항상성 유지위해 수많은 물질 세포막 통해 이동
삼투압 문제생기면 현대인의 많은 질환에 영향

충북 단양군 시장약국 신창우 약사

항상성(Homeostasis)은 변수들을 조절하여 내부 환경을 안정적이고 상대적으로 일정하게 유지하려는 계의 특성을 말한다. 항상성의 예로 외부 조건의 변화에 대하여 인체 내부 환경을 일정하게 유지하는 과정, 즉 체온 조절이나 산염기조절(수소 이온 농도)을 들 수 있다.

삼투압이란 용매는 통과시키나 용질은 통과시키지 않는 반투막을 고정시키고, 그 양쪽에 용액과 순용매를 따로 넣으면, 용매의 일정량이 용액 속으로 침투하여 평형에 이르는데, 이때 반투막의 양쪽에서 온도가 같지만, 압력에 차이가 생기는 압력차를 말한다. [네이버 지식백과] 삼투압 [osmotic pressure, 渗透壓] (두산백과)
 

인체는 많은 세포로 구성이 되어 있습니다. 인체 내부에 살고 있는 세포들은 외부의 환경과 철저하게 분리가 되어 있습니다. 손끝에 있는 세포는 공기 중에 노출이 되어 있지만 산소는 반드시 폐를 통해서 공급을 받고 모든 음식은 입을 통해서 우리가 섭취를 하지만 구강에 있는 세포도 간을 통해서 영양을 공급을 받습니다.
인체의 세포가 살 수 있는 조건(세포외부)은 pH 7.4, 체온 36.5℃, 염분농도 0.9% , 혈당 100ml/dl,, 혈압 120/80mmHg, 산소농도, Ca은 8.5~10.8 mg/dL, 등이 충족되어야 세포의 생존이 보장이 됩니다. 과격한 운동으로 혈중 pH가 내려가는 경우가 있고 세균감염으로 체온이 상승하는 경우도 있습니다. 음식의 섭취나 단식으로 혈당이 변화하는 경우가 있고 여러 가지 이유로 혈압이 변화를 하는 경우도 있습니다. 하지만 일정시간 안정을 취하게 되면 그 수치는 다시 원래의 상태로 돌아가게 됩니다. 이것이 바로 항상성입니다.
인체는 항상 숨을 쉬고 음식을 먹습니다. 소변과 대변을 보고 잠깐 체중이 변하기도 하지만 보통의 경우는 매일 같은 체중을 유지합니다. 섭취된 음식의 많은 부분은 산소에 의해서 산화가 되고 이것은 인체의 에너지인 ATP의 전환에 사용이 됩니다. 또 산화과정에서 발생하는 열은 인체의 체온을 일정하게 유지하는 역할을 합니다. 우리가 섭취한 음식은 항상 인체를 변화시킵니다. 매일 손톱이 자라고 머리카락이 자라며 이러한 현상은 눈에 보이는 외부에만 일어나는 것이 아니라 내부 장기에도 해당이 됩니다. 그리고 전혀 변화가 없다고 생각할 수 있는 치아와 뼈에서 조차 끊임없이 합성과 분해가 일어납니다.
항상성(homeostasis)이란 늘 똑같은 것이지만 인체는 늘 변화합니다. 합성과 분해의 반응이 평형을 이루고 세포내부에는 단백질이 풍부하며 세포외부에는 염분(Na+,Cl-), 산소, 포도당, 아미노산이 풍부합니다. 인체의 산화반응으로 생성되는 CO2는 혈관을 통해서 폐로 배출이 됩니다. 인체의 항상성은 동적 평형(steady state)을 유지해야 가능합니다.
인체는 1분 1초도 가만히 있는 경우는 결코 없습니다. 생명이 탄생하는 순간부터 숨을 거둘 때까지 인체는 무수히 많은 대사를 하며 모든 대사는 물질의 변화를 가져옵니다. 그 어떤 물질의 변화를 가져오더라도 항상성은 결코 변하지 않고 이 항상성을 유지하기 위해서 수많은 물질은 세포막을 두고 엄청나게 많은 이동을 합니다.

1) 항상성과 물질의 이동
인체는 60조의 세포와 세포를 둘러싼 세포외기질로 만들어져 있습니다. 세포가 모여서 인체의 기관을 만듭니다. 인체의 기관은 상호 유기적으로 맡은 일을 수행을 하면서 생명을 유지하게 됩니다. 영양소는 반드시 소화관을 거쳐서 흡수가 되며 흡수된 영양소는 간에 이동을 하고 심장과 혈관에 의해서 인체의 모든 세포에 영양소를 공급을 합니다. 산소는 폐를 통해서만 흡수가 되고 대사에 의해 생성된 노폐물은 신장이나 답즙으로 배설이 됩니다.
인체에서 물질의 이동은 물에 의해서 나타나는 확산(diffusion)이 대표적입니다. 확산은 많은 것에서 적은 것으로 농도의 차이에 따라서 이동을 하고 물질 농도가 평형을 이룰 때까지 지속이 됩니다.
물에는 많은 물질이 녹아있고 이 물질은 모두 세포외액에서 세포로 세포에서 세포외액으로 이동을 합니다. 물에 녹아 있는 물질 중에 소수성분자(hydrophobic molecules)는 지질이중층을 쉽게 이동을 할 수 있습니다. 산소(O2)는 소수성분자로 농도의 차이(미토콘드리아에서 산소소비)에 의해서 세포내로 지속적인 이동을 하게 됩니다.
세포외액은 확산에 의해 혈장(plasma)이나 간질액( interstitial fluid)은 단백질의 함량만 제외하고는 같은 물질의 농도를 가지고 있습니다. 이러한 확산은 세포막의 지질이중층에 의해서 소수성분자를 제외한 물질은 이동을 하지 못하고 물만 이동하는 삼투(osmosis)가 나타납니다. 

삼투에 의해서 세포와 세포외기질 사이에는 삼투압이 발생을 합니다. 세포외기질과 세포는 삼투압이 같습니다. 같은 삼투압을 유지함으로서 세포는 더 이상 팽창이나 수축을 하지 않고 세포의 크기를 그대로 유지를 할 수 있습니다. (삼투압=흡수력 )
세포막은 지질이중층과 단백질이 같이 있습니다. 소수성분자는 세포내외의 농도의 차이에 의해서 즉각적으로 이동을 하지만 친수성분자는 세포막단백질에 의해서 촉진적 확산(facilitated diffusion)을 합니다.

그림2의 (나)와 같이 단백질에 의해서 촉진적 확산을 하는 대표적인 물질이 바로 포도당입니다. 포도당은 GLUT4(glucose transpoter type4)에 의해서 세포내로 이동이 가능합니다. 촉진적 확산도 반드시 농도의 차이가 있어야 발생을 합니다.

세포는 대사를 하며 세포외액은 세포에 영양의 공급과 노폐물의 배설을 도와줍니다. 세포에서 대사를 통해서 단백질을 합성하는 순간 세포내의 물질의 농도는 올라갑니다. 또 음식을 섭취함으로서 세포외액에 염분, 포도당, 아미노산의 농도가 올라갑니다. 이러한 변화는 삼투압에 변화를 가져오고 인체는 삼투압의 변화에 대응하기 위해서 농도의 차이에 역행하는 Na/K pump를 작동해서 삼투압을 조절을 하게 됩니다. (세포외부에 염분농도와 세포의 단백질 농도가 같아야 삼투압의 균형이 유지가 됩니다.)

그림3과 같이 인체의 체액인 세포내액과 세포외액은 서로 다른 구성이 되어있습니다. 물질과 물은 농도 차이에 의해서 끊임없이 이동을 하고 삼투압은 항상 일정합니다. 하지만 세포내액과 세포외액의 서로 다른 물질로 이루어져 있지만 세포내액 농도의 합과 세포외액 농도의 합은 같습니다. 서로 다른 구성이 변하지 않는 것을 항상성이라고 부릅니다. 항상성이 이렇게 조성이 되었는지는 모르지만 이 항상성을 통해서 세포는 생존을 합니다.

2) 삼투압
삼투압은 반투막을 사이에 두고 용액의 농도차이에 의해서 발생을 합니다. 세포는 항상 대사를 해야 하고 대사를 위해서 항상 물질의 공급이 있어야 합니다. 만약 세포막을 두고 세포내외의 물질의 농도가 같아지면 더 이상의 물질 이동이 불가능해 집니다.  그림3에서 보는 것처럼 세포내부에는 양이온으로 칼륨이 음이온으로는 인산염과 단백질이 존재를 하고 세포외부는 양이온으로 나트륨과 음이온으로 염소와 중탄산염이 존재를 합니다.
인체는 삼투압의 변화 즉 과도한 염분, 포도당, 아미노산을 섭취를 하게 되면 갈증을 느끼게 되고 물을 섭취함으로 삼투압의 변화에 대응을 합니다. 또 수술이나 외상에 의해서 단백질이 손상을 받게 되면 삼투압이 손상을 받게 되면서 부종이 일어납니다.
즉 세포외부의 물질농도가 변화를 하면 확산(단순 확산, 촉진적 확산)에 의해서 세포내부로 들어오게 됩니다. 세포는 들어온 물질에 대사가 일어나고 세포는 삼투압을 능동적(Na/K channel ATPase를 비롯한 각종 ion channel에 의해서)으로 조절을 합니다. 삼투압에 있어서 전해질의 농도차이는 절대적으로 중요합니다. 각종 channel에 의해서 이온들이 이동을 하지만 전해질 차이가 발생을 한다고 하여도 절대 이동하지 못하는 것이 있습니다. 바로 세포내부에서 음전하를 가지고 있는 단백질은 이동을 하지 못합니다. (수술 등 조직의 손상으로 누출이 되는 경우는 있습니다.)

3) 단백질의 부족과 삼투압

전해질의 차이에 의해서 세포막의 전하가 발생을 하고 세포막의 전하에 의해서 많은 신호를 주고 받습니다. (심장이 뛰는 것도 세포막전하의 차이에 의해서) 이러한 전해질은 Na/K pump를 비롯한 많은 ion channel에 의해서 조절이 됩니다.
인체는 각종 ion channel과 GLUT4(glucose transpoter type4)를 비롯한 각종 세포막단백질이 존재를 합니다. 단백질은 전해질의 조절 및 물질의 이동에 필수입니다. 또 단백질은 세포내에서 인산염과 더불어 음전하를 띠고 있는 용질로도 작용을 합니다.
나트륨, 칼륨, 인산염, 염소, 등 전해질을 이루고 있는 물질은 우리가 아주 풍부하게 먹는 음식입니다. 비록 조금은 치우쳐서 먹는 경우가 있겠지만 인체는 소화관과 신장을 통해서 인체의 전해질을 조절하게 됩니다. 아주 심한 다이어트를 하는 분이 아니라면 대부분의 현대인은 충분한 단백질을 섭취하고 있습니다.
현대인에게 나타나는 각종 만성질환을 흔히 대사증후군으로 이해를 합니다. 대사증후군은 인슐린저항성 및 이와 관련된 복잡하고 다양한 여러 대사이상과 임상양상을 모두 포괄하여 설명합니다. 대사증후군을 치료하기 위해서 첫 번째로 하는 것이 비만에 대한 접근입니다. 비만은 운동과 적절한 식이로 가능합니다. 운동도 적절한 식이도 삼투압에 영향을 줍니다.
현대인이 먹는 음식은 정제된 음식이 너무나 많습니다. 정제된 음식의 섭취는 인체에 필요한 비타민, 미네랄의 부족으로 이어집니다. 비타민, 미네랄의 부족은 단백질합성에도 영향을 미치게 됩니다. 세포에 필요한 단백질의 합성이 제대로 되지 않는다면 세포의 삼투압에도 영향을 미치게 됩니다. 세포는 삼투압을 유지해야 세포의 크기를 유지할 수 있습니다. 

만약 세포내에 단백질이 부족하게 되면 세포내의 음이온이 부족하게 됩니다. 세포내 부족한 음이온은 세포외액에 있는 대표적인 음이온인 염소가 세포내로 들어오게 됩니다.(세포내 물질의 합이 일정해야 세포의 크기를 유지하게 됩니다.) 염소의 증가는 세포내의 나트륨의 증가를 가겨옵니다. ( KCl(l) + Na(l) ? NaCl(l) + K(g) 나트륨은 칼륨보다 더 작은 분자량을 가지고 있어서 칼륨보다는 쉽게 세포막을 이동을 합니다) 세포내에 나트륨이 증가를 하게 되면 삼투압을 조절에 필수인 Na/K pump가 제대로 작동을 하지 못하게 됩니다. Na/K pump가 제대로 작동을 하지 못하면 세포의 전위차에 변화와 물질의 이동에 문제가 발생을 하게 됩니다.
대사증후군을 간단히 설명을 한다면 포도당, 콜레스테롤, 중성지방이 제대로 세포내에 들어가지 못하고 세포외액의 농도가 증가로 인해서 인체는 혈압을 올려서 그 압력으로 세포내에 이동을 하려는 것으로 볼 수 있습니다.
현대인은 정말 잘 먹습니다. 우리가 단백질을 충분히 섭취하지만 우리가 먹는 단백질은 반드시 아미노산으로 분해가 되어서 들어옵니다. 세포는 아미노산과 효소 그리고 조효소, cofactor에 의해서 다시 단백질을 합성합니다. 현대인의 만성질환은 이러한 영양소 특히 비타민, 미네랄의 만성 부족으로 인해서 단백질의 합성에 문제가 발생하고 단백질 부족은 삼투압에도 많은 영향을 미치게 됩니다.

현대인은 너무나 잘 먹어서 다이어트가 시대의 화두가 되었습니다. 다이어트 하면 굶는 것 적게 먹는 것이고 먹는 것보다 더 많이 움직여야 한다는 강박관념을 가지고 있습니다. 다이어트로 인해서 세포는 영양소의 공급이 줄어들게 되고 에너지 대사가 줄어들며(추위에 약하게 됨) 단백질의 합성(탈모, 손톱에 문제, 피부에 문제 등)이 제대로 되지 못합니다. 이는 세포에 필요한 단백질도 줄어들며 인체의 삼투압과 전해질의 균형에 문제를 나타나게 됩니다. 특히 다이어트를 중단하게 되면 인체는 자신에게 필요한 단백질의 합성을 위해서 더 많은 음식의 섭취를 요구하게 되고 이는 바로 요요현상으로 나타나게 됩니다.
삼투압의 문제는 대사증후군부터 시작해서 현대인의 많은 질환과 관련이 있습니다.

(다음호에 계속됩니다.)