인체는 에너지 소비와 저장을 반복하며 대사 조절
인슐린, 음식 섭취를 동화(anabolism)하는 호르몬

음식의 섭취와 인슐린

인슐린(Insulin)은 우리 몸의 물질대사 체계에 중요한 역할을 하는 호르몬 중 하나이다. 췌장의 랑게르한스 섬 베타 세포에서 분비되며, 혈액 속의 포도당 수치인 혈당량을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.

대사(Metabolism)는 생물의 세포에서 생명을 유지하기 위해 일어나는 화학 반응이다. 대사는 대개 두 부류로 나뉜다. 이화작용(catabolism)은 세포 호흡을 통하여 유기 분자를 분해하고 에너지를 얻는 반응이다. 동화작용(anabolism)은 에너지를 이용하여 단백질이나 핵산과 같은 세포 구성 성분을 합성하는 반응이다.

현대인을 괴롭히는 많은 질환 중 당뇨, 내당능 장애, 대사증후군 이 세 가지는 여기에서 멈추지 않고 다른 질병으로 가는 대표적인 질환입니다. 이 질병의 원인은 비만, 운동부족, 잘못된 식이, 신체적 정신적 스트레스, 유전적 요인 등으로 생각합니다. 이러한 질환의 많은 임상증상 중에 문제가 되는 것이 조절이 잘 되지 않는 높은 혈당이 가장 큰 원인이라고 봅니다.
인슐린은 혈중에 과도한 포도당을 낮추는데 엄청난 위력을 발휘합니다. 혈당이 떨어지게 되면 혈당을 올리는 호르몬은 glucagon, epinephrine, glucocorticoid 등 많은 호르몬이 혈당을 올리는 역할을 합니다. 혈당을 조절하는데 많은 호르몬이 작용하지만 혈당을 낮추는 것은 인슐린만이 작용합니다.

인슐린이 더 이상 혈당을 낮추지 못하고 혈당은 높고 이로 인해서 췌장에서 인슐린은 더 많이 분비가 되는 것을 우리는 인슐린저항성(insulin resistance)이라고 부릅니다. 인슐린저항성으로 인해서 세포는 포도당유입이 줄어들면서 포도당의 glycolysis 및 각종 산화 반응이 줄어들게 됩니다. 또 높은 혈당은 혈액에서 포도당의 glycolylation을 증가시켜서 혈관에 많은 문제를 일으키게 됩니다.
현재 인슐린저항성에 의해서 생기는 증상(2형 당뇨)의 치료를 위해서 인슐린의 분비를 촉진하는 경구혈당강하제를 사용하거나 직접 인슐린을 투여하는 방법을 통해서 혈당을 조절해서 높은 혈당으로 인해서 나타나는 각종 합병증을 예방하고 있습니다. 하지만 혈당을 열심히 조절 한다고 하여도 당뇨에 의한 합병증을 피하기는 그리 쉽지 않습니다.
인슐린은 음식을 먹고 혈당이 올라가게 되면 분비되는 호르몬입니다. 그리고 인슐린이 분비가 되면 혈당은 다시 평상시 혈당까지 떨어지게 됩니다. 그러므로 인슐린은 혈당을 내려주는 호르몬입니다. 하지만 인슐린은 이것보다 더 복잡한 반응을 나타내는 호르몬입니다. 인슐린은 혈당이 올라가면 분비가 되는 호르몬은 분명하지만 인슐린은 혈당이 올라가게 되면 세포에 신호를 보내는 호르몬입니다. 세포는 인슐린의 신호를 가지고 유전자(gene)에 전달하게 되고 유전자발현(gene expression)을 나타냅니다.

1) 인슐린 분비
인체는 음식을 섭취 후 흡수가 이루어지면 혈액에 변화가 옵니다. 혈액의 변화는 섭취한 음식에 따라 다르겠지만 기본적으로 포도당, 아미노산, 지방 등의 영양소가 풍부하게 됩니다. 포도당과 지방은 공복 시 에너지로 사용하기 위해서 저장되고 아미노산은 인체의 단백질 합성에 사용됩니다. 물질의 확산에 의해서 혈액의 변화는 세포외액의 변화도 같이 옵니다. 혈액과 세포외액의 변화는 췌장에 있는 랑게르한스 섬의 베타세포를 자극하게 됩니다.
인슐린을 분비하는 기전은 2가지가 있는데  1)포도당의 자극으로 분비되는 기전은 포도당 농도에 의해서 즉각적으로 분비가 이루어지고 2)호르몬의 자극으로 분비되는 기전은 새로운 인슐린 과립(insulin granule)을 만들면서 인슐린의 분비가 서서히 이루어집니다.

인슐린을 분비하는 가장 대표적인 물질이 포도당입니다. 자극받은 베타세포가 인슐린을 분비하는 과정은 그림2와 같이 나타납니다.

⑴ 포도당이 GLUT2로 유입
⑵ 포도당이 glycolysis와 TCA cycle을 통한 대사를 하고 ATP를 생성 ATP/ADP 비율이 상승
⑶ ATP의 상승은 membrane-bound ATP-sensitive K+ channels을 닫음
⑷ 췌장 세포막의 탈분극(depolarization)이 일어남
⑸ 탈분극으로 membrane-bound voltage activated Ca2+ channels이 열리면서 Ca2+이 세포내로 유입
⑹ 세포내 Ca2+의 증가는 세포내 효소를 자극한 결과로 인슐린의 합성과 분비촉진

인슐린의 분비는 혈중 포도당으로 자극되는 것 외에 호르몬 자극으로도 분비됩니다. 부교감신경의 자극으로 분비되는 acetylcholine(그림2의 가)과 소화관에서 분비되는 incretins(그림2의 나)의 자극에 의해서도 인슐린이 분비됩니다. (※참고: incretins에는 GLP-1;glucagon-like peptide-1, GIP;glucose-dependent insulinotropic peptide가 있습니다.)
인슐린의 분비는 인체에 영양소가 들어왔을 때 일어납니다. 인슐린이 분비가 일어나기 위해서는 췌장의 에너지대사가 증가(ATP의 증가)를 해야 합니다. 췌장에 에너지대사를 증가시키는 것은 포도당뿐만 아니라 지방의 β-oxidaton으로도 가능합니다.

2) 인슐린 작용
인슐린은 peptide hormone으로서 insulin receptor(IR)에 결합을 함으로서 그 기능을 나타냅니다.
인슐린은 인슐린리셉터가 존재하는 근육(myocytes)과 지방(adipocytes)세포에 작용을 합니다. 인슐린이 인슐린리셉터에 결합을 하게 되면 세포는 인산화반응(phosphorylation ; tyrosine kinase)을 통해서 유전자(gene)에 신호를 보냅니다.

MAP kinase(mitogen-activated protein kinase), PI3K (phosphoinositide 3-kinase), GLUT4 (glucose transporter type 4)

인슐린리셉터가 활성화 되면 IRS-1(insulin receptor sustrate-1)의 tyrosine 잔기에 인산화 반응이 일어나면서 세포에 신호가 전달됩니다. 인슐린의 신호전달은 크게 2가지로 MAP kinase signaling pathway와 PI3K signaling pathway가 있습니다. 인슐린의 신호는 유전자발현(gene expression)을 통해서 세포는 성장(growth), 증식(proliferation), 생존(survival)을 합니다. 또, 인슐린의 작용은 에너지 저장(lipids, glycogen)과 단백질을 합성(gluconeogensis로 사용한 단백질 합성)합니다.
인슐린의 신호로 활성화된 PI3K는 GLUT4 단백질을 활성화 시킵니다. 활성화된 GLUT4를 통해서 포도당이 세포내로 유입됩니다. 또 세포외액에 풍부한 amino acid와 지방도 세포내로 유입됩니다. 이렇게 유입된 영양소는 세포가 여러 가지 일(세포의 성장, 증식, 생존, 유전자 발현, 에너지저장 등)을 수행하는데 사용하게 됩니다.
 

인체는 공복 시 많은 에너지를 소비합니다. 근육과 지방세포는 신경과 적혈구에 안정적인 포도당 공급을 위해서 glycogen(근육의 glycogen은 lactic acid를 통해서 공급)의 사용뿐만 아니라 아미노산을 포도당으로 전환하고 다른 많은 세포를 위해서 지방을 공급합니다. 그리고 섭취한 음식을 통해서 사용한 에너지를 저장합니다. 인체는 공복 시 에너지 소비, 식후 에너지 저장이라는 것을 매일 반복하면서 인체의 대사를 조절합니다.
인슐린은 식후 대사에 중요한 역할을 합니다. 근육과 지방세포에 지방과 glycogen을 저장하고 gluconeogenesis를 통해서 사용된 단백질을 합성합니다. 또 인슐린은 표적세포(target cell)에 포도당 공급과 세포신호(cell signaling)를 통해서 세포는 유전자발현(세포의 증식, 성장, 생존)을 하게 됩니다. 인슐린의 이런 반응은 혈중에 포도당 공급이 많을 때 나타나며 세포(지방, 근육)는 공복 시 에너지 공급을 위해서 세포 자신에게 할 수 없었던 일(세포의 증식, 성장, 생존)을 수행하게 되는 것입니다. 인슐린의 이런 작용은 결국에 혈중의 포도당 수치가 낮아지게 됩니다.

3) 맺음말
동화작용(anabolism)을 다른 말로 한다면 에너지의 축적이라고 볼 수 있습니다. 식물은 태양에너지를 축적할 수 있습니다. 이산화탄소와 물을 그리고 태양에너지를 축적해서 만든 것이 바로 포도당입니다. 인체에 있는 모든 것 간, 폐, 신장 등 모든 장기 그 장기를 이루는 세포 그리고 세포 속에 있는 모든 세포소기관도 에너지가 축적된 결과입니다.
생명은 생명을 유지하기 위해서 반드시 기본적으로 해야 하는 것이 있습니다. 그 중에 눈에 보이지 않지만 반드시 하는 것이 체온의 유지입니다. 체온을 유지하기 위해서 에너지를 반드시 소모(이화작용 catabolism)해야 하며 인체는 소모된 에너지를 축적하기 위해서 음식을 먹습니다. 섭취한 음식을 인체에 동화(anabolism)하기 위해서 나오는 호르몬이 인슐린입니다. 인슐린은 성장호르몬과 더불어 동화작용을 도와주는 대표적인 anabolic hormone(단백 동화 호르몬)입니다. 근육과 지방세포는 평상시(혈당이 100mg/dl이하)에는 포도당 공급이 최소한으로 받다가 음식을 섭취하게 되면 인슐린의 도움으로 풍부한 포도당의 공급을 받게 됩니다. 이 때 근육과 지방세포는 많은 동화작용(anabolism)을 수행하게 됩니다. 즉 근육과 지방세포의 성장, 증식, 생존을 하게 되는 것입니다.
인슐린은 혈당(100mg/dl이상)에 민감하게 반응을 하면서 나오는 호르몬입니다. 하지만 인슐린이 동화작용을 하기 위해서 필요한 것이 포도당만은 아닙니다. 인슐린이 제대로 동화작용을 하기 위해서는 반드시 아미노산, 지방, 비타민, 미네랄 등 많은 영양소가 필요합니다. 포도당만 섭취해도 인슐린은 반응하지만 이 섭취로는 근육과 지방세포에 제대로 된 에너지 축적 동화작용(anabolism)이 일어나지 못합니다. 이렇게 되면 공복 시 에너지 공급에 문제가 발생하게 되고 인체는 더 자주 음식을 공급 받아야 합니다. 아미노산이나 다른 영양소의 공급이 부족한 상태에서 포도당만 주로 공급된다면 근육과 지방세포에서 더 이상 동화작용이 일어나지 못하고 인슐린은 제 기능을 할 수 없는 상황이 되는 것입니다.
인슐린은 혈당을 내려주는 강력한 호르몬입니다. 조금 더 정확히 말하면 혈당이 올라가게 되면 분비되는 인슐린은 근육과 지방세포의 동화작용을 일으키는 강력한 호르몬입니다. 그리고 인슐린의 동화작용으로 혈중 포도당은 감소하게 됩니다. 혈당이 일정수준(100mg/dl)으로 떨어지게 되면 인슐린의 분비는 멈추고 근육과 지방세포의 동화작용도 멈춥니다. 그리고 근육과 지방세포에 저장된 에너지를 이용해서 공복 시 인체에 필요한 에너지를 공급합니다.
높은 혈당을 내리기 위해서 인슐린은 필수입니다. 인슐린이 제대로 작용하기 위해서는 수많은 영양소가 필수입니다. 당뇨, 내당능 장애, 대사증후군으로 고생하는 분들에게 인슐린이 제 기능을 하게 도와주는 것은 매우 중요합니다. 이 분들에게 단순하게 포도당과 인슐린만의 관계만 놓고 보면 도와줄 것이 별로 없습니다. 그저 혈당강하제나 인슐린을 주사로 투여하는 정도의 도움만 줄 수 있을 것입니다. 하지만 인슐린이 anabolic hormone(단백 동화 호르몬)이라는 것을 이해하고 인체가 동화작용을 하기 위해서 필요한 영양소에 대한 이해, 그리고 환자가 필요한 영양소가 무엇인지 고민한다면 많은 도움을 줄 수 있습니다.