화장품 영역에서의 항산화제, 비타민C – 1부

화장품 영역에서의 항산화제 비타민C – 1부

비타민 C는 자연에서 생성되는 아주 강력한 항산화제 중 하나로 피부과에서 색소질환이나 광노화에 대한 치료로 사용되고 있는 제형 중 하나이다. 18세기 선원들은 감귤류 과일을 섭취하면 잇몸에서 출혈이 나거나 특징적인 자반병변과 mental deterioration이 생기는 것을 예방한다는 사실을 경험을 통해 알고 있었다. 그 이후 1930년대에 다양한 연구를 통해 비타민 C가 감귤계 과일의 주성분으로서 괴혈병을 예방한다는 것이 밝혀졌다.
대부분의 포유동물은 간에서 비타민 C를 합성하며 일부 조류에서는 신장에서 합성한다. 하지만 사람, 기니아피그, 인도과일박쥐, 카피바라 등 몇몇 종에서는 비타민 C를 몸에서 직접 합성할 수 없는데, 특히 사람은 L-glucono-gamma lactone oxidase가 효소가 없어 감귤류 과일이나 건포도, 후추, 녹색 잎 식물에서 직접 비타민 C를 섭취해야 한다.

비타민 C를 복용하면 심혈관 질환이나 백내장, 일부 암의 위험빈도를 줄여주며, 상처 재생 및 면역 증강 효과도 있다. 비타민 C는 국소 도포제로도 많이 사용되고 있으며 자외선 차단능력과 기미, 튼살, 레이저 시술 후 홍반 현상이나 색소침착을 줄여준다. 하지만 비타민 C를 경구로 복용한다고 해도 우리 몸으로 흡수되는 양은 제한적이어서, 고용량을 복용한다 하더라도 피부 비타민 C의 수치를 증가시키는 데에는 한계가 있다. 그뿐만 아니라, 자외선과 대기오염, 미세먼지, 환경 공해물질 내 함유된 오존 등과 같은 환경적 요인으로 표피에 있는 비타민 C가 고갈되고 있어, 피부 내 비타민 C의 양을 늘리기 위해서 다양한 방법이 시도되고 있다.

비타민 C의 성분

L-ascorbic acid는 비타민 C가 화학적으로 활성화된 형태로, 자연에서는 d-ascorbic acid와 비슷하게 나타나며 이는 서로 변환이 가능하다.
하지만 의학적으로는 오직 L-ascorbic acid만이 활성화되어 있다. 비타민 C는 pH가 중성일 때 ascorbate monoanion 형태로 있고 일부에서 dianion 형태로 있기 때문에 ascorbate라는 용어는 ascorbate anion이 반응하는 분자임에도 불구하고 ascorbic acid와 동의어로 사용되고 있다. 완전히 양성화된 분자형태인 ascorbic acid는 주로 낮은 pH 환경에서만 존재하게 된다. 비타민 C 안에 있는 전자가 ascorbate에 붙어 ascorbate free radical을 형성하는데 이는 일시적인 형태이긴 하지만 다른 free radical보다는 매우 안정적이고 다른 전자를 받아들일 수 있어, radical이면서도 오히려 free radical scavenger로서의 역할을 한다. 만약 일시적인 이 형태가 전자를 받아들일 수 없게 된다면 전자를 효소반응을 통해 donor하는 역할도 하게 된다. 두 개의 전자가 ascorbic acid에 붙었을 때에는 dihydro-L-ascorbic acid(DHAA)가 된다. 생리학적인 환경에서는 비타민 C는 주로 환원 형태인 ascorbic acid의 형태로 있고 산화 형태인 DHAA 역시 소량이지만 존재한다. 이들은 다시 ascorbate로 환원될 수 있으나, 다른 반응을 통해 락톤 링이 비가역적으로 열려 diketogulonic acid가 되면 더 이상 활성화 형태가 될 수 없게 된다(그림 1). 즉, 자외선이나 공기에 의해 노출된 비타민 C는 급격하게 2개의 전자를 받아들여 DHAA 형태로 되어 aromatic ring을 형성하게 되고, 더 산화되면 이 ring이 열려버려 비타민 C는 비가역적으로 불활성화 되는 성분이 되어버리는 것이다. ascorbyl radical은 ascorbate가 부분적인 산화로 생기며, 이는 ascorbate로 다시 환원될 수 있으나 이러한 환원을 촉진시키는 효소는 현재까지 완전하게 밝혀지진 않았다. ascorbyl radical은 세포질 내의 셀레늄이 들어있는 효소인 thioredoxin reductase에 의해 감소될 수 있고 ascorbyl radical 두 분자는 비효소 반응으로 각각 ascorbate로 환원이 되거나 DHAA로 산화된다. 그리고 비타민 C는 산화된 비타민 E 분자를 다시 정상화시켜주는 기능을 한다. 경구로 섭취하여 비타민 C 레벨을 최대화하기 위해서는 더 많은 섭취를 통해서 비타민 C 레벨을 증가시켜야 하지만, 실제로 흡수율이 떨어지기 때문에 이를 직접적으로 도포하는 것도 도움이 된다.

Dehydroascorbic acid, DHAA

in vivo 상에서 DHAA는 다양한 형태로 존재하는데 그 중 bicyclic hemiketal 형태가 가장 많다. 간혹 문헌에서 dehydroascorbate라는 용어를 볼 수 있는데 DHAA는 생리학적 환경에서는 이온화되지 않기 때문에 이는 잘못된 용어이다. DHAA는 가수분해 형태로 비가역적으로 락톤 링이 깨지면서 2, 3-diketogulonic acid 형태로 변환되게 된다. 2, 3-diketogulonic acid 대사는 아직 잘 알려지진 않았으나 이 대사 부산물에는 oxalate, threonate, threose, xylonate, lyxonate, L-erythrulose 등이 있으며 이 부산물들은 pentose phosphate pathway를 통해 다시 포도당이 생성된다. 사람의 적혈구에서는 비타민 C가 들어왔을 때 lactate를 생성할 수 있어 ascorbate 부산물들은 정상 탄수화물 대사과정으로 들어갈 수 있게 된다.
DHAA는 ascorbyl radical보다는 훨씬 안정적이며 ascorbyl radical처럼 DHAA는 in vivo 상에서는 빠르게 환원되는데 하나의 전자가 환원되어 ascorbyl radical이 되거나 두 개의 전자를 환원하여 ascorbate가 되는데 이러한 현상을 ‘ascorbate recycling’이라고 한다. 생물학적 환경에서의 DHAA는 전자공여제인 NADPH를 필요로 하는 다양한 경로를 통해서 변환된다.

DHAA는 글루타치온이나 glutaredoxin, protein disulfide isomerase, dehydroascorbate reductase와 같은 GSH-dependent 효소에 의해 환원되고 이 반응에서 생성된 glutathione disulfide(GSSG)는 NADPH 의존성 효소인 glutathion disulfide reductase에 의해 GSH로 환원된다. 그리고 DHAA는 NADPH-dependent enzymes인 3α-hydroxysteroid dehydrogenase, thioredoxin reductase에 의해 환원될 수 있다. 세포 내에 GSH가 고갈되면 DHAA 환원 능력이 저하되기 때문에 ascorbate recycling에 대해 GSH-dependent 메커니즘은 세포에서 우세하다.

항산화제 로서 비타민 C

비타민 C는 최근 after-sun으로도 많이 불리는데 이는 자외선에 의해 유도된 ROS를 억제해주기 때문이다. 마우스 실험에서 비타민 C는 자외선에 의해 암 발생이 지연되는 현상을 발견하였으며, 비타민 C를 국소제로 도포하는 경우에는 광보호 효과가 있었고, 조직학적으로도 자외선에 의해 basal keratinocyte에서 비가역적인 DNA 손상으로 생기는 apoptosis가 적게 분포한 것을 확인하였다. 자외선 차단제에 비타민 C를 넣었을 때와 자외선 차단제를 단독으로 사용하였을 때를 비교한 결과, 함께 사용한 군에서 자외선 차단능력이 증가하였으며 비타민 C를 단독으로 사용하기보다는 비타민 E를 함께 사용하게 되면 UV 차단 능력이 더욱 좋아지며 ascorbate recycling에 도움이 된다. 비타민 C는 그 자체만으로도 강력한 항산화제 로서의 역할도 하지만 산화된 비타민 E를 환원시켜 비타민 E의 항산화 능력을 다시 활성화시켜 주기 때문이다.

*저작물 참고 사항
– 스킨수티컬스에서 후원하는 항산화 연구회 회지 1호에 실린 글로서 저작권을 가진 김홍석원장의 동의하에 개재합니다.

*참고 논문 및 문헌

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