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비만(肥滿)이란 용어는 몸이 뚱뚱하고 살이 많이 찐 상태를 말하는데, 흔히, 뚱뚱한 사람이 비만하다고 쉽게 생각하는데, 그렇지는 않다. 체중이 많이 나가지만 근육량이 많은 사람은 비만하다고 하지 않고, 체내 지방조직이 많아서 과다한 지방함량이 높을 때 비만이라고 표시한다.
사실 체중(Kg)을 신장(m)의 제곱으로 나눈 체질량 지수(Body mass index)가 서양인은 30 이상, 우리나라는 25 이상일 때 일반적으로 비만하다고 하지만 체중은 체 단백질, 지방, 뼈 등 무게의 합이기 때문에 체 단백질과 체지방의 비율로 정하는 것이 옳을 것이다.
사람이 가지고 있는 1개 세포에는 핵과 미토콘드리아, 리보솜, 골지체, 세포질 등으로 구성되어 있는데, 세포질에는 <그림 1>에서 보는 바와 같이 아주 작은 지방립이 있는데 비만해지면 지방립(脂肪粒)이 커지게 되고 점차 커지면 협착 지방과립이 되고 아주 많이 지방이 차면 세포 전체 부피의 대부분 지방이 차지한다. 지방세포는 한번 만들어지면 잘 없어지지 않아서 소아 비만은 지방세포가 크고, 수가 많아서 체중을 조절해도 다시 비만해질 가능성이 크다. 
특히, 내장에는 지방이 잘 축적되는 지방세포가 많이 있어서 영양분을 과량으로 섭취하면 복부에 지방이 축적되면서 비만해지고 이렇게 되면 건강에 문제가 있다고 본다. 남성의 경우 허리둘레가 102cm 이상 (우리나라는 90cm), 여성은 88cm (우리나라는 85cm) 이상이면 비만하다고 본다.
비만하다고 특별한 증상은 없지만, 다양한 합병증을 유발할 수 있는 큰 단점이 있다. 대표적으로 대사 질환으로는 고혈당, 고혈압, 고지혈증이 발생할 확률이 높고, 심혈관, 호흡기, 관절 및 생식기 질환뿐만 아니라 지방간 담석증을 비롯한 일부 암 발생 확률도 높다고 한다.
결국, 에너지를 얻고 몸을 구성하는 물질을 획득하기 위해서 음식물을 섭취하는데 과량으로 습관적으로 섭취하면 비만해지고, 이렇게 되면 인체가 비정상적으로 변하여 각종 합병증 등으로 건강에 적신호가 생길 뿐만 아니라 심각한 질병이 발생할 수도 있다.
인체 활동 대부분은 뇌에서 조절하는데 생명현상을 유지하는데 필수적인 에너지 섭취, 이용, 저장도 뇌와 교신(Communication)하여 이루어진다는 것은 당연하다. 식욕을 조절하지 못하여 과량의 에너지를 지방 형태로 저장하면 비만(Obesty)이 발생하는데, 배고픔과 과잉섭취로 에너지를 수급하여 조절하는 호르몬이 존재할 것이라는 생각은 1949년 미국 잭슨 실험실 (Jackson Laboratory)하면서 시작되었고 1994년 미국 록펠러 대학교 제프리먼(Jeffrey M. Friedman) 교수가 체중조절에 중요한 렙틴(Leptrin)이라 호르몬 유전자를 발견하면서 체중조절 기전에 관심이 고조되었다.
생체는 안정적으로 살아가기 위해서 몸 내부의 물리적, 화학적 상태를 일정 범위 내로 생물학적 조절하여 유지하고 있다. 생체 기능 중 영양분을 많이 섭취하면 식욕을 감퇴시키고, 영양분이 부족하면 식욕을 증가시키는 On Off 스위치로 생체 내 에너지 생산/소비의 일정 범위 내로 유지하고 있다.
이번 바이오 산책은 안정한 생체활동을 유지하기 위해서 물리/화학적 수치를 일정 범위 내로 조절하는 인체 항상성 기능과 비정상적인 뚱뚱이가 되는 비만 관련 호르몬을 설명하고자 한다. 신체가 과량의 에너지를 요구하여 식욕을 증가시키는 호르몬과 과량의 에너지 축적을 감소시키기 위해 식욕을 감소시키는 호르몬이 마치 자동차를 운전할 때 신호등처럼 어떻게 신호를 전달하는지와 전달이 조절기능이 잘못되면 일어나는 비정상인 비만, 당뇨 등 질병과의 관계를 이야기하고자 한다.
<생체 항상성(恒常性, Homeostasis) 유지>
항상성은 생존에 필요한 안정적인 상태를 능동적으로 유지 시키는 생체 내 과정을 의미하고 생체 내외 환경에 의해서 깨어진 안정된 상태를 원래의 허용범위로 복구하여 최적의 상태로 만들려는 생체의 노력이 항상성 유지라고 말하고 있고, 생명체는 반듯이 항상성을 유지해야만 생명현상을 유지할 수 있다.
사람의 경우 항상성 유지를 점검하는 몇 가지 예를 설명하면, 물리적 항상성의 예로는 체온을 36.4~37.6℃로 유지하거나, 혈압이 수축 시 120, 이완 시 80mmHg, 정상 맥박수가 60~80회/분 등이 있다. 화학적 항상성의 예로는 정상 혈당은 공복시 110mg/dl, 식후 140mg/dl 이하, 정상 당화 혈색소 4.0-6.0%, 혈액 정상 산도는 pH 7.4등이 있다. 이외에 우리가 건강진단을 받으면 수많은 데이터는 인체의 항상성 유지를 점검하고 있고 각 생물의 개체, 내·외부 기관 혹은 세포는 항상성 유지를 위한 고유한 조절 체계를 가지고 있다.
항상성을 유지하기 위해서는 항상성을 측정하여 변화를 감지하는 센서(Sensor)와 같은 수용체에서 변화를 감지하여 조절기관으로 자극을 전달하면 조절기관에서 반응기로 자극을 전달하고 반응기에서 평형 상태로 유지 시키게 반응하여 불균형상태를 해소하면 다시 평형 상태를 유지할 수 있게 된다.
가장 대표적인 항상성 유지의 예로 혈당의 항상성은 인슐린(Insulin)과 글루카곤(Glucagon)이란 호르몬이 중요한 상호보완적 작용을 한다. 혈액 중 포도당의 농도가 높아지면 췌장의 랑게르한스섬(Langerhans’islet)에 있는 β 세포에 과량의 포도당이 유입되면서 인슐린이 분비되고 혈액 내 포도당을 세포 내로 유입하여 혈중 포도당 농도가 감소하면 인슐린 분비가 줄어든다. 세포로 유입된 포도당은 글리코겐(Glycogen)이라는 고분자 당 사슬(다당류)을 만들어 간에 저장하지만 계속 적으로 포도당이 유입되면 지방세포에서 지방산으로 전환하여 장기적으로 저장하면 비만이 시작된다.
혈당이 떨어지기 시작하면 췌장의 α 세포에서 글루카곤이란 호르몬이 분비되면 우선 간에 저장되어있는 다당류인 글루코겐이 분해하여 포도당을 만들어 혈당량을 일정 수준으로 맞추어 준다. 따라서 지방으로 저장되기 전인 글루코겐 상태에서 포도당으로 이용할 수 있게 인슐린과 글루카곤의 상호보완적인 조절이 가능하도록 음식물을 적절히 섭취하는 것은 매우 필요하다.
인체의 에너지를 수급하는 주요 연료는 음식물인데 인간의 뇌에서 음식물을 섭취하게 하는 뇌의 명령은 음식물이 처음 도착하는 위(胃, Stomach)에서 분비되는 그렐린(Ghrelin)이란 식욕 촉진제가 뇌의 시상하부(Hypothalamus) 궁상 핵(Arcuate nucleus)을 자극하면서 시작되고, 음식물 섭취를 억제하는 호르몬은 피하나 장간막에 존재하는 지방조직(Adipose tissue)에서 렙틴(Leptin)이란 식욕억제 호르몬이 뇌의 궁상 핵을 자극하면 식욕이 억제된다.
혈액 포도당의 조절과 비슷하게 억제제와 촉진제가 각기의 수용체에 붙으면 최종 뇌의 식욕 조절 중추신경에서 음식물이 먹을지? 먹지 않을지? 결정하게 된다. 생체의 항상성을 유지하기 위해서는 생체가 조절을 원하는 반응(식욕, 혈당 등)에는 반듯이 활성제와 저해제가 따로 작용하고 최후의 결정은 뇌의 중추신경에서 결정하여 조절하게 된다.
<식욕을 억제하는 호르몬 렙틴(Leptin)>
음식물을 과량으로 섭취하여 신체 내의 피하, 장간막의 세포에 있는 지방조직에 백색의 중성지방이 축적되기 시작되면 지방조직에서는 렙틴이라는 호르몬을 생산/분비하여 식욕을 억제하게 되는데 식욕과 배고픔을 적절히 조절하여 인체 내의 에너지를 적절하게 소비와 섭취를 조절하여 항상성을 유지 시킨다. 렙틴이 혈액을 타고 시상하부에 있는 궁상 핵에 있는 식욕억제 신경세포 수용체(受容體, Receptor)에 결합하면 신호가 식욕 조절 뉴런 수용체를 자극하여 중추신경은 음식물에 대한 식욕을 떨어뜨리게 된다.
결국, 식욕을 조절하는 렙틴 호르몬의 분비가 줄어들면 폭식을 하여 비만해진다. 렙틴 유전자는 168개의 아미노산으로 구성되어 있고, 렙틴 유전자가 돌연변이가 일어나서 식욕 조절이 되지 않으면 결국 비만(Obesty)해지기 때문에 렙틴 유전자를 비만(Obesty)의 ob를 따서 ob유전자 또는 LEP 유전자라고 한다. 비만을 연구할 때 사용하는 비만 생쥐<그림 2>는 ob유전자를 돌연변이 한 생쥐이고, 비만과 비만 관련 질병 연구는 비만 생쥐를 이용하여 많이 이루어지고 있다.
<식욕을 촉진하는 그렐린(Ghrelin)>
식욕을 촉진하는 그렐린은 위(Stomach)에서 분비하는 28개의 아미노산으로 구성된 호르몬인데 위창자길(Gastrointestinal tract)에 음식물이 없게 되면 위에서 분비된다. 여기서 위 창자길(위장관)은 구강, 식도, 위, 소장, 대장, 항문을 포함하는 9m 길이의 소화기관을 말한다. 그렐린도 위(胃)에서 분비되어 혈액을 타고 뇌의 시상하부 궁상 핵에 있는 식욕 촉진 신경(Orexigenic neuron)의 수용체(Receptor)를 붙은 식욕 촉진 신경세포가 식욕 조절 중추를 자극하여 뉴로펩타이드 Y(Neuropeptide Y)와 AgRP(Agouti-relate peptide)를 발현하면 배고픔을 느끼고 식욕을 촉진하여 음식물을 먹게 할 뿐 아니라 부교감신경을 활성화하여 체내 대사율을 감소시킨다.
음식을 섭취 후에는 포만감을 느끼고 혈당이 올라가면 그렐린의 분비가 감소하는데, 그렐린은 렙틴이나 인슐린과 비교하면 짧은 시간에 작용하여 단기적 섭식만 조절한다. 그렐린은 1999년 일본 심혈관연구센터 마사야수 고지만(Masayasu Kojima)박사가 성장호르몬으로 발견하였지만 2002년 식욕 촉진이라는 다른 역할을 발견하게 되면서 식욕 증진 호르몬으로 주목을 받게 되었다.
그렐린은 28개의 아미노산 중 아미노기(NH2)에서 3번째 아미노산인 세린(Serin)에 Caprylic acid(CH3(CH2)6COOH)가 아실화(Acyl)되어 붙어있으면 활성형이고 Caprylic acid 떨어지면 디 아실화(Deacyl)되면 그렐린의 생리활성을 잃게 된다. 즉, 음식물을 섭취하여 위산이 분비되어서 pH가 낮아지면 Caprylic acid와 세린 아미노산 간의 에스테르(Ester)결합이 쉽게 분해되어서 그렐린 활성을 잃으면 더 이상 식욕 증진을 할 수 없게 된다.
<렙틴과 그렐린의 조절에 의한 식욕 조절>
위(胃)에서 음식물이 완전히 처리되어 위 장관에 음식물이 완전히 없어지면 위에서는 그렐린이 분비하여 뇌의 시상하부 궁상 핵에 호르몬 신호를 보내면 그렐린 수용체에 자극을 주면 식욕 중추신경은 식욕을 느끼게 배고픔을 느끼게 하여 음식물을 섭취하게 된다. 음식물을 섭취하면 위에서는 위산이 분비되어 산성이 되면 그렐린에 붙어있는 그렐린 3번 아미노산인 세린에 에스터 결합으로 붙어있는 Caprylic acid가 떨어져 나가면서 그렐린이 비활성형 디아실 그렐린이 되면서 식욕이 떨어진다.
음식물이 소장에서 분해되어 쌀과 같은 전분이 분해되어 포도당이 되면 포도당을 에너지로 이용하지만, 과잉으로 생긴 포도당은 췌장 β 세포에서 분비된 인슐린에 의해서 세포 내로 유입되어 혈액에서는 포도당의 양을 낮추고, 간에서는 포도당이 부족할 때를 대비하여 글리코겐으로 만들어 저장하게 되고 더 많은 포도당은 세포에서는 중성지방인 백색 지방으로 만들어 저장하게 된다.
백색 지방이 세포의 지방조직에 생기면 지방세포에서 렙틴 호르몬을 분비하여 혈액을 타고 뇌 시상하부 궁상 핵에 있는 식욕 억제신경에 있는 렙틴 수용체(Receptor)를 자극하면 식욕 조절 중추신경에서 식욕을 감퇴시킨다. 식욕 조절 중추에서는 <그림 3>에서 같이 렙틴은 Mc4 수용체를 활성화하고, 동시에 그렐린의 Y1 수용체를 저해(沮害)하고, 그렐린은 Y1 수용체를 활성화하고 렙틴의 Mc4 수용체를 저해하여 식욕을 조절하고 있다. 즉, 식욕을 촉진하기 위해 배고픔을 느끼게 하는 그렐린은 식욕을 억제하는 포만감을 전달하는 렙틴과 상호작용하여 체내 에너지 균형을 유지하여 항상성을 지키면서 체중을 조절하고 있다.
렙틴 호르몬이 작용하면 식욕을 느끼지 못하게 되고 췌장 β 세포를 자극하여 과잉으로 생긴 포도당을 조절하기 위해서 인슐린을 분비하면 포도당이 중성지방으로 바뀌어 지방조직이 점점 더 비만해진다. 렙틴의 분비가 촉진되면 과잉으로 생긴 포도당이 있다는 의미이기 때문에 당연하게 많아진 포도당을 처리하기 위해서 인슐린 분비를 촉진 시킨다.
하지만, 인체에는 항상 에너지를 얻지 못하는 유사시를 위해서 포도당과 같은 에너지 축적이 우선이기 때문에 인슐린 분비를 촉진 시킨다. 사실 그렐린은 음식물을 먹자마자 분비되는 위산에 의해서 활성을 잃기 때문에 에너지를 얻는 음식물 섭취에 시작신호는 되지만 아주 단시간 분비되고 난 후 금방 비활성화된다, 즉, 그렐린과 렙틴 중에서 식욕을 조절하여 에너지를 대사하고 저장하는 기전에는 렙틴과 인슐린의 영향이 더 큰 것을 알 수 있다.
하지만, 현대사회는 배고픔을 느껴서 식사하는 것이 아니라 습관적으로 아침, 점심, 저녁 시간이 되면 식사하는 버릇으로 식욕을 촉진하는 그렐린이 분비하지 않은, 즉, 배고픔을 느끼지 않는 상태에서 식사하는 경우가 많아서 조절기능이 무너지게 될 수도 있다. 렙틴과 그렐린 호르몬에 의한 자연 조절을 사용하지 않고, 식욕에 의한 과량의 에너지 축적을 인위적 다이어트와 운동만으로 해결하면 자연스러운 항상성 유지를 깨뜨릴 수도 있다.
결국, 다이어트 식품은 내장의 Microbiome이 얼마든지 에너지로 변환할 수 있고, 운동에 의한 과도한 에너지 소모로 끊임없는 식욕 촉진 호르몬의 분비로 식욕을 조절하기 어려울 수도 있다. 다이어트식과 운동은 에너지 조절 면에서 중요한 역할을 할 수 있지만 자연스러운 인체 호르몬에 의한 비만 방지는 더 효과적일 것으로 생각한다. 비만 조절을 뛰어넘는 고도 비만에는 다이어트와 운동이 필수적이지만 인체에 자연스러운 호르몬 작용에 의한 비만 조절로 항상성을 유지하는 것이 재비만으로 가지 않는 좋은 방법으로 판단한다.
당뇨병, 고지혈증과 같은 비정상(Dysbiosis)적인 건강위협이 일어나지 않고 비만 문제를 해결할 수도 있는 길은 급작한 단식이나 과도한 운동보다는 호르몬 조절과 에너지대사를 잘 활용하는 학문적 연구를 통해서 효율적으로 에너지를 소모하고 식욕을 떨어뜨리는 방안과 에너지를 소모하는 운동과 에너지를 얻는 식욕을 적절하게 조절하여서 항상성을 유지하는 개인맞춤형 생활 방식이 필요하다고 개인적으로 생각한다.
<맺는말>
비만해지는 것은 배고픔과 배부름과 관계되는 호르몬 신호와 관계가 있고, 음식이 들어오는 위(胃)와 에너지를 저축하는 지방세포에서 식욕 관련 호르몬을 분비하는 것은 마치 자동차가 큰 길 사거리에 있는 신호등과 같이 교통을 조절한다. 인간이 기본적으로 느끼고 오욕(五慾) 중 하나인 식욕(Appetite)조차도 위와 지방세포가 보내는 신호로 뇌에서 결정하고 행동한다니 인체는 얼마나 정교하고 과학적인지 새삼 놀라울 따름이다.
식욕을 조절하는 호르몬인 렙틴과 그렐린의 조화로운 조절이 인체의 건강을 유지하는 데 매우 중요하지만, 덜 먹고 적절하게 항상성을 유지하는 것보다 많이 먹고 많이 저축해 두었다가 에너지가 부족한 유사시를 대비하는 것이 우선인 것 같다. 최근, 대장 내의 Microbiome이 장내의 포도당으로부터 저분자 지방산(Short Chain Fatty Acid, SCFA)을 분비하면 지방세포에서 렙틴의 분비를 높여서 식욕을 조절(Jeffrey M. Friendman (Breakthrough Prize(2020)) 할 수도 있다.
인간의 오욕 중 식욕은 생명체가 항상 에너지가 부족한 유사시를 대비하기 때문에 어렵지만, 적절한 장내 Microbiome의 조절은 어쩌면 교통량에 따라 인공지능으로 신호 전환 시간을 조절하는 신호등처럼 건강한 Microbiome 형성은 매우 중요하다.
- 기사입력 2022년05월17일 17시00분
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