아토파지를 작동시키려면 얼마나 단식을 해야 할까?

포도당의 공급제한은 세포내에서 아토파지라는 세포청소작용을 촉진한다. 외부에서 에너지를 공급받지 못하는 세포는 내부에서 에너지원을 찾는다. 가장 먼저 세포내에 불필요한 부분부처 해체하기 시작하는데, 이러한 세포내청소작용으로 인해 세포내의 고장난 미토콘드리아와 세포내 소기관들, 그리고 제대로 작동하지 못하는 각종 세포내 분자들이 쓰레기 상태에서 새로운 세포내 원료와 에너지원으로 재활용된다. 뇌나 심장과 같은 오랫동안 사용해야 하는 세포들은 아토파지기구의 작동이 더욱 중요한데, 최신의 연구들은 치매를 일으키는 엉긴 단백질들도 아토파지기구를 통해 분해될 수 있음을 알려준다. 암과 같은 질병은 인체내에 에너지공급을 중지시킴으로써 정상세포에 비해 단식과 같은 세포 스트레스 상태에 대한 대처에 불완전한 상태의 돌연변이 암세포를 굶겨서 스스로 사라질 수 있는 가능성이 제시되고 있다. 그렇다면 인체내의 포도당감소는 얼마동안의 단식을 통해 가능한 것일까 궁금해진다.

1950년대와1960년대에 비만인의 치료요법으로 단식이 수행되었다. 이들의 연구에 의하면 장기간의 단식에서 뇌는 포도당을 연료로 사용할 수 없게 되는데 그 이유는 단백질이 분해되어 포도당을 공급해주는 당신생이 근육에서 계속 진행될 수 없기 때문이다. 이때문에 장기단식에서 뇌의 포도당이용은 급격히 감소하게 된다. 음식을 섭취한 후 대략 5시간 후면 음식을 통한 포도당공급은 끝나게 된다. 이때부터 인체는 포도당이 수천개이상씩 연결된 형태인 간내의 글리코겐이라는 저장고를 열어서 포도당을 공급하기 시작한다. 글리코겐을 통한 포도당 공급은 음식을 통한 포도당공급이 끝난후부터 시작되어 두시간 후면 피크를 이루며, 음식섭취가 있은지 30시간 후면 글리코겐을 통한 포도당공급은 고갈된다. 음식섭취를 통한 포도당공급이 끝난시점인 식사후 다섯시간후부터 인체내의 근육단백질이나 지방세포의 지질이 분해되며, 이들이 포도당으로 전환되는데 이를 당신생이라 한다. 2일이 지나지 않아 당신생으로 포도당공급이 감소되기 시작하는데 이때부터 인체는 주요 에너지원으로 베타-수산화 부틸산(β-hydroxy butyrate)을 이용하게 된다.

베타-수산화 부틸산(β-hydroxy butyrate) : 효율적인 연료와 아토파지 촉진작용

전체 신체에서 생성되는 지방산의 5분의 2는 간의 케톤체생성을 통해서인데 하루 100내지 150그램이다. 케톤체는 지방의 분해에 의해 만들어지며 크게 세종류인데, 베타-수산화부틸산, 아세토아세트산, 아세톤으로 장기간의 단식에서 주요한 에너지원으로 이용된다. 단식을 한지 이틀 내지 삼일이 되면 간에서 만들어내는 포도당은 0이 된다. 몇주간의 단식에서 생성되는 전체 내장의 생성 포도당량은 하루 80그램정도이다. 10내지 11그램은 케톤체를 이용한 포도당합성으로부터 얻고, 락산과 피루브산의 순환으로부터 35내지 40그램을 얻으며, 지방유래 글리세롤로부터 20그램을, 나머지 15내지 20그램은 단백질로부터 유래한 아미노산, 주로 알라닌으로부터 얻게 된다. 단식동안 신장은 새로운 포도당의 대략 5분의 2를 생성한다. 나머지 5분의 3은 간에 의해 얻는데, 이것은 근육과 내장으로부터 온 알라닌과 적혈구, 신장수질로부터 온 락산과 피루브산(코리회로), 지방세포의 지방분해로부터 온 글리세롤, 아세톤 등으로부터이다. 오줌의 암모늄이온은 베타-수산화부틸산과 아세토아세트산과 함께 배출되는데 이는 혈액내의 산-염기항상성과 양이온 주로 나트륨, 그리고 세포외 부피를 유지하기 위해서이다.

1960년대에 5주에서 6주간의 단식연구가 진행하기 위해 매우 지적인 비만인들이 선발되었다. 단식이 진행되면서 오줌으로 배설되는 질소의 양은 하루 4내지 5그램으로 감소되었으며, 뇌의 연료중 3분의 2는 베타-수산화 부틸산과 아세토아세트산이었고 이과정은 근육에서 당신생을 위한 근육의 파괴를 줄이는 작용을 한다. 이러한 결과에 따라서 정상인의 경우 단식으로 두달은 살 수 있으며, 비만인의 경우엔 더욱 장기간동안 단식을 하며 생존할 수 있다는 결론이 나왔다. 진화론적으로 말하자면 베타-수산화 부틸산과 아세토아세트산이 아니라면 호모 사피엔스는 여기 존재할 수 없다.

비치와 동료는 베타-수산화부틸산을 포도당 대신에 쥐의 심장에 투여하였을 때 심장의 활동이 더욱 증가하고 산소소비는 감소하였다. 1940년대에 헨리 라디는 황소의 정자에 베타-수산화부틸산에 의해 정자운동성이 증가하였고 산소소비량은 감소하였다. 이것은 필연적으로 낮은 산소이용률에 의해 미토콘드리아 기능과 관련된 과잉의 활성산소의 위험성을 감소시킨다. 따라서 알쯔하이머나 파킨슨병 모델의 뇌세포의 경우 베타-수산화부틸산에서 보다 더 생존한다. 최신의 연구들은 쳇바퀴수행을 하여 피곤한 쥐에게 베타-수산화부틸산을 투여한 결과 식이를 공급하였을때보다 잘 운동하였고, 심리테스트에서도 향상되었다.

패트릭과 프래드는 장기간의 단식에서 생성되는 케톤체가 아토파지에 영향을 주는지를 알아보았다. 인간배아세포를 시험관에서 베타-수산화 부틸산을 처리한 결과 세포들은 내부의 오래단 단백질분해를 촉진하면서 아토파지대사가 활발해짐을 알수 있었다. 이러한 결과에 대한 원인은 케톤체의 산화력, 인슐린수용체의 감소등과 연관된것으로 추정되었다(THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY Vol. 280, No. 27, pp. 25864–-25870, 2005). 이상의 결과들을 종합해보면 포도당의 공급은 줄어들고 베타-수산화 부틸산의 수치는 높은 시점이 아토파지촉진에 가장 중요한 시간임을 알 수 있겠다. 배고품에 대한 막연한 두려움으로 인한 면역계의 손상이 아니라면 정상인의 경우 2달은 단식을 할수 있다. 하루 40g이 넘던 단백질 필요량은 단식 2내지 3일째부터는 하루 4g으로 인체는 단식에 적응하기 시작한다. 인체내 호르몬과 모든 대사과정들이 단식이라는 환경에 일사불란하게 적응하게 된다. 케톤체에 의한 인체내 산성화와 당뇨환자의 경우 뇌손상의 가능성에 대한 제기도 있겠지만, 아토파지와 관련된 보다 많은 여러 이점들들에 대해 보다 많은 연구가 필요한 시대이다.

글: 이광조 박사 (vegeresearch@gmail.com)

ps. 이 글을 쓰며 최선혜선생님이 생각났다. 그녀는 뇌암으로 돌아가셨다. 장기단식에서는 뇌도 에너지원으로 포도당사용이 급격히 줄고, 대신 케톤체가 에너지원으로 이용되는데 이것은 아토파지를 촉진시킨다. 만약 이런 원리를 좀더 일찍 알았더라면, 이 내용을 그녀의 사랑하는 자식들에게 알려줄수 있었더라면, 어쩌면 아마도 최선혜교수는 지금 살아서 만날수 있었을지도 모른다. 아쉽다. 미국에서 참 뵙고 싶었는데 말이다. 기품있는 아름다움이 살아있던 최선혜교수님께 모자란 이 글을 드린다.