오태광의 바이오 산책 <62> 인체 체온, 혈당 및 pH 항상성 유지 > News Insight

 생물은 다양하게 변화하는 기온, 기압 등의 자연환경 변화에도, 살아가기 위해 먹는 다른 식이에도 불구하고 생체 내는 항상 동일 대상에 대해 일정한 상태로 유지하는 생체 대응 반응인 항상성(Homeostasis)을 유지하고 있다. 만약, 기아(飢餓), 갈증(渴症), 고온/저온의 환경, 질병 등으로 인체가 비정상(Dysfunction)적인 상태로 바뀌면, 생체는 항상성이 깨어지면서 즉각적으로 감지하고, 정상화를 시도한다. 인체 내 외부에 신경과 각종 호르몬을 분비하여 항상성을 유지하기 위해 노력하지만 항상성 유지가 어렵게 되면 결국 죽음을 맞이하게 된다.

 인체의 가장 근본적인 항상성인 수분, 체온, 혈당 및 혈액pH는 뇌의 뇌하수체(Pituitary) 상부에 있는 시상하부(Hypothalamus)에서 조절하고 있다. 시상하부는 뇌하수체의 전엽과 후엽을 경유하여 해당 신경계(Nervous system)와 내분비계(Endocrine system)를 동원한다. 시상하부는 대사 과정과 자율 신경계의 활동을 관장하고 체온, 수분, 혈당 등의 수치를 측정한다. 측정치가 이상이 있으면 내분비계는 신경호르몬(Neurohormons)을 합성하고 뇌하수체 전엽과 후엽에서 호르몬 분비를 자극하거나 억제하여 항상성을 조절한다. 

결국, 시상하부는 가장 근본적인 생명현상인 체온, 배고픔, 갈증, 피로 조절은 물론, 생체시계(Biological clock)로 1일 주기 생체리듬(Circadian rhythm, 수면, 각성), 월경주기(Infradian rhythm), 1주기 생체리듬(Cicannual rhythm) 등이 조절되고 있다. 체온은 외부온도와 관련 없이 항상 36.5℃로 항상성을 가지고 유지되고 있지만, 질병에 걸려서 항상성이 무너지면, 면역세포가 질병 원과 치열한 전쟁을 하면서, 급격한 체온 상승하는 것은 우리가 많이 경험하였다. 

대부분 아프다고 말하면, 먼저 이마를 짚어서 열이 있는지 측정하는 것도 사실 체온 항상성을 측정하여 질병이 걸린 지 판단하는 것이다. 혈당은 혈액 중 포함된 포도당의 농도인데, 식사 후, 곧바로 상승(식사 후 60분경과 시 최고농도) 하고, 2~3시간이 지나면 정상혈당(100mg/dL)으로 항상성을 유지하고 있다. 혈액 중 수소이온 농도인 pH는 산성식품이나 알칼리성 식품을 먹는 것과는 무관하게 혈액 pH는 7.36~7.44 범위 내 에서 항상성을 유지하고 있다. 체온, 혈당, pH를 정상 범위로 항상성을 유지하기 위한 시상하부, 뇌하수체에서 신경흥분과 내분비계 호르몬의 분비/억제 기전을 이해하고 항상성을 유지하는 생활습성(Life style)을 가지면 좀 더 건강하게 장수할 수 있을 것으로 생각한다. 

 <체온 항상성(Body temperature homeostasis) >

  체온이라는 관점에서 동물을 분류하면 외부 온도와 관계없이 체온의 항상성을 유지하는 동물을 항온동물(Homeotherm)이라고 하고 대부분 척추동물인 포유류와 조류가 포함된다. 항온동물과는 다르게 분류되는 변온동물(Poikilotherm)은 외부 온도와 체온이 신속한 열 교환으로 체온이 변하고 주로, 무척추 동물, 어류, 양서류, 파충류가 변온 동물에 속한다. 또 다른 부류는 외부 온도에 대응하여 체온조절 능력이 한계가 있어서 겨울에는 동면(冬眠), 여름에는 하면(夏眠)을 하는 동물도 있다. 

인간의 정상 체온 36.5℃이고 35.5~37.7℃를 유지하면 정상범위라 하고, 체온 항상성유지는 인체 내 열 유출/유입이 균형을 이루어지면서 정상적인 항상성을 유지할 수 있게 된다. 인간을 비롯한 항온동물은 뇌의 시상하부와 뇌하수체에서 체온을 인지하고, 교감신경과 호르몬을 이용하여 체온의 항상성을 유지한다. '체온은 어떤 온도에서 항상성을 유지하는가?'는 생체가 활동하는데 필요한 생체효소의 최적 활동 온도와 비슷한 깊은 연관성이 있다. 인체 생명 활동에는 생체 단백질로 이루어진 효소(Enzymes)가 관여하여 분해, 합성 전환 전이 이성화 등 기능으로 에너지를 얻을 수 있고, 인체에 필요한 다양한 고/저분자 대사물질을 만든다. 효소는 생체화학의 촉매 역할과 같이 온도가 올라가면 화학반응 속도가 빨라져 효율적이지만, 대부분 인체의 효소는 최적온도가 체온에 맞추어져 체온 이상으로 온도가 올라가면 효소가 불 활성화되어 효소의 기능을 할 수 없게 되어 비정상인 상태가 되고, 기능이 회복이 되지 않으면 최종 세포가 죽게 된다. 

체온의 항상성을 유지하기 위해서 <그림 1>에서와 같이 외부 원인에 의해서 체온이 올라가면 시상하부에서 감지하고 교감신경을 작동하면  땀 분비량을 증가시켜 피부의 열을 빼앗아가고, 혈관을 확장하여 열을 발산한다. 또한, 시상하부에서 뇌하수체 전엽을 통해서 갑상선 자극호르몬을 분비를 억제하여 근육을 떨리지 않고 움츠리게 하여 열을 발산하지 못하게 하여 체온을 떨어뜨린다. 반대로 체온이 떨어지면 교감신경을 활성화하여 근육을 떨리게 하여 열을 발생하고 동시에 피부 근처 혈관을 수축하여 열 발산을 막아 준다. 갑상선 티록신 분비를 활성화하여 간, 근육의 세포호흡을 촉진하여 열 발생량을 증가하여 체온을 조절한다. 체온의 높고 낮음은 시상하부에 온도를 측정하는 온도센스가 있어서 혈액에서 측정하고 온도의 차이만큼 “설정 점”을 정하여 조절한다.

                      체온의 조절은 시상하부에는 피부가 느끼는 외부 온도 따라 가상온도인 “설정 점”을 정하고 설정 점과 피부체온을 비교하여 차이만큼 교감신경을 작용을 완화/강화하고, 갑상 샘에서 갑상 샘 자극 호르몬(TSH)을 분비 또는 억제하여 항상성을 유지한다. 만약, 더운 목욕탕 속에서는 설정 점을 낮추고, 차가운 냉탕에서는 설정 점을 높여서 항상성을 유지하게 된다. 외부의 온도뿐만 아니라 질병, 백신, 약물반응 등에는 감염이나 알레르기 반응에도 체온은 올라간다. 병원세균이나 바이러스에 감염되면 우리 몸의 대식세포(Macrophage)나 호중성 백혈구가 우선적으로 사이토카인 L1을 분비하여 설정 점을 높이면 체온이 올라가서 병원균이나 바이러스를 약화시켜서 식균(食菌)작용을 하여 제거한다.  

<혈당 항상성 유지>

  혈액 중 당분량인 혈당은 우리 몸의 에너지를 만들어 성장/생식/유지 역할을 원활히 하는 연료와 같은 역할을 하고 있다. 신체에 있는 모든 세포는 에너지가 필요하기 때문에 적정량의 혈당이 있어야만 에너지를 만들어 생명현상을 유지할 수 있어서 마치, 자동차에 연료가 있어야 움직이고 연료가 없으면 자동차는 멈추는 것과 같이 혈당이 계속 없으면 자동차가 멈추듯이 살아갈 수 없게 된다. 혈당량은 식사 후 1시간까지 증가하다가 2~3시간이 지나면 정상혈당이 유지되면서 항상성을 유지하고 오랜 시간 공복(空腹)이 되면 혈당량이 부족하여 저장하고 있는 당분을 혈액으로 보내어 항상성을 유지한다. 혈당 항상성에 가장 중요한 호르몬은 췌장(Pancreas)의 β세포에서 만들어지는 인슐린(Insulin)과 α세포에서 분비되는 글루카곤(Glucagon)이라는 단백질 호르몬이다. 인슐린은 <그림 2>에서 보는 바와 같이 혈당량이 증가하면 혈액 속 포도당(Glucose)을 간세포에 흡수하게 하여 간에서 글루코겐(Glucogen)이라는 포도당의 중합체를 만들어 혈당량을 낮춘다.

하지만, 췌장의  β세포에서 인슐린을 만들지 못하는 제1형 당뇨병이나, 인슐린은 생산하지만 인슐린 저항성이 있어서 인슐린 역할을 하지 못하는 제2형 당뇨병 환자는 혈당조절이 되지 않아서 걸리는 당뇨병이다. 혈액 중 포도당 양이 정상보다 많아지고, 인슐린의 2번째 작용인 소변 내에 포도당 양 조절이 되지 않아서 많은 양의 포도당인 포함된 당뇨(糖尿)를 배설하게 된다. 

 <이온 및 pH 항상성 유지> 

  인간의 체액의 산 염기 항상성을 유지하는 정상 pH는 7.36~7.44의 약 알칼리이고, 산증(酸症)은 pH 7.35 이하, 알카리증은 pH 7.45 이상을 말하고, 비정상적인 혈액 pH 는 7.0이하, 7.7이상을 말한다. 비정상 pH에서는 체내 활성 효소단백질 구조/활성이 파괴되고, 신경계 활동이 어렵고, 근육/호흡이 장애가 생겨서 치명적인 결과를 가져온다. 신체의 산-염기 항상성은 생체 내 화학적 완충시스템에 의해서 유지된다. 

체내 대사과정에서 포도당과 같은 탄수화물이 대사되면 이산화탄소(CO2)가 생성되어 물(H2O)과 작용하여 탄산 수소이온과 중 탄산 음이온이 생겨서 탄산-중 탄산의 완충용액이 만들어져서 급격한 pH 변화를 막아준다. 또한, 세포 내/외액 완충, 인산 완충, 헤모글로빈 완충, 요(尿)완충 등으로  완충작용을 하면, 체내 pH가 잘 변화하지 않는다. 호흡하면서 산소와 이산화탄소가 교환되면 pH를 조절하고, 신장에서도 Na+와 H+가 교환되면서 체액의 수소이온을 일정하게 유지하는 최후의 보루로 작동하고 있다.

H+가 생성되지 않거나 배출이 증가하면 체액은 알칼리로 변하고, H+가 생성이 증가하거나 배출이 안 되면, 체액은 산성으로 바뀐다. H+는 호흡 시 생긴 이산화탄소와 물이 반응하면서 생긴 H+가 체내 pH에 가장 큰 영향을 준다. H+가 많이 생겨서 산이 과다하면 장과 신장에서 배출되는데, 배출원리는 장관과 신장의 세뇨관에서 Na+가 흡수될 때 H+가 배출되는 Na+-H+ 역수송체 역할을 한다. 하지만, 세포외 액에 칼륨(K+)농도가 증가하면 Na+와 교환되는 수소의 양이 감소하는데, 결국 Na+-K+균형을 위해 신장 원위 세뇨관의 K+분비가 증가하면 H+가 감소하여 알칼리화 된다. 따라서 K+섭취가 많고, Na+ 섭취가 부족하면 체액은 산성으로 변한다. 결국, 인체의 pH는 호흡, 수분, 나트륨이나, 칼륨 포함한 음식물에 따라서 조절될 수 있다는 것을 알 수 있다

<맺는말> 

  인체가 항상성을 유지하기 위해서 생리적 기능과 체액과 조직의 화학적 특성을 일정 범위 내 에서 유지하기 위해서, 뇌의 시상하부와 뇌하수체, 갑상샘, 간, 이자, 혈관, 근육, 피부 등 기관에서 측정된 데이터를 시상하부에서 통합하여 신경과 호르몬으로 아주 정밀하고 정확하게 조정되는 인체의 pH 항산성 작동기전은 놀라울 따름이다. 체온은 36.5℃, 혈당은 공복에 100mg/dL 미만, 수소이온은 약 알칼리인 pH 7.35로 유지되고 있고 허용범위도 체온은  35.5~37.7℃, 적정 pH 범위는 7.36~7.44이다. 혈당의 경우는 공복혈당은 100~125mg/dL 이면 이상이 있고, 125mg/dL 이상이면 당뇨병으로 의심한다. 혈당은 식후 1시간까지 증가하고, 2~3시간 후 정상으로 돌아오는데, 식후혈당 140mg/dL 미만을 정상으로 보고, 150mg/dL이라면 내당능 장애로 당뇨 전단계이지만 식습관의 관리가 필요하다. 식후혈당 140~199mg/dL은 당뇨는 아니지만 당뇨혈당 관리가 필요하고 식후 혈당 200mg/dL부터는 당뇨병으로 진단하고 많은 경우 식후 2시간이 지나면 정상수치로 돌아오지만, 당뇨환자는 혈당 수치가 200mg/dL가 지속되어 문제가 되고 있다. 

당뇨병은 포도당을 간에 저장하는 인슐린이 췌장의 베타세포에서 아예 만들어지지 않거나 인슐린은 만들지만, 포도당에 대한 내성(Tolerance)이 생겨서 인슐린이 역할을 못하는 경우가 있어 당뇨병은 인슐린을 만들지 못하는 제1형 당뇨병과 인슐린에 내성이 생긴 제2형 당뇨병으로 구분한다, 참고로 혈액에 있는 헤모글로빈(Haemoglobin)에 포도당이 결합된 수치(%)인 당화혈색소(HbA1C)를 측정하여 당뇨병을 진단하는데, 5.6%이하는 정상이고, 6.5%이상이면 당뇨로 진단한다. 

특히, 제2형 당뇨병은 생활습관과 밀접한 관계가 있어서 규칙적인 생활 습관과 정기적 유산소 운동을 하면은 상당한 효과가 있다고 한다. 놀랍게도 우리가 에너지로 사용하는 포도당, 과당, 설탕은 반응성이 큰 알데하이드를 가지고 있어서 아미노산이나 단백질과 결합하여 당독소(糖毒素)를 만들 수 있다. 당뇨병이 걸리면 혈액에 과량으로 있는 포도당이 당독소를 만들어 당뇨병뿐만 아니라 여러 가지 심각한 질병이 당뇨합병증이 병발할 수 있어서 과량의 탄수화물 섭취를 지향하고 유산소 운동으로 혈당을 에너지로 사용하는 적절한 방법을 검토할 필요가 있다. 

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