인슐린은 인체의 주요 동화호르몬

신창우 약사 한국의약통신l승인2019.10.02 06:00:05

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음식 섭취 혈중 포도당 증가로 분비돼 수용체에 결합해 작용

인슐린 저항성 자가면역 당뇨병에 기여할 수 있어

1) 인슐린과 대사

인슐린은 인체의 주요 동화호르몬(anabolic hormone)으로 탄수화물, 지방, 단백질의 대사를 조절한다. 특히 혈액에서 증가한 포도당을 간, 지방 및 근육 세포로 흡수되는 것을 촉진한다. 세포에 흡수된 포도당은 글리코겐(glycogen) 또는 중성지방으로 전환된다.

▲ 그림1 인슐린의 신호전달 및 작용

혈중 인슐린 농도가 증가하면 간은 포도당신생반응(gluconeogenesis)을 억제하고, 혈액에 있는 작은 분자를 세포 안으로 이동시킨다. 이러한 인슐린의 작용은 다양한 조직에서 단백질의 합성(anabolism)에 영향을 미친다. 인슐린은 음식 섭취 및 혈중 포도당 증가로 분비되고, 인슐린 수용체(insulin receptor)에 결합하여 그림1과 같은 작용을 한다.

▲ 그림2 음식 섭취와 인슐린의 작용

그림1, 2에서 보는 것처럼 인슐린의 포도당신생반응(gluconeogenesis) 억제는 인슐린의 직접적인 반응이 아니고, 음식의 섭취에 의해 간문맥을 통한 포도당 유입의 증가와 혈중 포도당이 증가하면서 포도당 신생반응이 필요가 없기 때문이다.

▲ 그림3 공복 상태의 인체 대사

반대로 공복상태(그림3 참고)이거나 혈중 포도당이 낮아지면 인슐린의 분비는 감소하고, 많은 조직에서 이화반응이 일어난다. 이화반응은 인슐린에 의해 축적된 중성지방, 단백질 및 글리코겐의 분해가 일어나는 것으로 이화반응으로 생성된 물질(lactic acid, amino acid, fatty acid)은 조직의 에너지 및 포도당신생반응에 필요한 포도당 전구체로 사용된다. 포도당 전구체 및 지방산은 포도당신생반응(gluconeogenesis)에 중요한 물질이고, 이 반응은 주로 간에서 일어난다.

2) 식후 대사와 공복 대사의 공통점 및 특징

식후 대사(그림2)와 공복 대사(그림3)의 가장 큰 차이는 영양소의 외부 공급과 인슐린 분비이다. 그럼 이 두 대사의 공통점은 무엇이 있는지 보겠습니다.

① 혈중 포도당은 일정하다. (glucose homeostasis)

식후 혈당은 140mg/dl까지 올라갈 수 있고, 식전 혈당은 100mg/dl까지 내려갈 수는 있으나 일정하게 이 수치를 벗어나지 않고 조절된다.

② 포도당은 확산에 의해 이동한다.

포도당은 포도당수용체(glucose transporter, GLUT)를 통해 세포막을 통과하지만 포도당의 이동은 ATP 소모가 없는 확산에 의한 이동이다.

③ 식후 대사와 공복 대사에서 산소 공급의 변화는 없다.

섭취한 음식이 산화하는데 반드시 필요한 것이 산소이다.

fuel energy + O2 + ADP + Pi → CO2 + H2O + ATP, 열(heat)

음식을 섭취한다고 숨이 차거나 몸에 열이 오르진 않는다. 즉 산소의 섭취를 증가하지 않고, ATP의 생산도 크게 변하지 않는다는 것이다.

④ 인체의 상태와 상관없이 신경세포와 신장수질(renal medulla)은 에너지로 포도당을 사용한다.

신경세포와 신장수질은 인슐린에 의존성 포도당 수용체(GLUT4)의 발현이 아니라 인슐린 비의존성 포도당수용체(GLUT1, 3)가 존재한다. 신경세포와 신장수질은 음식섭취와 상관없이 일정하게 포도당을 소비한다.

⑤ 식후에 포도당 동화반응(glucose anabolism)이 증가한다.

포도당은 [glucose + O2 + ADP + Pi → CO2 + H2O + ATP, 열(heat)]로 이어지는 에너지 대사 외에도 인체를 구성하는 물질로 전환된다. 식후에 모든 세포는 포도당 및 다양한 영양소가 이동이 되고, 포도당은 핵산의 ribose, 결합조직의 glycosaminoglycans(GAGs), 아미노산 이동(transamination)에 필요한 탄소골격인 oxaloacetate와 α-ketoglutarate 등으로 전환된다. 그리고 잉여의 포도당은 글리코겐, 중성지방 등으로 저장된다.

▲ 공복대사와 식후대사의 비교

3) 대사는 관계를 통해서 완성된다

① 포도당 항상성(glucose homeostasis)

음식을 섭취하게 되면 인슐린이 분비되고, 포도당 수용체(GLUT4)가 발현되면서 모든 세포에 영양소의 이동과 동화반응(anabolism)이 증가한다. 반대로 공복상태에서는 동화반응이 억제되고, 저장된 에너지(중성지방, 글리코겐, 단백질)의 이화반응(catabolism)을 통해 생명 기능을 유지한다.

이러한 인체의 대사는 포도당만 에너지로 사용하는 신경세포, 신장수질 및 적혈구를 위한 반응이다. 또, 포도당은 확산에 의해 이동을 함으로 세포(신경세포, 신장수질)에 안정적인 공급 및 세포의 기능 수행을 위해 혈중 포도당농도(100mg/dl)를 일정하게 유지시킨다.

▲ 그림4 공복 대사에서 포도당 및 물질의 흐름

② 인슐린 저항성(insulin resistance)

인슐린 저항성은 세포가 인슐린에 정상적으로 반응하지 않는 병리학적 상태이다. 이 조건에서 포도당은 말초조직으로 이동이 어렵고, 혈액에 높은 농도의 포도당으로 인해 췌장 베타세포는 더 많은 인슐린을 분비한다.

인슐린 저항성은 잠재적인 2형 당뇨병, 비만 또는 베타세포 파괴에 의한 자가면역 당뇨병에 기여할 수 있다. 2형 당뇨병을 앓고 있는 사람들은 진단을 거치지 않지만 인슐린 저항성과 당뇨 전 단계를 거치게 된다. 또한 인슐린 저항성은 인슐린 활성 감소로 인한 증상으로 대사 증후군(metabolic syndrome)과도 밀접한 관계를 가지고 있다. 인슐린 저항성이 있는 사람은 보통 혈중 포도당 농도가 100mg/dl ~ 140mg/dl보다 높은 수준(126mg/dl ~ 200mg/dl)에서 조절된다.

③ 모든 반응은 생존을 위해 움직인다

만약 혈중 포도당은 충분하지만 포도당의 완전 산화에 문제(glycolysis, TCA cycle, 전자전달계)로 인해 ATP생성 감소가 발생한다면 어떤 결과가 나타날까?

신경의 ATP감소는 저혈당과 같은 증상이 나타나게 된다. 배고픔, 힘이 없고, 신경과민, 감정의 불안정, 식은땀 두통 등이 나타나고, 포도당 공급을 위해 지나친 교감신경의 흥분(gluconoegenesis를 올리기 위한)으로 수면장애(악몽, 식은땀), 삼장박동이 올라가고, 신경기능의 감소(ATP감소)로 걷기가 힘들고, 감각신경에 문제가 발생하게 된다.

▲ 그림5 신장과 네프론

신장수질(renal medulla)의 ATP 감소는 물의 재흡수에 문제가 발생한다. 신장수질에는 헨레 루프(loop of henle)와 집합관(collecting duct)이 있다. 헨레 루프에서 물을 재흡수하여 소변을 농축하는데 ATP 감소는 Na+/K+ pump의 기능이 저하로 나타나고, 물의 재흡수가 일어나지 않아 여과액의 NaCl 농도가 낮아진다. NaCl의 농도가 감소하면 신장은 사구체여과율이 감소했다고 인식하고, 신장의 피드백 시스템은 레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템(renin-angiotensin-aldosterone system)을 자극하여 혈압을 올리고, 사구체 여과율을 증가시킨다.

④ 흐르는 것을 보면 문제를 알 수 있다.

신경세포와 신장수질에서 포도당의 완전산화는 해당반응(glycolysis)과 TCA cycle, 전자전달계로 이어지면서 나타난다.

▲ 그림6 glycolysis 첫 번째 단계

우선 포도당 수용체(GLUT)는 양방향성을 가지고 있고, 포도당을 세포내에 머물기 위해서는 포도당을 glucose-6-phosphate로 전환시켜야 한다. 이 반응이 해당반응(glycolysis)의 첫 번째 단계가 된다. 여기에 반드시 필요한 것은 효소 hexokinase와 ATP가 필요하고 이 반응을 촉매 할 마그네슘(Mg)이 있어야 한다.

포도당이 충분한 에너지를 생성하기 위해서는 해당반응을 거쳐 반드시 TCA cycle과 전자전달계를 거쳐야한다. 이 때 반드시 필요한 과정이 바로 pyruvate가 acetyl-CoA(그림4 참고)가 되는 것이다. 이 과정에 효소 pyruvate dehydrogenase complex(PDC)와 cofactor로 thiamine pyrophosphate(TPP)가 반드시 필요하다.

마그네슘의 결핍증에는 근육경련, 심장질환, 불안, 흥분, 우울증, 현기증, 신경과민 등이 있고, 비타민B1의 결핍증에는 컨디션, 집중력, 신경기능 저하, 근위축, 당대사 장애 및 각기병이 있다.

인체의 모든 대사는 관계를 가지고 있다. 눈꺼풀 떨림에 마그네슘을 많이 사용하는 것은 인체의 대사관계에 따라 사용하는 것이고, 비타민 B1이 포도당 대사를 증가시켜주는 것도 인체의 대사관계에 의해서 나타나는 것이다.

여기에 포도당 동화반응(glucose anabolism)과 관련된 많은 영양소도 혈중 포도당의 일정한 공급 및 포도당 이화반응에 많은 기여를 할 것이다. 이러한 cofactor를 포함한 인체의 대사와 호르몬의 관계를 통해 호르몬 작용과 인체의 대사를 이해할 수 있게 된다.

참고문헌

위키피디아 검색 : insulin, insulin receptor, insulin resistance

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