제16장 에너지 균형과 체온조절

[문형철]

에너지를 사용하면서 체온을 조절하는 기능

에너지 균형과 체온조절

1. 에너지 소모량의 기본 개념

유기분자를 분해하면 분자결합에 이용되었던 에너지가 방출됨. 이 에너지를 이용하여 세포는 여러 형태의 생물학적인 일인 근수축, 능동수송, 생합성을 수행함. 열역학 제 1법칙에 의해 에너지는 생성되지도 파괴되지도 않지만 한가지 형태에서 다른 형태로 전환될 수 있음. 

유기분자가 대사되는 동안 방출된 에너지의 60%는 열로 발산되고, 나머지는 일을 하는데 사용됨. 일하는데 사용되는 에너지는 먼저 ATP 분자의 형태로 만들어짐. ATP가 분해될때 방출되는 에너지는 일을 수행하는데 이용됨. 인체는 열을 일로 전환하는 능력이없으며, 방출된 열은 체온을 유지하는데 사용됨. 

대사율

1 칼로리는 물 1그램을 14.5도에서 15.5도로 올리는데 필요한 열량임. 음식에 저장되어 있는 에너지양은 칼로리에 비해 훨씬 높으므로 1,000칼로리에 해당하는 킬로칼로리(kcal)를 에너지 단위로 사용함. 

단위시간당 소모되는 총에너지 소모량을 대사율(metabolic rate)라고 함. 대사율은 여러가지 요인에 의해 달라지므로(표 16.5), 대사율을 측정하기 위해 표준조건을 설정하고 이 표준조건하에서 측정된 대사율을 기초대사율(basal metabolic rate, BMR)이라고 함. 

기초조건이란 실험대상이 안락한 온도의 방에서 정신적, 육체적으로 휴식상태이고, 최소한 12시간 이상 굶은 상태(즉 공복상태)를뜻함. BMR이 수면상태의 대사율보다 높긴 하지만 임으로 위의 조건을 기초 상태로 설정하고 있음. BMR은 흔히 생명유지에 소요되는 대사량이라고 하며, 대부분은 심장, 간, 신장, 뇌에서 소모되는 대사량임. 

BMR과 대사율에 영향을 미치는 요인들에 대해 설명

갑상선 호르몬

갑상선 호르몬(T3, T40은 체격, 나이, 성별에 관계없이 BMR을 결정하는 가장 중요한 요소. T3, T4는 뇌를 제외한 대부분의 조직에서 산소 소모량과 열 발생을 증가시킴. 이렇게 BMR을 증가시키는 성질을 칼로리 발생효과라고 함. 

갑상선 기능항진 - 열생산 증가

갑상선 기능저하 - 열발생 저하로 추운 날씨를 견디기 힘들어 함. 

에피네프린

에피네프린도 역시 칼로리 발생효과를 나타내는 호르몬임. 글리코겐과 트리글리세리드를 분해할때 ATP가 분해되어 에너지 방출이일어나므로 칼로리 발생효과는 글리코겐과 트리글리세리드 이화 작용을 자극하는 것과 관련이 있을 것임. 그러므로 부신수질에서 에피네프린 분비가 증가되면 대사율이 증가함. 이러한 사실은 감정적 스트레스를 받을때 열이 많이 발생하는 이유를 설명해줌. 

식사성 열발생

음식물을 섭취하면 식사후 몇 시간동안 급격히 대사율이 10-20%정도 증가함. 이러한 효과를 식사성 열발생이라고 함. 섭취된 음식물 중 단백질은 열 발생 효과가 가장 크며, 탄수화물과 지방은 그 효과가 적음. 이때 열생산이 증가되는 것은 흡수된 영양소가 간에 의해 처리되는 과정에서 부수적으로 발생되는 현상이며 소화기관에서 소화, 흡수과정에 소모되는 에너지와 관련이 없음. 이와같이 식사성 열 발생효과때문에 BMR은 공복상태에서 측정해야 함. 장기간에 걸쳐 음식물 섭취량이 변하면 대사율에 커다란 영향을 줌. 

근육활동

대사율을 가장 증가시키는 요인은 골격근 활동의 변화임. 골격근의 경미한 수축증가도 대사율을 증가시키며 운동을 격렬하게 할 경우 에너지 소비가 15배 증가되기도 함. 아래 표 설명

이와같이 신체활동량에 따라 총 에너지 소비량은 변화가 매우 심하므로 정상적인 성인의 경우 하루에 1500kcal(비활동적인 사람)부터 7000kcal(운동선수)에 이르기까지 에너지 소비량의 차이가 많음. 수면 중 대사율이 감소하는 이유는 근육활동이 감소되기 때문이며, 추운 기온에 노출되었을때 대사율이 증가되는 이유의 일부도 몸을 떠는 동작으로 인해 근육활동이 증가되기 때문임. 

총 에너지 저장량의 조절

섭취한 에너지 = 생산된 내적인 열+ 외적인 일 + 저장된 에너지

저장된 에너지 = 섭취한 에너지의 에너지 - (생산된 내적인 열 + 외적인 일)

동일한 체중을 가졌더라도 신체 총에너지 함량은 다를 수 있음. 지방은 1그램당 9kcal을 함유하지만 탄수화물과 단백질은 1그램당4kcal을 함유하므로 나이가 많아짐에 따라 체단백질을 손실하고 체지방 함량이 증가되면 체중이 변하지 않더라도 총에너지 함량은 증가됨. 

일반적으로 성인의 체중은 이미 설정된 일정한 범위내에서 조절됨. 이는 체중의 변화에 반응하여 에너지 섭취량이나 소모량 또는 두가디 모두를 조절함으로써 체중이 일정하게 유지된다는 이론임. 체중이 일정하게 유지되는 것은 칼로리 섭취량을 조절하는 기전에 의해 주로 이루어지는 것으로 추정되고 있음. 그러나 최근에는 체중의 변화에 반응하여 에너지 소모량을 조절함으로써 체중이 일정하게 유지된다는 증거도 제시되고 있음. 

예

비만이 아닌 사람들을 대상으로 에너지 섭취량을 줄이거나 늘려 체중을 10%감소시키거나 10%증가시켰을때 총에너지 소모량을 측정함. 체중이 10%증가한 과잉 섭취군의 에너지 소모량(안정시와 활동시 에너지 소모량)은 15%증가되었고, 체중이 10%감소된 과소 섭취군의 에너지 소모량은 15% 감소함.  이처럼 에너지 소모량이 변하는 현상은 대사조직량의 증가나 감소, 또는 활동할때 실리는 체중의 변화만으로 단순하게 설명할 수 없음. 

여러 연구결과를 종합하면, 식사에 의해 총에너지 저장량이 변화되면 음성되먹임 조절과정에 의해 에너지 저장량의 변화와 반대되는 방향으로 에너지 소모량이 변화함. 이러한 현상때문에 저열량 식이를 이용한 식이요법을 시도할때 2.5-5kg의 체지방은 쉽게 줄일 수 있으나 그 이후에 더이상 줄이기는 어려움. 또한 체중을 늘리는 것도 마찬가지임. 이와같은 체중변화에 대한 대사적 저항 현상이 무한정 일어날 수 있는지 또는 체중이 급격하게 변화할때만 나타나는 일시적인 반응인지 확실치 않음. 

음식섭취량의 조절

렙틴은 지방에서 합성하는 호르몬으로 음식섭취량을 조절함. 

최근 그렐린이라는 단백질(호르몬)이 발견됨. 이는 아실화된 펩티드로써 28개의 아미노산으로 이루어짐. 

단기간동안의 식사간격과 식사빈도의 조절

저열량 식사를 통해 체중을 얼마나 빨리 감량할 수 있을까?

상황을 단순화 시키기 위해 에너지 소모량에는 변화가 없다고 가정함.

24시간 동안의 대사율이 2000kcal인 사람이 하루에 1000kcal식사를 할 경우, 우리몸에서 1천 kcal를 공급하기 위해서 체지방이 얼마나 분해되는가 계산. 

지방은 9kcal/g의 열량을 공급하므로

1000kcal/day/9kcal/g = 111g/1day 또는 777g/week

지방조직에는 수분이 약 10% 함유되어 있으므로 일주일에 77g의 물이 손실되므로 이를 가산하면 감량된 총 체중은 주당 854g임. 따라서 이와같이 심한 다이어트를 하면서 대사량이 저하되지 않는다 가정해도 일주일에 감량할 수 있는 체중은 이정도 임. 실제 감량식사를 시작한 후 첫 일주일에는 다량의 수분이 손실되므로 체중이 빠르게 감량되며, 특히 탄수화물 함량이 매우 낮은 식사를 할경우 수분손실로 인한 첫주에는 체중 감량속도가 더 빠름. 

미국 국립연구회 식사지침

3. 체온조절

조류와 사람을 포함한 포유류는 내적 열을 발생하는 내온동물(endotherm)이며, 따라서 태양에너지에 의존하지 않고 스스로 체온조절가능함. 또한 매우 좁은 범위내에서 체온을 조절하는 "항온동물(homeotherm)"임. 

사람의 체온에 대한 일반적 지식

# 구강에서 측정한 체온은 직장에서 측정한 체온보다 0.5도 낮다. 직장체온은 인체 내부온도 즉 중심체온을 나타내는데 이용됨. 

# 신체활동과 외부 환경온도가 변하면 인체 내부온도도 변할 수 있음. 

# 체온은 하루중 시간에 따라 1도범위내에서 주기적으로 변화함. 밤에 낮고 낮에 높음.

# 여성의 월경주기 중 후반기인 황체기는 프로게스테론의 영향으로 고온기가 됨. 

열손식과 열획득의 기전

복사, 전도, 대류 및 수증기의 증발과정에 의해 주위 환경으로 열손실과 열획득이 일어날 수 있음. 

체온조절 반사

아래 그림은 체온유지를 위해 체내에서 일어나는 반사작용 요약. 

열 생산의 조절

근육활동이 열 생산을 변화시키는 주된 요인이므로 근육활동은 체종조절에 있어서 가장 중요한 역할을 함. 

중심체온이 저하되면 떨림 열생산(shivering thermogenesis) 발생

증발에 의한 열손실 조절

땀은 시간당 약 4리터 이상의 속도로 분비될 수 있으며, 4리터 이상의 수분이 증발되면 2,400kcal의 체열을 제거할 수 있음 

온도 순응

고온에 적응할 수 있는 능력은 땀의 분비가 시작되는 시기나 땀 분비량 및 땀의 성분에 따라 달라짐. 더운 환경에 노출된지 얼마 안되는 사람은 적응하기 어려움. 그러나 며칠 후에는 이 온도에 적응되어 체온도 덜 올라가고 활동이 용이해짐. 이를 "열 순응"이라고 함. 

추위 순응은 열순응 연구보다 미흡함. 

발열과 고체온

발열은 체온이 정상이상으로 상승하는 현상임. 시상하부에 있는 온도조절계의 설정온도가 높아지기 때문에 열이남. 열이 나는 사람도 추위나 더위에 반응하여 체온을 조절할 수 있으나, 설정온도가 높은 상태임. 열이 나는 주된 원인은 감염에 의한 것이며, 신체적 상해와 스트레스도 열이 나게 할 수 있음. 

감염에 의해 열이 날때 서서히 점진적으로 열이 나기 시작하나, 오한을 동반할때에는 매우 빠르게 진행됨. 뇌속의 온도조절계가 갑자기 올라가기 때문에 정상체온에서도 한기를 느낌. 시상하부의 온도조절계가 정상으로 다시 설정되고 열이 약화될때까지는 새로 설정된 온도에 맞추어 체온이 조절됨. 이에 따라 덥다고 느끼게 되므로 옷을 벗거나 이불을 걷어내게 되며, 혈관이완과 발한작용도활발하게 일어나게 됨. 

그렇다면 온도조절점이 재설정되는 이유는 무엇인가?

신체가 감염되거나 다른 발열자극이 주어지면 내생적 발열원(endogenous pyrogen)이라 불리는 화학전령이 대식세포로부터 분비됨.EP를 분비시키는 자극의 성질에 따라 EP는 혈액을 순환하면서 시상하부의 열수용기나 뇌의 다른 부위에 작용하여 설정온도를 변화시킴. 

아래 그림에서 보듯이 운동초기에 열생산이 증가되어 손실보다 열이 많이 생산되면, 그 결과 열이 신체 내부에 저정되어 중심부 온도가 상승함. 중심부 온도가 올라가면 중심온도 수용기를 통한 반사활동이 시작되어 열손실량이 증가함. 

열탈진은 지나친 발한작용으로 인해 혈장량이 감소되고 피부 혈관이 최대한 이완됨으로서 저혈압 상태가 되고 그로 인한 순환부전으로 인해 기진맥진한 상태. 열탈진이 일어나면 체온이 심하게 상승하지 않음. 어떤 의미에서 열탈진은 열손실 기전이 과부하 되었을때 안전장치임. 

일사병(heat stroke)은 열조절계가 완전히 고장나서 체온이 계속 상승하는 것. 

[정혜]

감사합니다