약사, 물질 위에 서다⑪

신창우 약사 신보람 기자l승인2019.12.10 06:00:00

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대사(anabolism & catabolism)는 인체를 만들고, 기능을 유지한다.
인체의 모든 구조는 엔트로피(entropy, 무질서도)가 증가하는 방향으로 움직인다.

도덕경 4장과 열역학 법칙과 비교하여 다음과 같이 해석해 보았습니다.

 

▲ 열역학 법칙과 신진대사

열역학 법칙(law of thermodynamics)은 열과 일에 관한 법칙으로 우주에 있는 모든 것에게 똑같이 적용되는 법칙이다. 특히 열역학 제2법칙은 “엔트로피는 증가 한다“로 설명된다. 생명도 열역학 법칙을 따르지만 영양소 섭취 및 에너지 소비(체온 36.5℃)를 통해 구조의 유지와 생명의 기능을 수행한다.

1) 대사(metabolism)
대사는 유기체의 생활, 성장, 번식 및 환경의 적응을 할 수 있게 하는 생화학적 과정이다.

▲ 인체의 대사- △G : Gibbs free energy

인체에 흡수된 영양소는 에너지(NADH, NADPH, ATP)로 전환되는 이화반응(catabolism)과 영양소를 생체분자(biomolecule)로 전환시키는 동화반응(anabolism)을 거친다. 인체에서 일어나는 이화반응과 동화반응을 깁스자유에너지(Gibbs free energy, △G)로 바꾸면 0보다 작다. 즉, 생체분자의 생성은 엔트로피가 감소하는 반응이지만 이화반응에 의해 생성된 에너지를 이용해서 생체분자를 만들고, 이화반응에 의해 생성된 에너지를 이용하기에 열역학 법칙에 어긋나지 않는다.

2) 펠라그라(pellagra)
니아신(niacin)의 가벼운 결핍은 감기에 대한 내성을 감소시키고, 결핍이 심해지면 피부발진(Dermatitis), 위장염(Diarrhea), 인지 기능 저하(Dementia)의 증상을 나타내는 펠라그라를 일으키고, 치료하지 않는 경우 사망(Death)을 초래하는 4D를 특징으로 한다.

니아신 결핍증은 옥수수를 주식으로 하는 지역에서 흔하며, 선진국에서는 알코올 중독증, 거식증, 마약 중독자에서 발생한다고 알려져 있다. 국내에서 보고된 대부분의 경우는 알코올 중독증과 관련 있었고, 고아원의 정신박약 아이들에서 보고된 바 있었으며, 폐결핵 치료중 isoniazid에 의해 발생한 1예가 있었다.

많은 연구에 따르면 신체는 7~10년마다 새로운 세포로 대체되고, 주요한 부분은 더 빠르게 바뀐다. 또, 세포내 단백질도 시간이 되면 교체된다. 단백질의 합성과 분해의 균형은 건강과 세포의 기능에 중요하다. 펠라그라의 증상과 인체 회전율(body turnover rate)을 비교하여 그림2와 같이 정리해 보았다.

▲ 펠라그라 증상과 body turnover time

① 높은 회전율(피부, 소화기)
인체의 세포는 서로 다른 세포 재생율을 가지고 있다. 인체의 외부에 해당하는 피부표피세포 및 소화기계의 혀, 위, 소장상피세포는 짧은 세포주기를 가지고 있다. 니아신 결핍은 피부표피세포 손상 및 소화기계 세포의 문제로 구강염증, 혀 염증, 소화불량 및 설사가 나타난다.

② 높은 에너지 요구(신경계)
NAD는 수소이온 및 전자를 전자전달계로 이동시켜서 ATP를 생성하는데 중요한 역할을 하고, NADP는 지질 및 핵산 합성 등 동화반응에 필수인자이다. 뇌 및 신경세포에 에너지가 소비가 높고, 세포 분화가 일어나지는 않지만 단백질(protein turnover) 및 많은 생체분자는 변하게 되어 있다. 니아신 부족은 에너지 부족 및 지질 핵산 등 생체분자의 교체 시기가 늦어진다. 운동실조, 사지마비, 정신혼란, 수면장애, 허약함, 말초신경장애 등 신경계 에너지 부족 및 기질 손상에 의한 증상이 나타난다. 심각한 니아신 결핍은 신경증상을 악화시키고, 치매 증상이 나타난다.

③ 신체 회전율(body turnover rate) 문제
확장형 심근병증(dilated cardiomyopathy)은 심장이 커지고 혈액을 효과적으로 순화시킬 수 없는 상태이다. 정확한 원인은 불분명하지만 주요 원인으로 유전(genetic), 알코올, 코카인(cocaine), 특정 독소, 임신 중독증 및 특정 감염이 포함된다. 또, 니아신 결핍증의 증상에 확장형 심근병증과 부종이 있다.

알코올과 코카인 중독에 의한 영양불량, 임신 중독증 및 특정 감염에 의한 대사 증가 그리고 니아신 결핍에 의한 대사 감소는 신진대사의 문제로 볼 수 있다. 즉, 인체에 필요한 대사의 감소는 단백질, 세포 및 신체 회전율(body turnover rate)의 감소를 일으킨다. 대사의 감소는 심근세포 회전율(turnover rate)을 감소시키고, 손상된 심근세포 제거가 늦어지면서 확장형 심근병증이 나타나고, 확장형 심근병증으로 인해 부종과 호흡곤란, 흉통까지 야기된다.

3) 니아신(niacin)
인체의 니아신은 트립토판(tryptophan)에서 생합성 되고, 섭취한 음식에서 흡수된다. 니아신은 인체에서 산환환원 반응의 조효소(coenzyme)인 NAD와 NADP로 작용하고, NAD는 NAD+ kinase에 의해 NADP로 NADP는 NADP phosphatase에 의해 NAD로 전환된다.

① NAD와 NADP
NAD와 NADP는 많은 탈수소효소(dehydrogenase)에 대한 코엔자임으로 작용하여 수소이온과 전자의 전달 과정에 참여한다. NAD는 지방, 탄수화물, 단백질 및 알코올의 이화작용뿐만 아니라 세포 신호전달 및 DNA 복구에 사용되고, NADP는 지방산, 콜레스테롤 및 핵산 등 동화반응에 중요하다.

▲ NAD와 NADP의 비교
▲ NAD와 NADP의 비교

② 대사의 감소
니아신 결핍은 에너지 부족(높은 에너지 요구량, 신경계)과 조직의 손상(높은 회전율, 피부, 소화기)으로 나타난다. 니아신 결핍은 이화반응(catabolism)의 감소와 동화반응(anabolism)의 감소가 나타나고, 이것은 인체 전체의 대사(metabolism) 감소를 의미한다.

인체도 열역학 법칙의 지배를 받고, 인체의 모든 구조는 엔트로피(entropy, 무질서도)가 증가하는 방향으로 움직인다. 생명은 대사를 통해 인체의 구조를 만들고, 기능을 유지한다. 니아신 부족이 반드시 펠라그라로 연결되지 않는다 하여도, 인체의 구조와 기능에 문제를 일으킬 수 있다.

또, 인체의 대사에는 vit A, C, D, E, B군, 미네랄, 아미노산, 지방산 등 많은 영양소가 필요하다. 생명은 항상 변하고, 변화의 이상과 조직의 손상을 질병이라 하지만, 약사는 다양한 물질을 통해 생명이 올바른 방향으로 흐를 수 있게 도움을 주어야 한다.

▲ 인체 대사의 흐름

변화는 보이지 않으나 존재하고, 생명은 변화를 통해 변하지 않게 한다.

생명의 대사는 구조를 만들고, 기능을 유지하며, 생화학을 통해 변화를 이해하고, 약사는 변화를 통해 변하지 않게 도와준다.

 

신보람 기자  pharmacy@binews.co.kr
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