인슐린·카테콜라민칼륨, 칼륨 이동에 중요한 요인
세포간질의 칼륨 축적…근육 흥분성 제한해 피로 유발
#. 문근영은 1987년 생으로 2000년 KBS 드라마 가을동화에 아역으로 출연 이후 영화 어린신부에 출연하면서 최초로 ‘국민 여동생’이라는 칭호를 받게 된다. 많은 활동과 선행을 하던 그녀에게(2017년) 급성 구획 증후군(Acute Compartment Syndrome)이라는 질병이 찾아온다. 치료를 마친 그녀는 유리정원으로 다시 활동을 시작하게 된다. 그녀가 최근 한 방송에서 다음과 같이 말을 한다.
“큰 파도든 작은 파도든 담담하게 그냥 살면 되는 건데…”
이유를 가지고 사는 경우는 없을 것이다. 그냥 태어나서 사는 것이니까. 삶을 담담하게 산다는 것은 어떤 변화가 있어도 그것을 긍정하다는 의미일 것이다. 변화를 긍정하고, 그 안에서 내가 할 수 있는 일을 하면서 산다는 그런 뜻이 아닐까.
삶에는 정답이 없다. 정답이 없기에 삶을 바라보는 시각이 다르고, 가치관 또한 다르다. 하지만 삶을 살아가는 사람은 조금 다르다. 사람마다 개인차는 있으나 거의 같은 것이 있다. 바로 항상성이다.
혈청 pH 7.4 ([H+] = 10-7.4= 0.000000040mol/L = 0.000040mmol/L = 0.040μmol/L = 40nmol/L)
혈청 칼륨농도 [K+] = 3.5~5.0mmol/L(3.5~5.0mEq/L)
혈청 나트륨농도[Na+] = 135~145mmol/L(135~145mEq.L)
인체에서 미량의 원소도 무시되는 경우는 없으며 반드시 일정 농도를 지켜야 한다. 만약 농도에 문제가 발생하면 acidosis, alkalosis, hyper(hypo)kalemia, hyper(hypo)natremia 등이 나타나며 전신에 영향을 미치고 다양한 문제가 나타나게 된다.
전해질과 수소이온은 음식을 통해서 인체에 들어오고, 대사를 통해서 다양한 이동과 배설을 한다. 세포에는 많은 이온채널(ion channel)이 있고, 인체의 많은 대사는 전해질 및 수소이온과 관련을 가지고 있다.
1) 칼륨의 이동(potassium shift)
세포내 칼륨은 세포외부에서 공급을 받고, 세포외부를 통해서 배설이 된다. 이러한 이동에도 불구하고 세포외 칼륨의 농도는 3.5~5.0mEq/L이고, 세포내에는 약150mEq/L이다.
70kg인 성인은 약 2800~3500mmol(110~137g)의 칼륨을 섭취하는 것으로 추정한다. 섭취된 칼륨은 주로 소변(80~90%)으로 배출이 되고, 나머지는 대변과 땀(10~20%)으로 배설된다. 신사구체(glomerulus)에서 여과된 칼륨은 신장 세관(kidney tubules)에서 재흡수 된다. 세포외 칼륨 농도가 높은 경우 알도스테론의 작용으로 칼륨을 소변으로 분비한다.
① Na+/K+ ATPase
거의 모든 세포는 Na+/K+ ATPase를 가지고 있으며 나트륨을 세포 밖으로 내보내고 칼륨을 세포 안으로 들어오게 한다. 신장은 혈장 칼륨 조절을 일차적으로 책임지나 몇 시간에 걸쳐서 이루어진다.
세포외 칼륨 농도의 변화에 대한 초기 완충작용은 세포(특히 골격근)에서 이루어지고, 세포 내 칼륨은 인체에서 칼륨 손실이 있는 경우에 생기는 세포내 칼륨이 세포외 칼륨의 농도 감소를 제한하는 저장소 역할을 한다. 정상적인 상태에서 칼륨의 이동에 중요한 요인은 인슐린(insulin)과 카테콜라민(catecholamines)이다.
식후 인슐린의 분비는 혈청 포도당 농도를 조절할 뿐 아니라 식이 칼륨을 세포로 이동시킨다.
골격근은 식이 칼륨의 1차 저장소 역할을 하고, 섭취한 칼륨의 70%이상(약 2600mmol)을 저장한다. 골격근에 칼륨의 이동은 Na+/K+ ATPase에 의해서 가능하다. 식후 췌장 β-세포의 ATP-sensitive K+ channel에 의해서 분비되는 인슐린에 의한 신호전달은 GLUT4와 Na+/K+ ATPase를 세포막에 증가시키고, 포도당과 칼륨의 골격근내 유입을 빠르게 증가시킨다.
골격근은 많은 Na+/K+ ATPase를 가지고 있고, 인슐린에 의한 Na+/K+ ATPase pump 활성 증가와 PI3-K와 aPKC 경로에 의한 발현 증가는 세포내 칼륨 유입량을 134mmol/min 정도까지 증가시킨다.
또한 인슐린은 억제성 FXYD1 단백질의 인산화를 유도하여 Na+/K+ ATPase의 활성을 증가시킨다.
카테콜라민(catecholamines)에 의해 자극되는 β2-adrenergic receptor와 인슐린은 골격근에서 Na+/K+ ATPase의 활성을 자극하여 칼륨의 세포내 섭취를 유도한다. 그림3과 같이 서로 다른 경로를 가지고 있다. 인슐린에 의한 자극은 PI3-K와 PDK1의 활성화에 의해 펌프의 활성을 증가시키고, β2-adrenergic receptor의 자극은 cAMP 및 PKA 경로를 통해 펌프(pump)의 활성을 증가시킨다.
카테콜라민은 세포내 칼륨유입을 조절하는데 α-adrenergic receptor는 세포내 칼륨유입을 억제되고, β-adrenergic receptor는 칼륨의 세포 유입을 촉진한다.
정상적인 상황에서 활동(exercise)은 골격근과 세포간질(interstitial space) 사이에 칼륨의 이동과 관련이 있다. 세포간질의 칼륨 증가는 심한 활동으로 10~12mM 정도로 높일 수 있다. 세포간질의 칼륨 축적은 근육의 흥분성 및 수축력을 제한하여 피로를 유발하는 요인이다.
또, 세포간질 칼륨의 증가는 빠른 혈관 확장을 유도하고, 근육 활동에 필요한 혈류량을 증가시킨다. 활동 중 카테콜라민의 방출에 의한 β2- adrenergic 자극은 세포외액을 칼륨농도의 상승을 제한하고, 근육수축에 의한 칼륨농도의 변화를 정상화시킨다.
인체에 총 칼륨의 부족은 세포간질의 칼륨 축적을 둔화시킬 수 있으며, 골격근으로 혈류가 제한되면 저칼륨혈증(hypokalemia)와 횡문근 융해증(rhabdomyolysis)과 연관성이 있다.
② 대사성 산증과 칼륨
혈장의 긴장도(또는 장력, tonicity)와 산-염기(acid-base)변화는 세포내의 칼륨 균형에 영향을 미친다. 고혈당은 삼투압 변화로 세포내에서 세포외로 물을 이동시키고, 물의 이동으로 세포는 수축이 되고, 세포내 칼륨농도가 증가한다. 세포내 칼륨농도의 증가는 칼륨을 세포외로 쉽게 유출시킨다.
미네랄 산(mineral acid, nonorgainic acid)의 증가는 칼륨이 세포외로 이동 시키는 원인이 된다. 산증에 의한 칼륨의 세포외 이동은 K+/H+ 교환에 의해서 나타나는 것보다 골격근에서 세포 pH를 정상적으로 조절하는 것과 관련이 있다.
미네랄 산에 의한 산증은 NHE1(Na+/H+ exchange)을 감소시키고, NBCe(Na+/3HCO3- cotransport)의 속도를 감소시킨다. 세포내 나트륨은 감소하고 Na+/K+ ATPase의 활성을 감소시켜, 세포내 칼륨 유입이 줄면서 세포외 칼륨의 증가를 가져온다. 또한 세포외 HCO3-의 농도 감소는 HCO3-와 Cl-의 교환을 증가시키고, K+과 Cl-의 수송에 의한 칼륨 유출을 더욱 가속시킨다.
유기산의 증가에 의한 대사성 산증은 칼륨 손실이 적다. 유기산의 증가는 MCT(monocarboxylate transporter)를 통한 유기 음이온 및 수소이온의 세포내 이동을 가속시킨다. 산의 축적은 세포내 pH의 감소를 초래하고, Na+/H+ exchange 및 Na+/3HCO3- cotransport에 의한 나트륨의 세포내 이동을 자극한다. 세포내 나트륨의 축적은 Na+/K+ ATPase의 활성을 유지함으로서 세포외 칼륨 농도의 변화를 최소화 한다.
참고문헌
CJASN(clinical journal of american society of nephrology),
A Critically Swift Response: Insulin-Stimulated Potassium and Glucose Transport in Skeletal Muscle, 2011년 6월
Regulation of Potassium Homeostasis, Biff F. Palmer, 2015년 10월