 섭취는 혈중 콜레스테롤 농도에도 영향을 미친다. 동일 칼로리로 탄수화물 대신 불포화 지방을 섭취한 경우 혈청 LDL과 총 콜레스테롤 농도는 낮아지고 HDL 농도는 높아졌다. 역시 동일 칼로리로 탄수화물 대신 포화 지방을 섭취한 경우에는 HDL, LDL, 총 콜레스테롤 농도가 모두 높아졌다. 트랜스 지방은 LDL 농도를 높이는 반면 HDL 농도는 낮춘다. 이러한 사실과 HDL 저농도와 LDL 고농도가 심혈관 질환에 미치는 영향을 종합하여 대부분의 건강 및 보건 당국은 LDL 콜레스테롤을 낮추는 식사를 하고 삶의 방식을 바꿀 것을 권장하고 있다. 예를 들어 미국 농무부는 식이를 통하여 콜레스테롤 수치를 낮추고자 한다면 일일 에너지 요구량의 7% 이하를 포화지방에서 섭취하고, 콜레스테롤 섭취량은 하루 200 mg 미만으로 제한할 것을 권고한다. 한국영양학회는 성인 영양섭취기준을 하루 300 mg 미만으로 정하였다. 한편 식이 콜레스테롤 양을 낮추면 혈중 콜레스테롤 농도를 일정하게 유지하기 위하여 장기들이 반작용을 할 것이라는 견해도 있다. 포화 지방과 콜레스테롤 섭취를 늘려도 전체 혈청 콜레스테롤은 감소한다는 연구도 있다.
생합성
세포 유형과 장기의 기능에 따라 양은 다르지만, 모든 동물 세포는 필요에 따라 콜레스테롤을 합성한다. 하루에 합성되는 콜레스테롤 중 20-25%는 간에서 합성된다. 장, 부신, 생식 기관도 다량의 콜레스테롤을 합성하는 곳이다. 몸에서 일어나는 콜레스테롤 생합성은 아세틸-CoA과 아세토아세틸-CoA 분자 각각 한 개에서 시작된다. 두 분자는 축합되어 3-하이드록시-3-메틸글루타릴-CoA (HMG-CoA)가 된다. 이어서 HMG-CoA 환원효소가 HMG-CoA를 환원시켜 메발론산이 된다. 이 단계는 속도 조절 단계이자 비가역적 단계로 스타틴(statin) 계열 약물[주 2] 의 표적이다.
메발론산은 ATP를 이용하는 세 단계를 거쳐 3-인산-5-파이로인산메발론산이 되고, 이어 탈카복실화되어 활성형 아이소프렌인 이소펜테닐 파이로인산이 된다. 이 분자 세 개가 머리-꼬리(head-to-tail) 축합을 통해 파네실 파이로인산이 되고, 파네실 파이로인산 두 분자는 머리-머리 축합을 통해 스쿠알렌이 된다.[주 3] 스쿠알렌이 라노스테롤로,[주 4] 라노스테롤이 19단계의 반응을 거쳐 최종적으로 콜레스테롤이 된다.
콘라트 블로흐와 페오도어 리넨은 콜레스테롤과 지방산 대사를 대사에 대한 연구로 1964년 노벨 생리학·의학상을 수상하였다.
혈장 수송 및 흡수 조절
콜레스테롤은 물에 약간만 녹는다. 즉 혈류에 녹는 콜레스테롤의 양은 극도로 적다. 대신에 콜레스테롤은 지질단백질 내에서 운반된다. 지질단백질은 공 모양의 입자로, 바깥쪽이 양친매성 단백질과 지질에 둘러싸여 있다. 양친매성 분자는 수용성 부분이 바깥쪽을, 지용성 부분이 안쪽을 향하게 정렬되어 있다. 트라글리세라이드와 콜레스테롤 에스터는 양친매성 분자로 둘러싸인 내부에서 운반되고, 양극성인 인지질과 콜레스테롤은 지질단백질 입자의 단일층 표면에 박힌 형태로 운반된다.[33]
혈액에 있는 지질단백질은 몇 가지 종류로 나뉜다. 밀도가 점점 증가하는 순으로 나열하자면, 암죽미립, 초저밀도 지질단백질(VLDL), 저밀도 지질단백질(LDL), 중간밀도 지질단백질(IDL), 고밀도 지질단백질(HDL) 순이다. 단백질/지질 비율이 낮으면 지질단백질의 밀도는 낮아진다. 서로 다른 지질단백질에 포함되어 있는 콜레스테롤은 대체로 똑같지만, 종종 자유 알코올 형태나 콜레스테롤 에스터 형태인 것도 있다.[33]
지질단백질에는 아포지질단백질이 포함된다. 아포지질단백질은 세포막의 특정한 수용체에 결합하여 지질을 특정한 조직으로 이동시킨다. 지질단백질 입자는 이러한 분자 주소를 가지고 있어서 콜레스테롤 수송의 시작점과 끝점을 결정한다.
암죽미립(chylomicron)은 콜레스테롤 수송 분자 중에서 가장 밀도가 낮은 것으로, 껍질에 아포지질단백질 B-48, C, E가 있다.[33] 암죽미립은 장에서 근육 혹은 에너지나 지방 생산이 필요한 다른 조직으로 지방을 운반하여 지방산이 연료로 소비되거나 저장되도록 한다. 쓰이지 않은 콜레스테롤은 콜레스테롤이 풍부한 암죽미립 잔여물에 남아 간으로 이동한다.
초저밀도 지질단백질(VLDL)은 간에서 트리아실글리세롤과 담즙산 합성에 이용되지 않은 콜레스테롤이 모여 생산된다. VLDL의 껍질에는 아포지질단백질B100과 E가 있다.
혈관은 중간밀도 지질단백질(IDL) 분자에서 트리아실글리세롤을 잘라내 흡수하여 콜레스테롤 농도를 높인다. IDL 분자는 이후 두 가지 방법으로 소비된다. 하나는 간의 라이페이스에 의해 대사되어 단세포 표면의 LDL 수용체에 결합하여 흡수되는 것이고, 다른 하나는 혈류에서 계속해서 트리아실글리세롤을 잃고 LDL 분자가 되는 것이다.
저밀도 지질단백질(LDL)은 주요 혈중 콜레스테롤 운반체이다. 각 LDL 분자에는 1,500여 개의 콜레스테롤 에스터가 들어있다. LDL 분자의 껍질에는 단 한 개의 아포지질단백질 B100이 있어 말초 조직에서 LDL 수용체가 인식할 수 있다. LDL 수용체와 아포지질단백질 B100이 결합하면 LDL 수용체는 클라트린 피막 홈(clathrin-coated pit)으로 모여든다. LDL과 그 수용체는 세포내이입을 통해 세포 내에서 소포를 형성한다. 이 소포는 리소좀과 합쳐지고, 소포 내의 콜레스테롤 에스터는 리소좀에 있는 라이페이스에 의해 가수분해된다. 콜레스테롤은 막 생합성에 이용되거나 다시 에스터화 되어 세포 내에 저장된다.