기아 대응

Starvation response

동물(인간 포함)에서의 기아 대응은 음식의 부족이나 극도의 체중 감소에 의해 유발되는 적응성 생화학적이고 생리적 변화들의 집합으로, 몸이 연소하는 칼로리의 양을 줄임으로써 에너지를 보존하려고 하는 것이다.[1][2]

동등하거나 밀접하게 관련된 용어로는 기근 대응, 기아 모드, 기아 저항성, 기아 내성, 적응성 기아, 적응성 열 발생, 지방 적응, 대사 적응 등이 있다.

박테리아는 영양소가 제한되면 항생제에 대한 내성이 높아진다. 기아는 감염 시 항생제 내성에 기여하는데, 숙주 방어에 의해 영양소가 격리되고 박테리아 증식에 의해 소비될 때 영양소가 제한되기 때문이다.[3][4] 체내 기아로 인한 내성의 가장 중요한 원인 중 하나는 많은 만성 감염에서 발생하는 바이오필름 성장이다.[5][6][7] 바이오필름의 기아는 바이오필름 클러스터 주변에 위치한 세포에 의한 영양소 소비와 바이오필름을 통한 기판 확산 감소에 의한 것이다.[8] 바이오필름 박테리아는 거의 모든 항생제 등급에 극도의 내성을 보이며, 기판을 제한적으로 공급하면 감도를 회복할 수 있다.[9]

인간에게

보통, 신체는 지방 보유량을 태우고 근육과 다른 조직을 소모함으로써 에너지 섭취 감소에 반응한다. 구체적으로는 간세포에 저장된 글리코겐 매장량과 함께 소화관의 내용물을 먼저 소진하고 단백질이 상당량 손실된 후 몸이 지방을 연소시킨다.[10] 장기간의 기아 후에, 신체는 근육 조직 내의 단백질을 연료원으로 사용하며, 이것은 근육량을 감소시킨다.[11]

규모 및 구성

기아 대응의 규모와 구성(즉, 대사 적응)은 생물권 2에서 2년 동안 고립된 생활을 하는 8명을 대상으로 한 연구에서 추정되었다. 고립된 기간 동안 열악한 환경으로 인해 체중의 평균 15%(범위: 9~24%)를 점차 감량했다. 고립에서 벗어나자 고립된 8명의 개인은 처음에는 비슷한 신체적 특성을 가졌던 152명의 대조군과 비교되었다. 평균적으로 고립 후 개인의 기아 대응은 일일 총 에너지 지출이 180kCal 감소하는 것이었다. 60 kCal의 기아 대응은 무지방 질량과 지방 질량의 감소에 의해 설명되었다. 안절부절못의 감소로 65kCal이 추가로 설명되었다. 나머지 55kCal은 통계적으로 미미한 수준이었다.[12]

일반

신체의 에너지 요구사항은 기초대사량(BMR)과 신체활동량(ERAT, 운동관련 활동열생식)으로 구성된다. 이 칼로리 요건은 단백질, 지방, 탄수화물 또는 그것들의 혼합물로 충족될 수 있다. 포도당은 일반적인 대사 연료로, 어떤 세포로도 대사될 수 있다. 과당과 다른 영양소들은 간에서만 대사될 수 있는데, 간이나 근육에서 글리코겐으로 저장된 포도당이나 지방 조직에 저장된 지방산으로 대사된다.

혈액-뇌 장벽 때문에, 인간의 뇌에 영양분을 공급하는 것은 특히 이 장벽을 통과할 수 있는 분자에 의존한다. 뇌 자체가 기초대사량의 약 18%를 소비한다. 하루 총 섭취량이 1800kcal일 경우 이는 324kcal 또는 약 80g의 포도당과 같다. 총 체내 포도당 소비량의 약 25%가 뇌에서 발생한다.

포도당은 식이 당분과 다른 탄수화물의 분해로 직접 얻을 수 있다. 식이 당분과 탄수화물이 없을 때는 저장된 글리코겐의 분해로부터 포도당을 얻는다. 글리코겐은 쉽게 접근할 수 있는 포도당의 저장 형태로서 간과 골격근에 눈에 띄는 양으로 저장된다.[13]

글리코겐 예비량이 고갈되면 지방 조직에서 지방 분해로부터 포도당을 얻을 수 있다. 지방은 글리세롤과 자유지방산으로 분해되는데 글리세롤은 글루코네제네시스 경로를 통해 간에서 포도당으로 바뀐다.

글리세롤 예비물로 만든 포도당조차 줄어들기 시작하면 간은 케톤 몸을 생산하기 시작한다. 케톤 신체는 앞 단락에서 언급한 자유지방산의 단사슬 유도체로 혈액-뇌 장벽을 넘을 수 있어 뇌가 대체 대사연료로 사용할 수 있다는 뜻이다. 지방산은 몸 안의 대부분의 조직에 의해 직접적으로 에너지원으로 사용될 수 있지만, 그 자체가 너무 이온화되어 혈액-뇌 장벽을 넘기에는 부족하다.

타임라인

글리코겐 예비물이 소진된 후, 그리고 앞으로 2~3일 동안은 지방산이 주요 대사 연료가 된다. 처음에 뇌는 계속 포도당을 사용한다. 왜냐하면 만약 비뇌조직이 지방산을 대사연료로 사용하고 있다면, 같은 조직에서 포도당을 사용하는 것은 꺼지기 때문이다. 따라서 에너지를 위해 지방산이 분해되고 있을 때, 남아있는 포도당은 모두 뇌에서 사용할 수 있게 된다.

2, 3일 동안 단식을 하고 나면 간은 지방산 분해에서 얻은 전구체에서 케톤체를 합성하기 시작한다. 뇌는 이 케톤 몸을 연료로 사용하므로 포도당 요구량을 줄인다. 3일 동안 단식을 한 후, 뇌는 케톤체로부터 에너지의 30%를 얻는다. 4일이 지나면 75%[14]까지 올라간다.

따라서 케톤 신체의 생산은 뇌의 포도당 요구량을 하루에 80g에서 약 30g으로 줄인다. 나머지 30g 요구량 중 하루 20g은 글리세롤(그 자체가 지방 분해의 산물)에서 간으로 생산할 수 있다. 이것은 여전히 하루에 약 10g의 포도당 적자를 남긴다. 이것은 다른 원천에서 나온 것이 틀림없다. 이 적자는 아세틸-CoA를 통한 지방산 분해로 인한 글루코네제네시스(glukoneogenesis)와 신체의 고유 단백질을 통해 공급된다.

며칠 동안 단식을 하고 나면 몸 안의 모든 세포가 단백질을 분해하기 시작한다. 이것은 혈류로 아미노산을 방출하는데, 간에서 포도당으로 변환될 수 있다. 인체의 근육량의 상당 부분이 단백질이기 때문에 이 현상은 기아에서 보이는 근육량의 소모에 원인이 있다.

그러나 신체는 어떤 세포가 단백질을 분해하고 어떤 세포가 단백질을 분해하지 않는지를 선택적으로 결정할 수 있다.[citation needed] 포도당 1g을 합성하기 위해서는 약 2~3g의 단백질을 분해해야 하며, 뇌를 건강하게 유지하기 위해 매일 약 20~30g의 단백질을 분해하여 10g의 포도당을 만든다. 단, 단백질을 보존하기 위해, 이 숫자는 단식이 길어질수록 감소할 수 있다.

지방 비축량이 완전히 소진되고 단백질이 인체에 공급될 수 있는 유일한 연료원이 될 때 기아는 뒤따른다. 따라서 기아 기간이 지나면 체단백질의 상실은 중요한 장기의 기능에 영향을 미치고, 지방 비축량이 아직 남아 있더라도 사망에 이르게 된다. (더 마른 사람의 경우 지방 보유량이 더 일찍 고갈되고, 단백질 고갈이 더 빨리 발생하며, 따라서 사망이 더 빨리 발생한다.)

궁극적인 사인은 일반적으로 조직의 저하와 전해질 불균형으로 인한 심장 부정맥이나 심장 정지다.

매우 비만인 사람들에게는 단백질이 먼저 고갈될 수 있고 지방 비축량이 다 소모되기 전에 기아로 인한 사망이 일어날 것으로 예측되고 있다.[15]

생화학

굶주림 동안, 뇌가 사용하는 에너지의 절반 미만이 대사된 포도당으로부터 온다. 인간의 뇌는 케톤 신체를 주요 연료원으로 사용할 수 있기 때문에 신체는 높은 비율로 골격근육을 분해하지 않을 수 있기 때문에 최대 몇 주 동안 인지 기능과 이동성을 모두 유지할 수 있다. 이러한 반응은 인간의 진화에서 극히 중요하며, 인간이 장기화된 기아에도 불구하고 계속해서 효과적으로 식량을 찾을 수 있도록 허용된다.[16]

처음에는 순환하는 인슐린 수치가 떨어지고 글루카곤, 에피네프린, 노레피네프린 수치가 상승한다.[17] 이때 글리코겐톨리시스, 글루코네제네시스, 리폴리시시스, 케토제네시스 등의 상향 조절이 있다. 인체의 글리코겐 저장소는 약 24시간 내에 소비된다. 정상적인 70kg 성인의 경우 약 8,000kg의 글리코겐만이 체내에 저장된다(대부분의 줄무늬근육에 저장된다). 인체는 또한 글리세롤과 글루코네제네시스(gluconeogenesis)에 관여하여 신진대사를 위한 글루코스로 변환시킨다. 또 다른 적응은 코리 사이클인데, 이것은 포도당의 지질에서 파생된 에너지를 말초 글리콜리틱 조직으로 폐쇄시키는 것을 포함한다. 그리고 이것은 포도당에 재합성을 위해 젖산염을 간으로 다시 보낸다. 이러한 과정들 때문에, 장기간의 기아 동안 혈당 수치는 상대적으로 안정적이다.

그러나 장기간의 기아시 주요 에너지는 트리글리세라이드에서 유래한다. 저장된 글리코겐의 8,000킬로줄에 비해 지질연료는 에너지 함량이 훨씬 풍부하며, 70킬로그램의 성인은 40만킬로줄 이상의 트리글리세리드(대부분 지방조직)를 저장한다.[18] 트리글리세리드는 지방분해를 통해 지방산으로 분해된다. 에피네프린은 단백질 키나아제 A를 활성화해 지혈성 호르몬 민감 리파아제(HSL)와 페릴리핀을 분비한다. 이러한 효소는 CGI-58, 아디포스 트리글리세라이드 리파아제(ATGL)와 함께 지질 방울 표면에 복합적으로 작용한다. ATGL과 HSL의 결합 작용은 처음 두 지방산을 해방시킨다. 세포 모노아실글리세롤 리파아제(MGL)는 최종 지방산을 해방시킨다. 나머지 글리세롤은 글루코네제네시스로 들어간다.[19]

지방산 자체는 직접 연료원으로 사용할 수 없다. 그들은 먼저 미토콘드리아(대부분 골격근, 심장근육, 간세포)에서 베타 산화를 겪어야 한다. 지방산은 CAT-1 효소의 작용을 통해 아킬-카르니틴으로서 미토콘드리아로 운반된다. 이 단계는 베타 산화의 대사량을 조절한다. 그 결과 아세틸-CoA는 TCA 사이클로 들어가 산화 인산화를 거쳐 ATP를 생성한다. 신체는 더 많은 포도당을 생산하기 위해 이 ATP의 일부를 글루코네제네시스에 투자한다.[20]

트리글리세라이드와 롱체인 지방산은 수분이 너무 많아 뇌세포로 건너갈 수 없기 때문에 간은 케토제네시스(ketogenesis)를 통해 이들을 쇼트체인 지방산과 케톤 체질로 전환해야 한다. 결과 케톤 몸체인 아세토아세테이트와 β-하이드록시부티레이트는 암페타스로 뇌(및 근육)로 운반될 수 있으며 TCA 사이클에서 사용하기 위해 아세틸-CoA로 분해될 수 있다. 아세토아세테이트는 자연적으로 아세톤으로 분해되고 아세톤은 소변과 폐를 통해 분비되어 장기간 단식에 수반하는 '아세톤 호흡'을 만들어 낸다. 또한 뇌는 굶주리는 동안 포도당을 사용하지만, 신체의 포도당의 대부분은 골격근과 적혈구에 할당된다. 너무 많은 포도당을 사용하는 뇌의 비용은 근육 손실이다. 만약 뇌와 근육이 전적으로 포도당에 의존한다면, 인체는 8-10일 안에 질소 함량의 50%를 잃게 될 것이다.[21]

장기간 단식을 한 후, 신체는 자신의 골격근육을 저하시키기 시작한다. 뇌 기능을 유지하기 위해서 글루코네제네시스는 계속해서 포도당을 생성하지만, 주로 알라닌인 글루코네제닉 아미노산이 필요하다. 이것들은 골격근에서 나온 것이다. 기아의 늦은 시기에 혈중 케톤 수치가 5~7mM에 이르면 뇌의 케톤 사용량이 증가하는 반면 케톤 사용량은 근육에서 떨어진다.[22]

그리고 나서 자동포기는 가속된 속도로 발생한다. 자동포기에서는 세포가 글루코네제네시스용 아미노산을 생산하기 위해 임계 분자를 식인한다. 이 과정은 세포의 구조를 왜곡하며, 기아에 빠진 공통적인 사인은 장기화된 자폐증으로 인한 횡격막 장애 때문이다.[23]

참고 항목

참조

  1. ^ 2006년 왕 외에서 개작, 페이지 223.
  2. ^ "Is Starvation Mode Real or Imaginary? A Critical Look". healthline. June 19, 2021.
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자원.