오태광의 바이오 산책 <93> 호르몬(Hormone) > News Insight

호르몬(Hormone)은 “자극한다”란 그리스어인 Hormao에서 유래되었고, 내분비 기관에서 생산되어 혈액을 타고 분비되는 화학물질로 신진대사, 생식, 수면, 면역, 임신/수유, 모성/부성, 남성/여성의 성적특징 등을 발현하고 조절한다. 또한, 인간이 가지고 있는 내분비계(Endocrine system)를 구성하는 중요 요소인 호르몬은 신경계와 함께 생체를 안전하게 내외부 환경변화를 최소화하는 항상성(恒常性, Homeostasis) 유지에 중요한 역할을 한다. 내분비계는 호르몬이란 화학물질을 혈액을 통해서 특정 호르몬 수용체가 있는 표적세포에서 선택적으로 작용하면서 항상성을 유지한다.

호르몬의 생성과 분비를 하는 내분비계(Endocrine System)는 첫째로 다양한 생리적 기능을 제어하고 균형을 유지함으로 인체 내 항상성(恒常性, Homeostasis)을 유지하면서 외부자극으로부터 능동적으로 안정적인 상태를 유지하여 생명을 보호/유지한다. 두 번째는 남성 및 여성 호르몬을 생성하고 분비하는 역할을 하여 성장과 인체 발달 및 생식기관의 기능과 구조를 조절하여 정상적인 생식 기능을 유지하여 자손을 보전한다. 

내분비계가 생산/분비하는 호르몬은 인체의 안정적인 생명 상태를 유지하고, 성장하고, 종 번식을 위한 생식에 관여하여 인간 삶의 영속성을 유지하는 중요한 역할을 한다. 호르몬은 내분비 기관인 뇌하수체(Pituitary gland), 송과선(Pineal gland), 갑상선(Hypothyroidism), 부갑상선(Parathyroid), 흉선(Thymus), 부신(Adrenal gland), 이자(Pancreas), 난소(Ovarian), 태반(Placenta), 난포(Follicle) 등에서 생성되어서 혈관을 타고 전신을 돌면서 호르몬 수용체가 있는 기관에서만 작용한다. 호르몬 수용체가 없는 기관에서는 호르몬이 닿아도 전혀 작용하지 않아서 호르몬이 목표로 하는 표적기관에서만 작용하여서 인간이 원하는 생리 활동을 할 수 있게 한다, 호르몬은 내분비계 기관 이외 간, 위, 소장 등에서도 생산하고, 세부적인 호르몬 작용은 생식 활동, 성장발달, 스트레스 대항 신체 방어, 체온, 혈중 당분/수분 농도, 전해질 영양균형, 세포대사, 신체 에너지 균형 등과 같은 인체에 가장 중요한 기능을 정상적으로 조절한다. 

호르몬의 작용으로 균형 관계를 잘 유지하는 방법으로 호르몬은 되먹임(Feedback) 작용을 한다. 되먹임 작용은 인체 기관에 원하는 기능이 낮으면, 활성화 호르몬을 분비하고, 높으면 저해하는 호르몬을 분비하여 균형을 이루게 한다. 즉, 어떤 원인으로 생긴 호르몬이라는 결과가 다시 원인이 되어서 만들어진 호르몬을 줄이거나 늘어나게 자동 조절하여 인체 항상성을 유지한다. 즉, 많거나 적은 양의 결정은 호르몬이 결합하는 표적세포에 있는 수용체에 완전히 결합하고도 남는 과잉의 호르몬은 인체 내 생산과정을 조절하는 되먹임을 하고, 수용체에 결합이 적어서 호르몬 양이 부족하면 호르몬을 생산하여 조절한다. 내분비계의 호르몬도 표적세포의 수용체와 되먹임 작용으로 조절하듯이, 자율신경계도 교감과 부교감신경 간 길항작용으로 조절하고, 사실은 신경과 호르몬 협조와 조절로 인체의 내부 환경을 정밀하게 항상성을 유지할 수 있다. 

<호르몬의 역사>

호르몬에 대한 발견은 18세기 수탉의 정소를 제거하면, 볏이 작아지고 번식 활동을 하지 않는 것을 발견하였고 이후, 1849년 독일의 생리학자 베르톨트(Bertolt)는 정소를 제거한 수탉에게 다른 수탉의 정소를 이식하면 볏이 커지고 번식 활동도 정상화된다는 실험에서 정소에는 정자를 만들 뿐만 아니라 볏을 키우거나 번식 활동을 촉진하는 인자(호르몬?)가 있음을 알았다. 호르몬은 19세기가 들면서 본격적으로 연구되었고, 1850년 프랑스의 클로드 베르나르(Claude Bernard)가 생체 내에서 단당류인 포도당(Glucose)에서 다당류인 글리코겐(Glycogen)이 생합성되고, 간에서 단당류인 포도당을 혈액으로 보내는 물질(현재의 인슐린)을 발견하고, 내분비(Endocrine)라는 용어를 처음 사용하였다. 호르몬으로 치료한 예는 1891년 프랑스 의사인 찰스 브라운-세카르(Charles Brown-Sequard)는 갑상선 호르몬 기능 저하증으로 기초대사량이 떨어져서 온몸의 대사 기능이 저하된 여성에게 양(羊)의 갑상선 추출액(갑상선 호르몬)으로 치료를 시도하였다.

1900년 초까지는 체내 정보전달 수단은 오직 신경계라고 생각했는데, 영국 생리학자 윌리엄 머독 베일리스(William Maddock Bayliss)와 어니스트 헨리 스탈링(Ernest Henry Starling)이 1902년 개의 소화계 정보전달 체계에 관하여 연구하면서, 소화와 관련된 이자액의 분비가 신경계를 통해서만 전달되는 것이 아니라, 혈관을 통해 분비된 화학물질임을 밝혔다. 분비된 화학물질을 세크레틴(Secretin)이라 명명하고, 활성을 일으키는 그리스어에서 유래가 된 호르몬(Hormone)이란 용어를 사용하였다. 20세기 초반에는 호르몬의 역할과 작용기전에 관한 연구가 급속한 진전이 있어서 일본의 화학자 다카미네 조키치(Takamine Jokichi)는 부신수질에서 분비되는 물질의 결정하여 추출에 성공했는데, 이것이 혈압과 혈당 상승작용을 하는 에피네피린(Epinephrine)이란 호르몬을 발견하였다. 1920년대에는 당뇨병 치료제로 인슐린이란 호르몬이 발견되어서 많은 당뇨병 환자를 치료하는 혁명을 일으켰고, 1930년대 여성 호르몬인 에스트로젠이 합성되어서 여성의 생리 기능을 조절에 사용하였고, 20세기 중반 이후는 인공적으로 합성된 호르몬 제제가 다양하게 개발되어서 많은 질병 치료와 생식기술에 활용되고 있다. 

<호르몬 생성 내분비 기관의 종류와 역할>

호르몬 생성 내분비계는 뇌의 시상하부, 뇌하수체에 의해서 조절 받는 호르몬과 뇌와 관계없이 다른 장기에서 분비되는 호르몬으로 구분하고 있다. 중요한 뇌에서 조절되는 내분비 기관은 뇌하수체(Pituitary gland), 부신(Adrenal glands, suprarenal glands), 갑상선(Thyroid), 부갑상선(Parathyroid gland), 이자(췌장)(Pancreas) 등이 있고, 최근에 심장, 간, 지방조직, 콩팥 등과 신경조직에도 신경호르몬(Neuro-hormone)을 분비한다고 밝혀져서 뇌에서 조절되어 분비되는 호르몬과는 구분하고 있다. 중요한 내분비샘과 내분비샘에서 분비되는 호르몬의 종류는 다양하다. 

호르몬의 화학적 특성으로는 크게 4가지로 구성되는데 첫 번째는 펩티드(Peptide)호르몬으로 아미노산이 모여서 펩티드 결합으로 이루어진 호르몬으로 시상하부, 뇌하수체(전엽, 후엽), 태반, 부갑상샘, 심장, 간, 이자, 소화관에서 분비되는 호르몬이다. 두 번째 스테로이드(Steroid) 호르몬은 부신피질, 생식샘(고환, 난소), 콩팥에서 분비되고 화학 구조상 스테로이드 핵을 가진다. 세번째 아민 호르몬은 부신속질의 카테콜아민(노르에피네피린, 에피네피린), 갑상샘 호르몬(Thyroid hormone), 갑상샘 자극 호르몬(Thyroid–stimulating hormone) 등이 있고, 화학적으로는 주로 아미노산 유도체(Amine)인 타이로신(Tyrosin) 또는 트립토판(Tryptophan)을 전구물질로 하는 호르몬이다. 네 번째 기타로는 혈관 수축/확장, 혈소판 응집 촉진/저하. 척추신경 고통 신호 감지, 염증 조절, 분만 유도하는 기본 화학구조가 20개 탄소로 이루어진 산(酸) 중 9, 11, 15 위치가 수산기(-OH)나 키톤기｛-C(=O)-｝로 치환된 프로스타글란딘(Prostaglandin)과 혈관을 확장하는 일산화질소(NO)가 있다. 친수성 특성이 있는 펩타이드 호르몬과 아민 호르몬과 친유성의 스테로이드 호르몬은 호르몬을 수용하는 수용체의 위치가 다르게 작동한다. 

콜레스테롤(Cholesterol)에서 유래된 스테로이드 호르몬은 세포 이중 지질막을 다른 도움 없이 쉽게 투과하는 친유성(lipophilic)이어서 (그림 1(b))에서와같이 세포막을 통과하여 세포질(Cytosol)에 있는 수용체와 결합을 할 수 있다. 호르몬이 수용체와 결합하면, 세포질 호르몬-수용체 복합체(Cytoplasmic hormone-receptor complex)는 핵으로 이동해 유전자 발현을 변화시키기 위해 DNA의 조절서열(Regulatory sequence)과 결합하여 새로운 단백질을 생산하여 세포질에서 표적세포에 결합한다. 한편, 아미노산의 사슬로 구성된 친수성(Hydrophilic)인 펩타이드 호르몬은 친유성인 지방 이중 막인 세포막을 가로질러 확산할 수 없어서 대신, 펩타이드 호르몬은 표적세포의 표면에 존재하는 세포 외에 존재하는 수용체와 결합(그림 1(a))한다. 이 결합은 호르몬의 특정한 기능을 수행하기 위해 세포 내에서 일련의 신호전달 반응을 촉발한다.

아민 호르몬은 타이로신(Tyrosine)이나 트립토판(Tryptophan) 같은 단일 아미노산에서 유래되었다. 이러한 종류의 호르몬은 펩타이드 호르몬뿐만 아니라 스테로이드와 작용 기작을 공유하기 때문에 독특합니다. 예를 들어, 에피네프린(epinephrine)과 티록신(thyroxine, 줄여서 T4)은 둘 다 아미노산 타이로신에서 유래되었지만, 이 둘은 다양한 작용을 통해 자신의 효과를 중재한다. 에피네프린은 원형질막(Plasma membrane) 표면에 존재하는 G-단백질 결합 수용체(G-protein coupled receptor)와 결합해 아데닐산 고리화 효소(Adenyl cyclase)의 작용으로 고리 모양 세포질에서 2차 전달자(Second messenger)인 cAMP가 생겨서 이온통로의 투과성과 반응에 필요한 분자농도를 증가시켜서 세포 신호의 연쇄반응(Signaling cascade)을 유도하게 된다. 반면, 갑상선 호르몬 티록신은 활성 형태의 트리요오드티로닌(Triiodothyronine, 줄여서 T3)으로 변환되어 원형질막을 가로질러 운반된다. 갑상선 호르몬 수용체(thyroid hormone receptor)는 세포 내에서 핵 DNA와 복합체를 이루고 있다. 갑상선 호르몬은 이 복합체에 결합해 유전자 발현을 변화시킨다. 이렇게 호르몬의 종류에 따라서 수용체와 결합하는 위치도 다르고 작용하는 방법도 다양하다. 

중요한 내분비샘과 내분비샘에서 분비되는 호르몬의 종류를 요약하면 그림 2.와 같이 다양하게 존재한다. 이외에도 신경전달 물질로 분류되는 카테콜아민((Catecholamine)에서 유래된 모노아민(Monoamine) 종류의 도파민(Dopamine), 에피네피린(Epinephrine), 세레토닌(Serotonin), 노르에피네피린(Norepinephrine) 등이 존재하고, 신경 펩타이드(Neuropeptide)인 엔돌핀(Endorphine), 옥시토신(Oxytocin), 멜라토닌(Melation) 등이 존재하고 있어서 인체에는 약 4,000가지 이상의 호르몬이 존재한다고 알려져 있다.

<항상성 유지를 위한 호르몬 되먹임(Feedback)>

인체는 외부환경이 바뀔 때마다 인체 내부의 생리현상이 바뀐다면, 생명을 유지하기가 어려울 것이다. 실제 예로 체온은 36.5℃로 일정하게 유지하지만, 외부 기온이 올라가 체온이 1~2℃​만 올라가도 엄청난 고통을 받고 ​​체온이 정상적으로 내려가지 않으면 생명을 지키기 어려워진다. 비단, 체온뿐만 아니라, pH, 혈중 수분, 혈당, 심박수 등이 일정하지 않으면 비정상 상태로 질병이 걸렸거나 비정상적인 건강 상태가 된다. 이런 인체 내외부가 환경이 바뀌더라도 일정한 범위 안에서 유지되는 현상을 항상성이라 하고, 인체가 항상성을 유지하기 위해서 사용하는 방법은 2가지가 있는데, 호르몬의 되먹임(Feedback)과 신경의 길항작용(Antagonist)을 사용한다.

되먹임은 생체 내외에서 일어나는 생체환경 변화를 스스로 적극적으로 조절하는 현상으로 과잉반응은 약하게 하고 너무 약한 반응은 강하게 하여 항상성을 유지한다. 되먹임은 호르몬 양을 줄이는 음성 되먹임(Negative feedback)과 늘리는 양성 되먹임(Positive feedback)이 있는데, 내분비계에서 일어나는 되먹임은 주로 음성 되먹임이 작용한다. 항상성의 기본 원리는, 호르몬 양이 많으면 수용체에 붙지 않는 호르몬이 호르몬을 생산하는 전구물질을 못 만들게 하여 호르몬 생산을 억제하고, 부족하면 전구물질을 많이 만들어 촉진하는 원리이다. 예를 들어서 갑상선 호르몬으로 설명하면 그림 3.과 같이 시상하부에서 TRH(Thyro-Tropin-releasing Hormone) 호르몬이 분비되어 뇌하수체를 자극하면 TSH(Thyroid-Stmulating Hormon)호르몬을 분비하여 갑상 선을 자극하여 티록신(Thyroxine)이란 호르몬이 심장, 신장, 간, 근육에 자극하여 생체대사를 활성화하여 조절한다. 이때 만약, 티록신이 과다로 분비되어서 티록신 수용체에 결합하지 않는 티록신은 뇌하수체와 시상하부를 자극하여 TRH, TSH 호르몬의 분비를 감소시켜는 음성 되먹임으로 당연히 티록신을 분비를 줄여서 생체대사를 일정하게 유지할 수 있다. 

양성 되먹임의 예는 여성이 출산할 때와 같이 음성 되먹임과 반대로 반응속도를 가속화 할 때 호르몬 분비를 촉진할 때 사용한다. 호르몬은 인간의 대사작용뿐 아니라 인간의 감정과 의지에도 지대한 영향을 주고 있는데, 예를 들어서 갑상선 호르몬이 과다하면 활력이 지나쳐서 조증(Mania)이 걸려서 비정상적인 충동과 폭력적 행동을 할 수도 있고, 너무 적으면 우울증에 걸릴 수도 있어서 정밀한 조절은 매우 중요하다. 특히 되먹임을 적용하면 호르몬 간의 균형 상태를 유지할 수 있어서 몸 상태에 맞추어 호르몬의 양을 바꿀 수 있다. 보통 호르몬은 나노그램 (ng, 10-9g), 피코그램(pg, 10-12g)이란 극미량이 생산/분비되어서 체내에 균형이 조금만 깨어져도 신체/정신에 심각한 영향을 나타내어 당뇨, 비만, 갑상선 질환, 정신질환, 각종 암 등이 발병할 수 있어서 정밀하게 조절하는 신경과 호르몬은 매우 중요하다. 최근 생화학자는 인간의 의욕, 성욕, 사랑, 행복까지 호르몬 작용이라는 주장이 있어서 호르몬의 정밀한 조절은 매우 필요하다. 실제 호르몬 조절은 호르몬뿐만 아니라 신경과 통합하여 조절되어서 인간이 항상성을 유지하면서 건강하게 살 수 있으며, 행복, 사랑, 의욕 등도 조절할 수 있다고 주장하고 있다. 

<호르몬과 신경의 통합으로 인체 항상성 유지 예>

 호르몬과 신경의 통합작용은 체온, 혈당, pH, 혈중 수분량 등과 같이 항상성을 유지할 때는 실제로 신경의 길항작용과 호르몬의 되먹임 작용이 정밀하게 조절하여야 한다. 예를 들어 혈당량 조절과 체온조절에서 신경과 호르몬의 통합작용을 그림 4-(a), (b)에 도시하였다. 혈당량의 경우는, 건강한 사람은 0.1%를 일정하게 유지하여야 하는데, 즉, 100ml의 혈액에는 100mg의 포도당이 있어야 정상인데 편차를 두어 70~130mg의 범위는 정상으로 본다. 혈당이 높으면 시상하부에 있는 부교감신경이 작동되면서 이자에서 인슐린이란 호르몬이 분비되면, 간에서 혈액에서 유입된 포도당을 글리코겐 생성효소(Glucogen synthase A)로 고분자의 포도당 중합체인 글리코젠으로 전환하여서 간에 저장하면, 자연히 혈당량은 감소하게 된다. 반대로 시상하부의 교감신경을 작동하여 이자의 글루카곤(Glucagon)과 부신수질의 에피네피린이란 호르몬이 간에 있는 글리코젠을 분해하여 포도당으로 전환하여 혈액에 유입하면 혈당을 높인다. 또 다른 방법은 뇌하수체 전엽의 부신피질 자극 호르몬(ACTH)에 의해서 당질 코르티코이드(Gluco-corticoid)란 호르몬을 분비하여 단백질과 지방도 포도당으로 전환하여 혈당량을 증가시킨다. 두 번째 예로 체온조절은 외부환경 온도변화에 대해서 체내온도를 일정하게 유지하여 항상성을 유지한다.

정상체온의 범위는 나이와 신체 위치(구강, 직장)에 따라 약간 다르지만 11~65세의 청소년에서 성인은 35.4~37.6℃를 표준으로 한다. 체온조절 중추는 간뇌의 시상하부에서 조절하여 열 손실량과 열 생산량을 변화시킨다. 날씨가 추워지면 피부의 감각점에서 추운온도 자극을 수용한 감각신경이 간뇌의 시상하부로 온도 자극을 전달하면 교감신경과 뇌하수체가 에피네피린과 부신피질 자극 호르몬으로 당질 코르티코이드 호르몬을 분비하여 혈당량을 증가시키면, 티록신 호르몬이 간과 근육의 물질대사를 촉진하여 체내 발열량을 증가시켜서 체온을 올리는 동시에 교감신경이 작용하여 모세혈관과 입모근을 수축하고 땀 분비를 억제하여 몸 밖으로 열 발산량을 줄이므로 체온을 올린다. 더울 때는 반대로 부교감신경이 작동하여 인슐린 분비를 촉진하여 혈당량을 줄이고 티록신 분비를 줄여서 물질대사를 억제하면 체내 발열이 줄어들고 동시에 부교감신경의 작용으로 모세혈관과 입모근을 확장하여 열을 발산하고 땀의 분비를 촉진하여서 체외로 열을 발산하면 체온이 내려간다. 

<맺는말>

호르몬이 극미량인 나노그램(ng, 10-9g), 피코그램(pg, 10-12g)이 작용하여 생체현상이 조절하고 체내에서 균형이 조금만 깨어져도 신체/정신건강에 심각한 악영향을 미친다고 한다. 초정밀한 호르몬의 조절은 신경과 함께 합동으로 통합하여 조절된다는 사실에서 인체의 정밀함에 경의를 표하게 된다. 그와 동시에 아주 극미량 호르몬이 인체 조절에 사용되고 있다는 사실은 호르몬 제제를 의료용으로 무분별하게 사용하는 것에 대한 경각심을 높여야 한다는 생각이 우선이다. 혈당조절이나 체온조절에서 포도당과 같은 탄수화물만 이용하는 것만 아니고 단백질과 지방을 모두 활용하는 당질 코르티코이드 호르몬을 사용하는 것으로 인체는 어떤 경우에도 항상성을 유지할 준비가 되어 있는 것을 알 수 있다, 감성적인 의지, 사랑, 행복 등뿐만 아니라 우울, 조증, 긴장, 미움. 조급함 등까지 호르몬이 작용한다는 생각과 인간에게 일어나는 희노애락(喜怒愛樂)이 뇌에서 발생하는 신경호르몬에 의해서 바뀔 수 있다는 것을 알 수 있다. 

호르몬이란 화학물질에 의해서 인간 감정까지 좌우될 수 있다는 결론에서 인간의 본질은 무엇인가? 라는 의혹에 빠지기도 한다. 반대로, 인간이 정밀하게 작용하는 자율신경계인 교감과 부교감신경을 활용할 수 있고, 만약, 인간이 호르몬을 적절하게 다룰 수만 있다면 더 나은 삶을 살 수 있지 않을까? 라는 긍정적인 생각도 하여 본다. 많이 이야기되고 있는 인공지능이 인간의 신경과 호르몬을 조절할 수 없다면, 단지 인공지능은 학습된 행동이지 감성을 가지는 초정밀한 조절은 어려울 것이라고 상상하여 본다. 지금 알고 있는 신경이나 호르몬의 종류와 기능보다 더 진보된 지식은 지금까지 풀 수 없었던 더 많은 인체의 모르는 신비를 풀 수 있을 것으로 판단하여 더 많은 연구가 있어야 한다. 불과 몇 년 전만 하더라도 인슐린이나 에스트로젠과 같은 호르몬 이야기가 주가 되었는데, 이미 4,000가지 이상 호르몬이 발견되었다고 한다. 앞으로 더 많은 신 호르몬과 기존 호르몬의 기능이 발견된다면, 더 많은 질병으로부터 해방되고, 오랜 기간 건강하게 행복한 마음으로 사랑하면서 살 수도 있는 바이오 유토피아를 바이오 과학자로서 생각하여 본다. 

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