근육과 몸 전체의 신호전달체계와 염증의 상호관계
인체는 움직일 때마다 근육에서 신호전달물질을 내보내서 인체의 다른 여러 부분과 정보를 서로 교환한다. 지방세포처럼 근육세포도 내분비 장기와 비슷한 특성을 가지고 있다. 근육은 자발적으로 수축하면 myokine이라는 것을 분비하게 되는데, myokine은 근육에서 유래한 cytokine을 말한다. myokine은 인체가 만성 염증에 대하여 어떻게 기능하고 적응하며 조절하는 것에 대한 중요한 열쇠 같은 역할을 한다.

1. 인터루킨-6(IL-6, interleukin-6): 운동 요소와 연관성이 많다.
근육과 염증의 관계에 있어서 가장 중요한 myokine은 IL-6이다. 근육이 수축하면 IL-6가 분비된다. IL-6는 오래 전부터 tumor necrosis factor-α(TNF-α)와 IL-1과 같이 염증에 관련된 대표적인 3대 사이토카인 중의 하나로 알려져 있다. 그러나 IL-6는 발생의 기원과 생성되는 양에 있어서 다른 cytokine과는 많이 다르다. 근육에서 IL-6가 고농도로 분비되면 TNF-α와 IL-1에는 없는 항염작용을 나타낸다. 고농도의 IL-6는 사이토카인을 억제하는 물질인 IL-1 receptor antagonist(IL-1ra)와 soluble TNF receptors(sTNFR)같은 순환혈액으로 분비하여 TNF-α과 IL-1의 양을 감소시킨다(그림 1 참조).

IL-1ra는 IL-1 수용체와 길항작용을 하여 그 효과를 감소시키고, sTNFR은 TNF-α와 미리 결합하여 표적세포의 수용체와 반응하지 못하게 하여 TNF-α의 효과를 감소시킨다. 동시에 IL-6는 염증을 억제하는 사이토카인 중에 중요한 역할을 하는 IL-10의 분비를 촉진한다. 운동한 후 만들어진 IL-6는 TNF-α가 매개되어 분비되는 IL-6와는 반대되는 작용을 하는 것으로 알려져 있다. 운동을 하면 TNF-α의 농도를 능가할 정도로 많은 양의 IL-6를 분비한다. 이것은 감염이나 패혈증에서 TNF-α와 IL-6가 동시에 증가하는 것과는 대조를 보인다(그림 2 참조).

IL-6와 TNF-α의 비율은 만성염증의 시각에서 보면 중요한 관심사가 된다. TNF-α와 IL-6에 대한 유전학적 다양성에 대한 역학연구에 따르면, TNF-α가 높고 IL-6가 낮으면 당뇨병의 위험도가 증가한다. 또 다른 연구에서 TNF-α는 진정한 염증의 주된 원인이 되고, IL-6의 농도는 몸 전체에서 TNF-α농도의 표지자가 될 수 있으며 더 많은 염증성 사이토카인에 대하여 직접적으로 길항작용을 한다. IL-6의 효과는 운동이 염증에 대하여 1차적인 방어기능을 하고, 류마티스 관절염같이 염증이 매우 심한 경우에 저항운동을 하면 치료에 도움이 될 수 있다. 운동이 직접적으로 대사에 미치는 영향에 대한 과학적인 연구가 많이 이루어 졌다. 운동은 심장병, 당뇨병 및 암 같은 질병에 의한 사망률을 감소시켰다. IL-6는 당뇨병의 진행을 억제하는데 있어서 매우 중요한 역할을 한다.

이러한 질병들은 염증과 긴밀한 연관성이 있으며, 가장 주된 원인이 염증이라고 추정된다. 운동은 오래 전부터 체중을 감소시킨다고 알려져 왔다. 또한 IL-6는 에너지 대사에 있어서 매우 중요한 중계자 역할을 한다고 알고 있다. IL-6의 광범위한 효과는 염증성 사이토카인 및 에너지 대사에 영향을 줄뿐만 아니라 뇌, 간 및 지방조직과도 서로 신호를 주고받는다. 그래서 과학자들은 예외적으로 IL-6를 운동 효과에 대한 중요한 역할을 하는 후보물질로 생각하고 있다.

근육이 수축하면 IL-6를 생산하는 유전자가 작동하게 된다. 근육에서 IL-6가 분비되는 정도는 근육이 수축되는 정도와 비례하기 때문에 더 많은 근육을 사용하면 더 많은 IL-6가 만들어 진다. IL-6는 근육 내에 있는 글리코겐의 양과 운동의 강도와 밀접한 관계가 있다. 근육 내에 당분의 저장량이 감소되면 운동 강도에 대한 역치가 감소되어 더 많은 양의 IL-6가 분비된다. 운동 강도가 증가하면 몸 전체의 근육에서 수축이 일어나고, 근육의 글리코겐이 고갈되어 근육에서 IL-6의 분비를 촉진시킨다. 이러한 요소들은 동시에 혈중 IL-6의 농도를 휴식상태보다 20배에서 100배 정도까지 증가시킨다. 이 정도의 IL-6의 농도가 되면 사이토카인의 역할을 넘어서 근육뿐만 아니라 지방세포, 면역세포 및 간세포에서 호르몬의 효과를 나타낸다. 그 결과 지방을 연소시키고 포도당의 대사를 조절하며 염증을 일으키는 사이토카인의 생성을 억제하여 종국적으로 IL-10의 분비를 촉진하여 완벽한 항염작용을 나타낸다. IL-10은 강력한 TNF-α와 IL-1을 억제하는 사이토카인이다.

과거로부터 운동을 하면 IL-6는 염증반응에 대한 영향을 줄 뿐 아니라 신체 전체의 에너지대사와 조직의 재생에 영향을 준다고 알려져 왔다. 이러한 기전은 통상의 만성 염증에 대한 경과와는 많이 다르다. 만성 염증에서는 TNF-α가 IL-6 및 IL-1과 같이 증가된다. 그런데 운동한 후에 근육에서 만들어진 IL-6는 TNF-α와 IL-1을 감소시키고 동시에 IL-10을 증가시켜서 염증을 억제하는 쪽으로 균형을 바꾸어 준다(그림 3 참조).

이와같은 직접적인 효과뿐만 아니라, 운동한 후에 만들어 지는 IL-6는 또 다른 유익한 2차 효과가 있다. 11β-Hydro-xysteroid dehydrogenase type 1 (HSD1)이라는 효소는 cortisone을 활성화된 cortisol로 전환시키는 작용을 한다. 이러한 cortisol과 cortisone의 비율은 과체중과 비만에 있어서 나쁜 효과를 줄 수 있는지를 아는데 중요한 지표이다. 이것은 내장지방이 cortisol을 생성한다는 중요한 사실을 내포하고 있다. TNF-α와 IL-1β는 HSD1의 활성도를 상향 조절하여 당질코르티코이드(glucocorticoid)의 생산을 증가시킨다. IL-6는 TNF-α와 IL-1β의 강력한 억제제 역할을 하며 운동 후에 매우 많은 양이 분비된다. 격렬한 운동은 교감신경계인 α-2수용체 뿐만 아니라 부신피질자극호르몬(ACTH)의 분비를 증가시켜서 IL-6의 효과를 강화시킨다. 또한 이러한 것들이 독립적으로 HSD1의 활성을 억제시킨다. HSD1의 활성을 떨어트리는 것이 비만과 당뇨를 조절함에 있어서 유리한 점이 많이 있다. 그래서 격렬한 운동은 이러한 변화에 효과를 얻을 수 있는 가장 좋은 방법이 될 수 있다.

사이토카인의 효과에 부가하여, 운동 후에 만들어지는 IL-6는 호르몬 효과 이외에 지방조직과 간에 또 다른 신호를 전달한다. 그 결과 지속적으로 움직일 수 있는 에너지를 공급하는 역할을 한다. 즉 IL-6는 지방조직에 있는 지방산을 산화시키는데 있어서 강력한 자극제 역할을 하며 간에서 글리코겐을 분해하는데 관여하는 주된 요소이다. 비록 작용기전이 완전히 밝혀지지는 않았지만 IL-6는 인간에서 에너지를 공급함에 있어서 중요한 조절 효소인 AMPK(adenosine monophsphate kinase)와 호르몬에 민감한 lipase에 직접적으로 영향을 주는 것으로 추정된다. 그리고 IL-6는 혈액-뇌 관문(blood-brain barrier)을 통과할 수 있기 때문에 뇌에 직접적으로 영향을 줄 수 있다. 또한 운동하면 뇌는 IL-6를 직접 생산한다. 동물실험에서 IL-6는 식욕, 에너지 대사 및 체성분을 조절하는데 중요한 역할을 한다고 밝혀졌다.

2. 인터루킨-15(IL-15, Interleukin-15: Arnold Cytokine)
IL-6와 더불어 IL-15는 간접적인 방법으로 염증을 감소시킨다. IL-15는 지방조직의 크기를 감소시키고, 동시에 근육의 수축에 관여하는 요소를 증가시키는 PPAR-δ(peroxisome proliferator activated receptor-δ)같은 전사인자와 상호작용을 한다. 그 결과 지방조직의 양을 감소시키고 근육의 수축능력을 향상시켜서 염증에 관여하는 adipocytokine의 분비를 감소시킨다.

IL-15는 강력하게 비만을 억제하는 무기가 될 수 있는 최근에 부각되는 사이토카인이다. 이것의 작용은 저항운동이 유산소 운동만큼 많은 칼로리를 소모하지도 않고, 체성분의 극적인 변화가 오지 않는 이유를 설명할 수 있다. IL-15를 별명으로 Arnold cytokine이라고 부르는 이유는 유명한 육체미선수이고 영화배우인 Arnold Schwarzenegger의 이름에서 따온 별명이다. 육체미 선수는 매우 날씬하고 근육질의 몸매를 가지고 있는데 이렇게 만들려면 유산소운동보다는 고강도의 저항운동을 주로 해야 한다. 한 연구에 따르면 IL-15는 2형 근육에서 2배나 분비가 증가되며, 저항운동을 종료한 후 약 24시간까지 IL-15의 농도가 2배로 증가된 상태가 유지된다고 한다. 이러한 결과는 저항운동이 지방의 축척을 억제하는 기전을 설명할 수 있다. 주로 유산소운동에서 사용되는 1형 근육에서는 같은 효과가 나오지 않는다. IL-15는 지방조직의 크기를 많이 줄여주면서 근육조직의 양을 증가시킨다. 이러한 현상은 근육의 양을 유지하거나 증가시키는데 매우 바람직하다. 왜냐하면 유산소운동을 주로 하면 근육의 양도 지방조직과 함께 소실되기 때문이다.

3. 인터루킨-8(IL-8, Interleukin-8: Angiogenesis)
IL-8은 새로운 혈관을 생성하여 조직의 치유를 도와주는 또 다른 myokine이다. 이것은 무산소 운동을 하여 근육이 저산소상태에 빠지면 생산되는 myokine이다. IL-8은 새로운 혈관을 만들어서 혈액의 공급을 증가시켜주는 강력한 혈관생성인자이다. 근육에서 분비되는 IL-8은 직관적이며 근육이 스스로 다음의 운동 시에 필요한 산소와 영양소를 공급해 주기 위하여 준비하고 있는 것이다. IL-6처럼 IL-8도 운동의 강도와 연관성이 있다. IL-8은 탈진할 정도의 강력한 유산소 운동이나 근육이 원심성 수축을 할 때 고농도로 분비된다. IL-8은 국소적으로 작용하고 근육에서만 혈관생성을 유도한다. IL-8은 IL-6나 IL-15가 가지고 있는 호르몬과 같은 효과는 가지고 있지 않다.

4. 젖산
젖산의 생성은 운동에 있어서 몇 가지 유리한 점이 있다. 젖산은 호르몬과 같은 작용이 있어서 유익한 변화를 얻을 수 있다. 운동의 강도가 증가되면 카테콜아민의 생산이 폭발적적으로 증가된다. 그 결과 강력한 운동에 에너지를 공급하기 위하여 혈당을 증가시킨다. 운동의 강도가 증가되면서 유산소 상태의 생리학적 변화가 최고조에 다다르면 결국은 무산소 상태에 이르게 된다. 과거에는 이런 상태의 변화를 산소의 부족이라고 여겼으나, 요즈음에는 미토콘드리아에서 전자를 전달해 주는 shuttle이 포화되었다고 이해하고 있다. 이러한 현상이 일어나면 pyruvate와 수소이온이 세포질에 축적되기 시작한다. 그 결과 세포는 pH가 내려가면서 산성화되어 피로감과 강한 운동 후에 보이는 평소에 익숙한 근육의 에너지 고갈의 원인이 된다. 이러한 상황에서 젖산이 빠른 속도로 만들어지게 되는데, 과도하게 만들어진 젖산은 당신생과정을 거쳐서 다시 포도당으로 재생되기도 하고, 젖산이 바로 전단계 물질인 pyruvate로 되돌아가서 Kreb 회로로 들어가기도 한다. 또한 세포내에서 신호전달 분자로서의 역할도 한다.

운동을 하는 동안에 젖산에 의하여 보내지는 주된 신호는 “적응하는 신호”라고 할 수 있다. 이러한 신호를 분석해 보면 젖산은 두 가지 주된 기능을 가지고 있다. 첫 번째는 세포내에서 미토콘드리아의 분화와 생성을 촉진한다. 두 번째는 성장호르몬과 테스토스테론을 포함한 성장을 촉진하는 호르몬의 분비를 증가시킨다.
세포내에서 신호전달의 주작용은 mMCT-1(mitochondrial monocarboxylate transporters)의 발현을 상향 조절한다. mMCT-1은 미토콘드리아의 막에 박혀있는 단백질로 젖산을 pyruvate로 빨리 전환하는 작용을 한다. 그 결과 미토콘드리아의 효율을 증대시키는 역할을 한다. 뿐만 아니라 젖산은 미토콘드리아의 분화와 생성을 조절하는 유전자와 직접적으로 상호작용을 한다. 이러한 모든 현상들이 대사의 효율성을 증대시키는 쪽으로 새롭게 이해되어지고 있다. 젖산의 이러한 기능이 미토콘드리아의 능력을 증대시키고 강화하여 전체적으로 보면 생리적으로 유익한 많은 효과를 나타낸다.

젖산이 호르몬처럼 작용한다는 새로운 개념이 정립되고 있다. 그러나 아직은 젖산이 운동의 대사에 있어서 주된 신호전달분자의 역할을 하는지에 대한 더 많은 연구가 필요하다. 흥미롭게도 GPR81이라는 젖산 수용체가 쥐를 이용한 실험에서 발견되었는데 이것이 호르몬과 같은 작용을 한다는 것이 확인이 되었다. 또 다른 연구에서 젖산이 직접적으로 테스토스테론, 프로게스테론 및 성장호르몬의 분비를 촉진할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이러한 결과는 젖산이 인체가 적응하고 성장하는데 도움을 줄 수 있다는 기대가 커지고 있다.

테스토스테론과 성장호르몬
테스토스테론과 성장호르몬은 특히 인간에서 대사에 중요한 역할을 하며, 육체적 성장과 비만의 억제 및 항노화 작용이 있다. 테스토스테론과 성장호르몬은 부가적으로 근육의 양을 증가시키고 체지방의 양을 감소시킨다. 이 두 가지의 동화작용을 하는 호르몬은 무산소 운동 시에 더 많이 만들어 진다.

운동을 통해서 염증을 조절한다.
근육에서 만들어진 IL-6는 신경계에서 일어나는 현상이나 근육의 손상에서 일어나는 것과는 다르다. IL-6를 분비하게 하는 추진력은 기계적인 것으로 추정된다. 다른 말로 하면 움직임이 필요하다는 뜻이다. 즉 IL-6의 생산을 강화하려면 운동을 해야 한다는 뜻이다. 운동이 대사에 미치는 연구는 단순히 칼로리의 소모단계를 넘어서 훨씬 발전되어 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 고강도 무산소 운동은 호르몬 효과 및 사이토카인의 효과를 동시에 얻을 수 있다. 테스토스테론과 성장호르몬의 분비는 운동의 강도와 긴밀한 연관성이 있다. 여기서 고강도라는 말은 근육과 간에 저장되어 있는 글리코겐이 고갈될 정도의 운동을 하는 것을 말한다. 이러한 효과를 얻으려면 여러 시간 동안 지속적으로 운동을 하거나, 짧은 시간 동안 전력질주를 하는 운동을 하면 된다. 바쁜 현대인들한테 장시간의 운동은 현실적으로 추천하기 어렵지만 단시간의 고강도 운동은 현실적으로 실천의 가능성이 높다. 장시간 동안 운동을 하는 것의 단점은 코티솔의 분비를 높여서 오히려 역효과를 낼 수도 있다.
운동을 통하여 글리코겐이 감소되는 양에 비례하여 IL-6의 분비가 늘어나고, 고강도 운동을 하면 IL-6와 카테콜아민이 같이 증가하게 된다. 카테콜아민은 독립적으로 TNF-α와 IL-1을 낮추고, IL-6를 증가시키는 효과가 있다. 즉 짧은 시간 동안 고강도의 운동을 하면 시간을 절약하면서 동일한 효과를 보면서 염증을 감소시킬 수 있다.

1. 전인적인 관점에서의 운동처방
운동 효과에 대한 최신의 여러 연구에 근거하면, 걷는 것을 포함한 교차운동(cross training)이 많은 도움이 될 것이다. 예를 들면 걷기, 유산소 운동, 저항운동 및 심혈관계 단련을 위한 구간운동 등이 있다. 그러나 실제적인 운동 처방은 접근성, 시간적 제약 및 건강에 도움이 되는 조합의 운동 등을 종합적으로 고려해야 한다. 걷는 운동은 칼로리를 소모할 뿐 아니라 원기를 회복하고 이완해 주는 효과가 있다. 걷기는 저녁에 하는 것이 호르몬의 관점에서 보면 더 좋다. 도시생활을 하는 사람보다는 전원생활을 하는 사람들에게는 걷는 운동이 더 이득이 있다. 또한 걷기 운동은 코티솔을 낮춰주는 효과가 있다. 유산소 운동은 하루에 20~60분 정도를 하며, 일주일에 3회~ 5회 정도 시행하는 것이 가장 좋다. 최근의 연구에 따르면 유산소 운동이 체중을 유지하는 데 가장 좋을 수 있으나 체중을 줄이는 데는 최선이 아닐 수 있다. 고강도 무산소 간헐적 운동(HIIT)는 하루에 20~40분 정도를 하면 일주일에 3회 정도를 시행하면 동일한 정도로 심혈관계의 건강에 도움을 주며 체중을 감량하는데 더 도움이 될 것이다. 바쁜 현대인들에게는 운동하지 않고 체온을 올리는 NEAT(nonexercise associated thermogenesis)와 짧은 시간 동안에 폭발적으로 운동하는 것도 도움이 될 수 있다. Mark Smith박사에 의하여 고안된 폭발적인 운동은 1분 정도하는 무산소 운동 몇 가지를 하루 동안에 시행하면 임상적으로 의미 있게 체중이 감소한다는 결과를 얻었다. 차를 주차할 때 멀리해 두고 걷는 시간을 더 확보하고 계단을 뛰어서 올라가고, 앉아 있은 시간보다 서 있는 시간을 더 많이 갖는 것은 에너지를 소모하는 관점에서 보면 상당히 의미가 있다. 체중을 감량하는 운동 프로그램은 건강해지고 활기차며 체지방을 줄이는 것에 초점을 맞춰야 한다. 저항운동은 근육의 양을 유지하고 다시 체중이 늘어나는 것을 막을 수 있다.

적당한 무게를 이용한 반복 운동을 8~12회 정도 반복하는 것을 3-5회 정도 하는 것이 가장 이상적이다. 항상 시간적 제약이 따르기 때문에 통합적인 저항운동과 간헐적 운동이 필요한데 한번에 30분에서 60분 정도의 운동을 일주일에 3회에서 5회 정도하는 것이 칼로리를 소모하고 지방을 줄이는데 가장 효과적이다.
 

<다음 호에 계속>