호르몬, 신호전달물질

예전에 밴드에 분자 생물학과 관련된 여러 게시를 하였었다. 그때는 주로 전사, 번역, 에너지 대사를 살펴보았다. 이 과정은, DNA 설계도로부터 mRNA 설계도를 복사하고 이를 토대로 단백질을 합성하며, 이 과정에서 필요한 에너지를 어떻게 얻는지에 관한 내용이다. 그러면 이러한 과정은 누가 trigger하느냐, 즉 언제 단백질 합성을 시작할지를 결정하느냐에 관한 것도 쉬운 얘기는 아니다. 이것이 바로 cell signaling이라는 의/생물학 분야에서 연구하는 주제이다.

인체는 수많은 세포들과 그들이 이루는 분업적인 사회의 연합체이다. 어떤 세포들은 혈관으로 어떤 세포들은 간, 위, 폐로 어떤 세포들은 뇌로… 각각이 맡은 분업적 구조를 위하여 필요한 기관으로 분화한다. 망막, 청각, 감각 세포들은 주변 상황으로부터 각각 빛, 소리, 압력을 이용하여 정보들을 받아들이고 뇌세포들은 이 정보들을 종합하여 세상에 대한 그림을 그린 후 포식자를 피하고 먹이감을 찾는 전략을 세우고 실행한다. 근육 세포들은 손과 발의 움직임을 만들어 먹이감을 포획하여 내 몸 안(??)으로 넣고, 소화기관들은 그들을 모두 분자 단위로 분해하여 에너지원과 건축 자재를 회수한다.

이들 분업 사회가 각자의 이익만을 위해서 행동한다면 인간은 수초도 생명을 유지하기 어려울 것이다. 이들은 정교한 피드백 메커니즘에 의해서 스스로 안정점을 찾아가는데, 이 과정에서 의식은 큰 도움이 되지 않는다. 생명 유지의 대부분의 동작은 대뇌의 통제를 받지 않는 소뇌에서 수행하고 많은 동작은 불수의근에 의해서 의식 범위 밖에서 동작한다. 우리가 추워서 체온을 38도로 높이고 싶어도, 그렇게 간절히 원해도 그것을 의식적으로 조절할 수는 없다. 의식이 없는 수면 상태에서도 호흡은 유지되며, 코로나균이 침입하면 뇌세포가 파괴될 지경에 이르러도 다른 세포들을 보호하기 위하여 체온을 40도로 상승시켜서 전쟁을 치른다.

분업화 사회에서 서로 간의 통신은 각자의 임무에 못지 않게 중요한 것인데, 이러한 통신 수단은 신경세포를 통한, 즉 전선을 통하여 직접 연결될 수도 있고, 때로는 신경전달 물질(neuro transmitter, NT) 혹은 호르몬(hormone)에 의해서 전달된다. 혹은 신경조절 물질(neuro regulator, NR) 까지 포함하여 3가지를 얘기하고 한다. NT는 시냅스 연결간에 전달되는 화학물질을 칭하며, 호르몬은 송과선/뇌하수체/췌장/난소/고환/갑상선/시상하부/부신등 여러 기관의 내분비샘(endocrine)에서 분비되어 혈액을 통해서 각 기관들에 전달된다.

대표적으로는 성장(growth hormone, GH), 혈당조절(Insulin hormone,IH), 대사조절(부신피질,Adrenal cortex hormone, ACH), 성징 발현(sex hormone, 안드로겐, 테스토스테론, 에스트로겐)등에 관여한다. 자료들을 보면 신경전달물질과 호르몬의 차이를 혼용하여 사용하는 경우가 상당히 많기에 어떤 자료들은 호르몬을 신경 전달물질에 포함시키기도 한다.

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와이프가 요즘 유튜브 채널로 여성 호르몬에 관한 내용을 자주 찾아보고 있다. 여성들은 폐경 후, 호르몬 불균형으로 인한 여러가지 갱년기 현상을 겪게 되고, 이로 인한 노화가 촉진된다. 최근 여러 연구 결과들이 이의 치료 방법으로 여성 호르몬 치료를 권장하고 있다. 부작용은 유방암/자궁내막암을 유발할 수 있다는 것인데, 두 암의 경우 가족력이 주요한 요인이기에 가족력이 없는 사람들에게 주로 권하는 듯하다. 물론, 인체는 복잡계이므로 아무런 증상이 없는데 부작용이 우려되는 치료를 예방적 목적으로 받을 필요는 없을 것이다.

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호르몬은 signaling molecule, 즉, 신호 전달 물질을 통칭하는 용어이다. 인체 내부의 분비선(gland)에 의해서 혈액에 분비되며 혈관을 타고 타 세포에 신호를 전달하여 앞서 얘기한 여러 과정들이 발생하게 한다. 내분비선 (encocrine gland)에는 pineal, thymus, pituitary, thyroid, adrenal gland들이 있다. 각각 송과선/흉선/뇌하수체/갑상선/부신에 해당한다. 호르몬은 상응하는 수용체와 결합하고 연쇄적인 생화학 반응을 유발한다. 그러한 반응의 결과는 많은 경우 세포내의 mRNA전사를 자극하여 단백질 생성을 자극/억제한다.

호르몬은 구조가 아니라 기능에 의해서 명명된 것이기에 특정한 한두 종류의 화학식으로 간단히 표시할 수는 없다. 그러나 기본 구조에 따라 몇가지로 분류는 가능하다. 그것들은 각각 아미노산(아민), Eicosanoid, 펩티드(peptide), 스테로이드 계열이다. 위키에 보면 인간에게서 발견되는 호르몬의 종류가 표로 정리되어 있고 이 중, 다수는 한 번씩은 이름을 들어본 것들이다.

1.아미노산 계열: 에피네프린(노르에피테프린), 멜라토닌, 도파민, 티록신 등이 이에 해당한다.
2.에이코사노이드 계열: 별로 들어본 내용은 없고 주로 혈관 수축/확장/투과성에 관련된다. Prostaglandins, Leukotrienes, Prostacyclin, Thromboxane등이 이에 속한다.
3.펩티드 계열: 가장 종류가 많다. 이중 익숙한 몇가지만 들면 Glucagon(혈당증가), Growth hormone (성장), Insulin(혈당조절)
4.스테로이드 계열: 부신 피질 호르몬이라고 보통 얘기한다. 근육 벌크업에도 사용되며, 우리에게는 주로 심각한 부작용들로 많이 알려져 있다. 안드로겐(남성호르몬), 에스트로겐(여성호르몬), 코티솔(포도당 생성, 면역), 프로게스토겐(임신)등이 이에 속한다.

호르몬은 세포간 신호 전달 물질로 이것은 신경전달 물질 (neurotransmitter)들과 혼동이 오기도 한다. 둘 다 세포간 신호 전달 물질이긴 하지만, 신경 전달 물질은 신경과 신경 사이의 짧은 경로에 적용되는 물질을 특정하며 호르몬은 여러 분자 반응을 거쳐서 간접적으로 효과가 나타남에 비해, 신경 전달 물질은 즉각 반응을 나타낸다는 점이 차이일 것이다. 또한 신경 전달 물질은 on/off 형태의 디지털 신호인 반면, 호르몬은 그 양에 따라 효과가 결정되는 아날로그 신호의 형태라는 차이점도 있다. 호르몬은 혈액을 타고 장거리에 영향을 주는데 비해, 신경 전달 물질은 주로 시냅스 사이의 신호 전달에만 사용되는데, 자료들에 따라 이 둘을 정확히 구분하지 않고 사용하는 자료들이 많다.

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나이가 들면 대부분 혈당 수치가 높아진다. 혈당체크는 보통 공복 혈당과, 식사 후 혈당을 측정하는데 공복 혈당은 말 그대로 아무것도 먹지 않아도 혈당내에 평균적으로 존재하는 당의 수치인데 100이하가 정상이고 100~125정도이면 공복혈당 장애, 125이상이면 당뇨병으로 진단된다. 나이가 들면서 자연스럽게 공복혈당이 상승하기에 노인들이 100~125의 공복혈당을 유지한다면 그것은 큰 문제가 안된다. 식사 후 2시간에 측정하는 혈당수치가 140이하이면 정상이고 140~180정도이면 내당능 장애라고 진단하고 그 이상이면 당뇨로 취급된다.

혈액내 당수치가 증가하면 말단 미세 혈관들을 통한 영양/산소 공급이 원활하지 않아서 조직들이 시름시름 앓기 시작한다. 심한 경우 수족이 썩게 되고, 신장이 망가지고, 뇌혈관이 막혀서 치매에 들기도 한다. 몸의 물류 체계가 망가져서 자원을 공급받지 못하면, 세포들은 사망할 수 밖에 없다. 당뇨의 정확한 원인을 간단히 알기는 어렵지만 많은 경우 인슐린 수용 세포의 노화나 이상을 꼽는다.

인슐린은 혈중의 당 농도를 센싱하여 기준치보다 높으면 췌장(랑게르한스섬)의 베타세포에서 분비하는 호르몬이다. 인슐린 호르몬 신호를 받은 간은 포도당 생성을 억제하고, 각 세포들은 혈액내 포도당을 조직으로 이동하여 혈액내 당을 소비한다. 그러나 여러가지 이유에 의해서 인슐린 수용체에 이상이 생기면, 인슐린이 분비되어도 이 신호를 조직이 받아들이지 못하고, 혈당이 소비되지 않아서 수치가 높은 상태에서 떨어지지 않는다. 이것을 인슐린 저항성이라고 부른다. 유전적 원인으로 인슐린 자체가 생성되지 못하는 1형 당뇨와 인슐린 저항성에 의해서 혈당수치가 높은 것을 2형 당뇨라고 분류한다.

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우리가 코기토를 생각할 때, 철학자들은 형이상학적인 주체를 떠올리지만, 생물학자들은 아래와 같은 뉴런간 신호 전달 체계를 떠올릴지 모른다. 과학적으로는 생각은 분자들의 연쇄 반응, 뇌세포들 간에 신경 전달 물질 (Ca+, Na+, 도파민, …)의 전달이다. 뇌는 1000억개의 뉴런 세포들과 그들 사이에 1000조개의 시냅스연결로 구성된다. 그것들이 과도하면 간질이라는 발작을 초래하며, 그 활동이 사라지면 치매에 걸리고 궁극적으로 “자아”는 사라진다.

시냅스와 시냅스 간의 연결은 직결되지 않고, 약간의 간격을 가지는 데, 그 간격간의 신호 전달에 신경전달 물질이 관여한다. 신경전달 물질은 크게는 신호를 활성화하는 Excitatory NT와 반대로 신호 발현을 억제하는 Inhibitory NT로 대별된다. 전자는 주로 글루탐산염(Glutamate), 후자는 가바(GABA)라는 물질이 대표적이다

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20세기 전에 인간들은 신경세포들이 전깃줄처럼 연결되어 있고, 그들 사이에 신호 전달은 그냥 Na+, K+같은 이온 전달로 이루어진다고 보았다. 그러나 1921년 오토 뢰비 박사는 신경을 정밀하게 연구한 결과 신경세포들 사이에 미세한 틈이 있고, 그들 사이의 신호의 전달은 어떠한 분자들의 전달로 구성된다는, 즉 신경전달 물질로 매개된다는 사실을 밝혀낸다.

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대표적인 신호 전달 물질은 아세틸콜린(Acetylcholine), 아민(Amine, 에피네프린, 오르에피네프린, 세로토닌, 도파민), 아미노산(아스파테이트, 그루타메이트, 글리신, GABA), 펩티드(substance P, 엔돌핀) 계열 등으로 분류된다.

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도파민(C8H11NO2)은 어떤 동작을 수행했을 때, 보상으로 행복 감각을 일으킨다. 혹은 과도한 스트레스로 부터 자신을 보호하기 위해서도 방출된다. 도피민을 차단하면 생쥐는 먹이를 구하려고 돌아다니지도 않고, 주변의 어떤 자극에도 무감각해진다. 간단히 말해서 살아있어야 하는 이유, 의욕을 느끼지 못하고 이는 우울증으로 연결된다. 반대로 도파민이 너무 활성화되면 너무 업되고 때로는 망상/환청/조현병을 을으킨다. 또한 도박/마약에 중독되면 예전의 도파민 분출의 기억을 잊지 못하고 계속 그것에 집착한다. 생쥐에게 전기 자극의 강도에 비례하여 뇌에서 도파민을 분비하게 하면 죽을때까지 전기 자극을 올려서 사망한다.

엔도르핀(C158H251N39O46S)도 도파민과 마찬가지로 과도한 스트레스와 통증에 대한 완화책으로 몸에서 분비한다. 엔돌핀은 마약보다도 훨씬 강한 진통효과를 가지며 탄생과 죽음의 순간에 엔돌핀 피크현상이 생긴다. 죽음의 순간에 뇌는 극도로 활성화되어 때로는 삶의 전과정을 파노라마처럼 보기도 하고, 신비스러운 사후 세계를 경험하기도 한다. 물론, 이것은 죽음이라는 어마어마한 공포와 스트레스에 직면한 인체가 과도한 도파민/엔돌핀을 분출하기 때문에 나타나는 환상일 가능성이 많다. 익스트림 스포츠를 할 때, 고통스러울 만큼 힘든 운동 후에도 분비되기에 어떤 이들은 운동중독증에 빠진다.

초콜릿을 구성하는 300여개의 화학물질 중 하나가 페닐에틸아민(Phenylethylamine, C8H11N)이다. 100g중 약 50~100mg을 차지하는데, 우리가 사랑하는 감정을 느낄 때 뇌에서 방출되는 신경전달물질이기도 하다. 초콜릿이 한 때는 최음제로 판매가 금지되기도 한 이유일 것이다. 음식을 통해서 뇌로 신경 전달 물질을 보내는 것이 불가능함에도 불구하고 그 감미로운 달콤함과 사랑의 감정이 비슷한 것으로 여겨졌기 때문이다.

인간의 뇌에서 분비되는 200개가 넘는 신경 전달 물질, chemical messenger들이 알려져 있다. DNA 전사/번역을 보다보면 깔끔하게 보이는 생명이, 신호 전달 체계를 살펴보다 보면, 생명은 분자들의 연쇄 반응일 뿐이구나 라는 환원론으로 다시 돌아오게 만든다. 물론, 우리가 의식/생각/감정 모두를 환원론적으로 분석한다고 해서, 그 모든 것들이 생화학적인 작용일 뿐이라는 것을 안다고 해서 달라지는 것은 많지 않을 것이다. 이 모든 것을 주관적으로 경험하는 “나”라는 무엇인가가 존재하기 때문이다. 그것이 비록 환상일 뿐이더라도, 그 모든 고통, 기쁨, 슬픔을 경험하는 것은 바로 “나”이기 때문이다.

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우리가 긴장하면 아래 화학식의 물질이 분비된다. 아세틸콜린(Acetylcholine, CH3COO(CH2)2N(CH3)3)이라고 불리는 물질이다. 이것은 최초로 발견된 신경전달물질(neuro transmitter)이고 그 발견자는 1936년에 노벨 생리/의학상을 수상한다. 이것의 주요한 역할은 근육 세포의 수축/이완에 관한 것이다.

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뇌에서 근육세포로 (나트륨 이온의 분극을 통해서)신호가 전달되면 근육세포의 끝에 있는 아세틸콜린(Ach)이란 신경 전달 물질이 세포의 밖으로 방출된다. 이것은 Ach 수용체와 결합하고 나트륨 이온 전달 채널을 활성화시켜서 Na+가 세포안으로 유입되어 전위차를 생성한다.

이러한 전위차는 칼슘 이온 전달 채널을 활성화시켜서, 세포내의 ca++를 세포질로 방출한다. 이것은 다시 액틴 필라멘트의 트로포마이오신과 결합하여, 마이오신과 액틴의 결합을 허용하고, 마이오신 노예는 열심히 액틴을 줄다리기하듯이 끌어당겨서 근육을 수축시킨다. 만약 우리가 칼슘섭취를 게을리하면 근육 수축에 문제를 일으키고 심하면 심장이 멎기도 한다.

식중독균 중 botulinum toxin (보톨리늄)은 신경전달 물질인 아세틸콜린을 차단한다. Black widow 거미는 반대로 Ach를 과다 활성화하여 횡경막 수축으로 사망한다. 그러나 보톨리늄을 적당히 사용하면 근육이 이완되어 주름을 방지한다. 보톡스이다.