오태광의 바이오 산책 <61> 인체 항상성; 수분, 삼투압 조절 > News Insight

 생물이 체내외로 분비하는 시스템은 외분비와 내분비 시스템으로 크게 2가지로 구분할 수 있다. 직접 공기와 같은 외부환경과 접촉할 수 있는 부위인 음식을 먹는 입부터 배출되는 항문에 이른다. 소화기관과 공기에서 산소를 얻고 몸속 이산화탄소를 배출하는 코에서 폐에 이르는 호흡기관은 신체 내부에 있지만 사실 외부의 공기나 물질이 유입/배출될 수 있어서 외부기관으로 본다. 

신체 내부에서 도관을 통해서 외부로 분비되고 대표적인 예로 땀, 오줌, 눈물, 피지, 소화 효소 등을 외분비(Exocrine) 시스템이라 한다. 신체 내부 생성기관에서 혈액을 통해서 분비되는 인슐린, 도파민, 성장호르몬 등 여러 가지 호르몬이 내분비(Endocrine) 시스템의 주인공이고, 도관(導管) 없이 피를 통해서 기능을 하는 표적 기관으로 이동하여 작동한다. 

생물 항상성(恒常性)은 생체가 다양하게 바뀌는 환경변화에 대응하면서도 항상 일정한 상태를 유지하는 현상으로 물리·화학적 동일한 대상에 대해서 항상 같게 유지되고 반응하는 현상을 말한다. 생체가 질병과 같은 외부환경으로 항상성이 깨어지면 비정상(Dysfunction)적인 상태로 바뀌면서, 즉각적으로 감지하고, 해당 호르몬을 분비하여 정상화되고, 만약에 항상성 유지가 영원히 깨어지면 돌이킬 수 없는 죽음을 맞이하게 된다. 

항상성은 생체 호르몬과 자율 신경계에 의해서 유지되고 있고, 항상성을 유지하는 중추는 간뇌의 시상하부이고 그 외에 송과체, 갑상선, 부 갑상선, 부신, 이자, 생식샘 등이 있다. 뇌의 시상하부에서는 생체 내의 환경 변화를 항시 감지하고 있고, 이상이 생길 시는 해당 신경을 흥분시키고, 호르몬 분비량을 조절하여 항상성을 유지하고 있다. 

이런 내 외부 분비샘으로 인간은 항상성(恒常性, Homeostasis)을 유지하는데, 중요한 역할을 하고 있다. 인체의 가장 근본적인 조절은 주로 시상하부와 뇌하수체에서 분비되는 호르몬과 신경의 작용으로 인체에 가장 중요한 체온, 수분, 혈당이 조절되고 있다. 물을 먹지 못하면 갈증에 생명을 유지하기 어렵고, 인체가 비정상이 되면, 체온이 급격히 올라가고 정상이 되면 정상체온이 되는 현상을 경험하였다. 또한, 혈액 중 당분은 에너지를 만들어 인체의 성장/생식/유지 등을 역할을 하는 연료이고, 당분 농도조절은 췌장에서 분비되는 인슐린과 글루카곤이라는 호르몬으로 조절하여 항상성을 유지하고  있다.

이렇게 항상성을 유지하기 위해서 생체는 신경과 호르몬을 이용하여 무단한 노력을 하고 있고, 변하고 있는 외부환경에 잘 적응하여 인체 내는 정상적으로 살아가는 적절한 방안을 만들고 있다. 인체에 가장 중요한 자원인 수분, 체온, 혈당을 조절하는 시상하부, 뇌하수체에서 신경의 흥분과 관련 호르몬의 분비에 대해서 알아보고 수분함량 조절로 생체 삼투압을 조절하는 기전을 알아보고자 한다.

 <시상하부와 신경흥분 및 호르몬분비>

   간뇌에 있는 시상하부(Hypothalamus)는 생체 내의 환경을 인지하고 신경을 자극하고 여러 가지 호르몬을 만들어서 항상성을 유지한다. 신경은 신경세포에서 전기적 신호로 전달되기 때문에 아주 빠르게 전달되지만, 조절범위와 효과는 신경이 연결된 부위에만 일시적으로 작용한다. 반면, 호르몬은 시상하부에서 만들어져 뇌하수체에서 혈관을 통해서 원하는 표적세포로 혈액을 타고 이동하기 때문에 전달 속도는 다소 느리지만, 작용범위는 혈액이 흐르는 온몸에 작용하고 지속적으로 작용하지만 호르몬이 작용할 수 있는 표적 세포에만 작용한다. 

 간뇌의 시상하부에서 만들어진 호르몬이 뇌하수체(Pituitary)의 전엽과 후엽을 통해서 신체 각부로 전달되는 호르몬의 경로는 <그림 1>과 같다. 시상하부에서는 호르몬을 생산하고 주로, 뇌하수체  전 엽에서 분비되는 유즙분비호르몬(Prolactin)은 유선(乳腺)에 작용하고 성적요구를 감소시키고 있다. 이외에, 전엽에서는 성장호르몬(Growth Hormon), 성선자극호르몬(FSH(난포자극호르몬), LH(황체호르몬)), 부신자극호르몬(Adrenocorticotropic Hormon(ACTH)), 갑상선자극호르몬(Thyroid stimulating Hormon(TSH)) 등을 분비하고 있다. 뇌하수체 후엽에서는 주로 분만 시 자궁수축을 촉진하는 옥시토신(Oxytocin), 항이뇨 호르몬(ADH, Anti-Diuretic Hormon)과 혈압을 상승시키는 바소프레신(Vasopressin)을 분비하고 있다. 

호르몬은 혈액을 통해서 모든 조직에 도달하지만, 호르몬과 결합하는 수용체(Receptor)가 있는 표적세포에서만 작용한다. 낮은 농도의 호르몬은 수용체 수를 증가시키면서 상향 조절되고 높은 농도는 수용체 수를 감소시켜서 하향조절을 한다. 즉, 호르몬이 수용체 와 결합하면 결합한 수만큼 수용체를 줄여서 실제로 호르몬이 존재하지만, 호르몬 효과를 조절하는 길항작용을 하고 아울러, 과잉호르몬은 수용체를 증가시켜 허용성을 높이기도 한다. 

호르몬은 혈액에 있는 특정이온이나 영양소 농도에 따라 호르몬 분비를 제어하는 네거티브(Negative) 피드백(되먹임, Feedback)하고 자율신경이나 중추신경계에서도 제어할 수 있다. 즉, 호르몬의 작용과정에서 생긴 결과가 다시 호르몬생성 과정을 억제하여 조절한다. 호르몬의 피드백은 다른 호르몬에 의해서도 가능하고 뇌하수체와 시상하부 간의 네거티브 피드백도 가능하다. 이렇게 피드백이 가능하여 호르몬의 정교한 생체내의 조절을 할 수 있고, 유전적 문제, 생산 전구체 부족 및 병원균 감염으로 분비샘이 정상적인 작용을 할 수 없을 때는 호르몬 분비저하로 내분비 이상이 생겨서 질병이 발생한다. 

아울러, 호르몬 자체가 너무 과잉으로 분비되거나  피드백이 되지 않을 때도 과분비로 과도한 자극이 일어나고, 표적세포가 수용체가 적거나 신호전달 기작이 작동하지 않거나 호르몬을 활성화 시키는 효소에 문제가 있으면 호르몬의 저반응성으로 문제가 생긴다. 제2형 당뇨병처럼 혈액 중 인슐린은 있는데, 인슐린이 반응하지 않는 인슐린 저항성이 대표적인 예이다. 고반응성으로는 갑상선호르몬의 과다 분비는 에피네프린 호르몬이 과민 반응하여 심장박동을 필요이상 높이는 비정상을 초래한다. 하지만, 대부분의 호르몬은 자동 조절 장치인 피드백으로 신체의 갑작스러운 변화를 막고 생리작용이나 체액 성분을 항상 일정한 범위로 유지하여 항상성을 유지한다. 

<체내 수분 조절>

 수분은 인체에 중요한 역할을 하고 있다.  체내 일정한 수분함량을 유지하여야만 하는데, 탈수와 같은 부작용이 일어나면 생체 내의 생리기능을 맡고 있는 효소와 같은 기능 단백질은 수분 없이는 작용하지 않아서 심하면 생명을 위협 받는다. 생체 내 수분의 중요역할은 증발과 발한으로 체온을 조절할 수 있고, 생체 윤활제, 장기보호, 영양소 및 산소 운반 및 인체대사 폐기물을 소변과 땀으로 배출하는 역할을 한다. 인체 내 수분 조절은 체액의 수분 농도가 변하면 체액과 세포사이에 삼투압(Osmotic pressure) 차이가 생겨서, 저 농도의 물이 고농도의 체액으로 이동하게 된다. 이동된 물로 인하여 비정상적으로 세포가 부풀거나 찌그러지면 세포의 정상 기능이 어렵기 때문에 체액 내 삼투압이 일정하게 유지하는 항상성이 필요하다. 

체액 내 삼투압은 체내 수분량과 무기염류의 양에 의해서 결정되기 때문에 입을 통해서 섭취되는 물과 무기염류의 섭취량과 콩팥을 통해서 오줌으로 배설되는 물과 무기염류의 양이 일정 범위 내에서 균형을 가지면 체액과 세포 내의 삼투압이 일정하게 유지되어서 항상성을 유지하게 된다. 성인 체중의 55~60%는 수분으로 구성되어 있고 연령이 많아지면 수분 비율이 감소한다. 세포 내 수준은 총체액의 2/3를 차지하는 세포내 액(Intercellular fluid)으로 무게로 체중의 40%를 차지한다. 세포 외에 존재하는 세포외 액(Extravehicular fluid)은 체액의 1/3을 차지하고 체중무게의 20%로 존재한다. 세포외 액은 세포 간 질액 과 혈액 내 액으로 구성되어서 수분이동으로 물질 운송기능을 한다. 무기 전해질은 전기적 양이온과 음이온이 화학적 균형을 이루고 세포외 액의 주요 전해질은 나트륨(Na)과 염소(Cl)로 주로 소금이 이고 세포내 액에는  칼륨(K)과 인(P)이 주성분이다,

체내 수분량이 부족하면 간뇌에서 세포외 액의 주요 전해질인 소금 농도를 측정하게 되는데, 수분이 부족하기 때문에 당연히 전해질의 농도가 높게 나타난다. 이렇게 되면, 항이뇨 호르몬(ADH)을 분비하면 콩팥의 세뇨관에서 모세혈관의 혈액에서 부족한 수분의 재흡수를 촉진하여 오줌관으로 빠져나가는 오줌량을 줄이는데, 급속하게 수분 항상성을 유지하기 위해서 바소프레신(Vasopressin)이란 호르몬을 분비하여 심장박동을 올려서 혈압을 높이면 빠른 시간에 체내 수분함량을 균일하게 조절한다. 세포외 액의 수분은 증가하지만, 이때 인슐린 작용이 원활하지 못하면 혈액에 과량 포도당이 당뇨병 환자는 오줌을 통해서 빠져나가서 단맛이 나는 당뇨가 발생한다. 

한편, 체내 수분량이 증가하면, 간뇌에서 전해질의 농도가 엷어지고 혈액 수분량이 많으면 뇌하수체에서 항이뇨 호르몬을 억제하게 된다. 이렇게 되면, 모세혈관 혈액에서  물의 재흡수가 억제되면서 자연히 혈액의 수분량을 높이지고 그만큼 오줌의 량이 증가하고 수분의 재흡수가 원활하게 이루어지지 않아서 많은 양의 오줌을 자주 배설하는 요붕증에 걸린다. 나이가 들면 항이뇨 호르몬의 생산량이 줄어들어서 과량의 수분이 오줌으로 빠져나가게 되어서 야간 뇨의 원인이 되고 있다. 잠자다 깨어나는 야간 뇨는 오줌으로 조절할 수 없게 수분을 과다하게 오줌으로 빠져나가기 때문에 갈증을 느끼고 다시 물을 마시면, 잠시 후 잠이 깨서 다시 야간 뇨로 잠을 설치는 고생을 한다. 삼투압 조절은 수분 문제만 아니고, 짠 음식을 먹거나 과도한 운동으로 땀을 많이 배출하면 삼투압이 높아져서 <그림 3>과 삼투압이 증가하고 수분의 조절 시와 같이 항이뇨 호르몬을 분비하여 콩팥에서 재 흡수하여 수분의 함량을 증가시킨다.

또한, 운동이나 갈증 시 물을 과도하게 물을 섭취하면 체내 삼투압이 낮아져 뇌하수체 후엽에서 항이뇨 호르몬 분비가 억제되어 콩팥에서 수분 재 흡수량이 감소하여 많은 물량이 오줌으로 배출되어 삼투압이 다시 정상이 된다. 체내 물 조절은 주로 항이뇨 호르몬과 바소프레신으로 하여 콩팥의 수분 흡수와 재흡수로 조절하지만, 체내 무기 염류 량을 조절하는 데는 항이뇨 호르몬이 아닌 부신겉질 자극 호르몬(ACHC)을 증가 시켜 K+와 Na+ 재흡수를 촉진시켜서 혈액속의 Na+의 농도를 높여주어서 시상하부에서 Na+이온 농도가 높아지면 수분이 부족할 때와 같이 항이뇨 호르몬을 억제하여 삼투압을 유지한다. 이런 원리로 보면 군대에서 힘들게 행군을 할 때 물과 함께 약간의 소금을 먹듯이 야간 뇨 에서도 맹물보다는 적은 소금이나 미네랄 함유물을 마시는 것도 고려해 볼만 하다고 개인적으로 생각한다. 

<맺는말> 

  인체가 수분과 무기염류를 조절을 하여 수분의 항상성을 유지하는 것을 보면서 인체의 조절은 단지 수분 한 가지 만 조절하는 것이 아니라, 삼투압의 항상성을 유지하기 위해서 K+와 Na+ 재흡수를 함께하는 것을 보고 인체가 얼마나 정밀하게 항상성을 유지하는지 알 수 있고,  인체는 철저한 조절로 외부환경 변화에 대비하고 있다. 혈액에 있는 적혈구는 소금의 함량이 높아지면, 혈액 내 수분함량이 낮아지게 되고, 적혈구에서 물이 빠져나와 쪼그라들면서 산소의 운반을 할 수 없게 된다. 반대로, 저장액(Hypotonic)한 상태에서는 적혈구로 물이 들어와 팽창되다가 적혈구의 세포막이 터지면서 용혈(Hemolysis)하는 현상이 일어날 수도 있다. 따라서 정확한 수분과 염분의 함량이 인체 내에서는 매우 중요하여 시상하부에서 물과 염류농도를 정확히 측정하여 항이뇨 호르몬을 활성화 또는 억제하여 조절함으로 항상성을 유지하고 있다. 

또한, 음식물을 섭취하면 세포 체액에 염분, 포도당, 아미노산 농도가 올라가면서 삼투압이 올라가고, 삼투압을 일정하게 유지하기 위해서 Na/K 펌프로 무기염류를 배출하여 인체 삼투압의 항상성을 유지한다. 또한, 현재까지, 뇌의 시상하부(Hypothalamus), 뇌하수체(Pituitary), 콩팥의 부신(Adrenal)은 떨어져 있어서 별개의 영역이고 연관관계에 대해서 의미를 없는 것 같아서 관심을 가지지 않았다 하지만, 뇌와 내장 축(Brain-Gut axis)처럼 뇌와 소화기관의 연결축이 긴밀한 연관관계를 가지고 있듯이 HPA축(시상하부-뇌하수체-콩팥, Hypothalamus-Pituitary-Adrenal axis)으로 연결된 뇌-콩팥 축도 수분, 염류조절에 깊은 연관관계를 가진다는 것을 알 수 있다. HPA축은 단지 수분, 삼투압 항상성뿐만 아니라 감정적 문제나 뇌, 심장 건강에도 긴밀하게 연결되어 있는 것이 최근 많이 연구되고 있다. 

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