살을 빼는 갈색지방

현대인들의 건강을 위협하는 가장 무서운 질병은 무엇일까. 정답은 비만이다. 대한비만학회에서 제시한 정의에 의하면, 비만이란 체내 지방량이 정상보다 많이 축적된 상태를 말한다. 비만은 제2형 당뇨병, 이상지질혈증, 고혈압, 지방간, 담낭질환, 관상동맥질환(협심증, 심근경색증), 뇌졸중, 수면무호흡증, 통풍, 골관절염, 월경 이상, 대장암, 유방암 등 다양한 합병증을 야기하기도 하며, 실제로 세계보건기구에서는 이미 1996년 비만을 질병으로 정의하였다.

하지만 모든 지방이 비만의 원인이 되는 것은 아니다. 비만의 원인은 ‘백색지방세포’로 우리가 흔히 지방으로 간주하는 대부분이 여기에 속하며 백색지방이라고도 한다. 지방을 에너지원으로 저장하는 백색지방과는 달리, 우리 몸에는 저장된 지방을 분해하며 열에너지를 방출시키는 ‘갈색지방세포’(또는 갈색지방)와 ‘베이지색지방세포’(또는 베이지색지방)도 함께 존재한다. 주의해야 할 점은 여기서 말하는 지방이란 글리세린 한 분자에 지방산 3분자가 에스터(ester)결합을 이루고 있는 트라이글리세라이드(triglyceride)가 아닌, 에너지를 지방의 형태로 저장하는 지방 세포(lipocytes)를 지칭한다.

백색지방세포와 갈색지방세포의 가장 큰 차이점은 세포 내 미토콘드리아의 함유량 차이다. 갈색지방세포의 경우 미토콘드리아 함유가 높아 갈색을 띠는 반면, 백색지방세포의 경우 미토콘드리아가 상대적으로 적어 흰색을 띤다. 베이지색지방의 경우, 초기에는 백색지방세포로 존재하나 특정 상황에서 베이지색지방으로 변해 갈색지방세포와 유사한 기능을 수행하기에 발생단계에서 백색지방으로 분류된다.

갈색지방으로부터 비만의 해결을 찾다

갈색지방세포는 생물체 내 다른 세포에 비해 미토콘드리아 함유량이 높다. 미토콘드리아(mitochondria)는 세포질에서 생명체의 에너지 대사와 관련된 주요한 세포소기관으로, 해당 과정 후 만들어진 피루브산(pyruvate)으로부터 미토콘드리아 내막에서 일어나는 TCA 회로(TricarboxylicAcid Cycle)를 통해 세포가 이용 가능한 에너지 저장 형태인 아데노신 삼인산(ATP, Adenosine triphosphate)를 생성하는 역할을 수행한다. 따라서 미토콘드리아 함유량이 높은 세포는 에너지를 많이 만들어낸다고 추측할 수 있다. 실제로 물질의 생합성, 쓸개즙 생성 등 다양한 분비 물질을 합성하고 해독작용에 필요한 효소를 생산하는 간세포와 신체의 활발한 운동을 위해 에너지를 과량 소모하는 근세포의 경우 일반적인 체내 세포보다 더 많은 양의 미토콘드리아를 가진다.

미토콘드리아 외막을 통과할 수 있는 피루브산은 다양한 경로에 의해 얻을 수 있는데, 탄수화물을 주원료로 사용하는 해당 과정 이외에도 아미노산의 분해와 지방산의 β-산화가 포함된다. 갈색지방세포가 저장된 지방을 원료로 하여 에너지를 생산할 수 있는 이유 역시 이와 관련되어 있다.

미토콘드리아 내막의 전자전달계와 산화적 인산화 과정 [이미지 제작=대한민국청소년기자단 5기 박광천기자]

특이하게도, 갈색지방세포에서 생성되는 ATP의 양은 미토콘드리아 함유량이 높은 다른 세포들에 비해 낮은데, 이는 갈색지방이 비만 문제의 해결책으로 제시되는 결정적 근거로 작용한다. 미토콘드리아 내막에는 피루브산 산화부터 TCA 회로까지 세포 호흡이 진행되며 발생한 호흡 산물인 NADH와 FADH₂를 ATP의 형태로 전환시키는 전자전달계가 존재한다. NADH와 FADH₂가 산화되며 전달된 고에너지 전자는 전자전달계의 단백질들을 환원시키며 에너지를 전달하게 되고, 최종적으로 전자수용체인 산소에게 전달되어 물 분자를 형성한다. 고에너지 전자를 얻어 활성화된 전자전달계의 단백질들은 미토콘드리아 기질의 수소 이온을 수소 이온의 농도가 높은 미토콘드리아 외막과 내막 사이의 공간(막간강)으로 능동 수송한다. 수송된 수소 이온(양성자)은 ATP 합성효소(ATPase)를 통해 상대적으로 수소 이온 농도가 낮은 미토콘드리아 기질로 이동하게 되는데, 이러한 농도 차에 따라 이동하면서 발생한 에너지로 ATP를 합성하게 된다.

갈색지방세포가 어떠한 자극에 의해 활성화되면 UCP-1이라는 짝풀림 단백질(uncoupling protein)을 합성하게 되는데, 이 짝풀림 단백질은 미토콘드리아 내막으로 이동하여 통로 단백질과 같은 역할을 수행한다. ATP 합성효소를 통해 이동해야 할 상당량의 수소 이온이 통로 단백질을 통하여 미토콘드리아 기질로 유출되며 미토콘드리아 막간강과 기질의 수소 이온 농도 기울기는 파괴된다. 결론적으로 UCP-1이 존재하는 미토콘드리아에서는 동일한 양의 호흡 산물로부터 적은 양의 ATP가 합성되게 되며, 이를 극복하기 위해 갈색지방세포는 정상 세포에 비해 같은 에너지를 얻기 위해 더 많은 지방을 태우게 된다. 태아의 체온 유지와 강낭콩을 비롯한 콩과 식물의 발아 시 온도가 높아지는 현상이 갈색지방세포의 에너지 생성의 대표적인 결과이다.

그렇다면 어떻게 해야 갈색지방세포의 수를 증가시킬 수 있을까. 2013년 노르웨이 오슬로대 연구팀은 사람에게 있어 운동이 갈색지방세포에 미치는 영향을 연구한 결과, 운동을 하면 체내 UCP-1 발현이 증가한다는 연구 결과를 발표하였다. 결국, 운동을 지속할수록 갈색지방세포 외에 백색지방세포와 베이지색지방세포의 미토콘드리아 내 UCP-1 농도를 증가시켜 갈색지방세포와 유사한 기능을 수행하도록 유도할 수 있으며, 결론적으로 에너지 소비를 증가시킬 수 있다. 갈색지방세포의 특성에 관한 연구와 백색지방세포와 베이지색지방세포의 갈색지방세포로의 전환에 대한 연구는 현재 진행형이며, 천연물질로부터 그 해답을 찾기 위해 전 세계적으로 연구 중에 있다.

모든 지방세포가 비만을 야기하는 것은 아니다. 갈색지방세포와 베이지색지방세포와 같이 저장된 지방을 에너지원으로 사용하며 에너지를 발생시키는 지방세포 역시 존재한다. 갈색지방세포를 통해 대상의 이름으로부터 간략적인 역할을 유추하는 것도 필요한 추론 능력이지만, 정확한 쓰임과 정보에 대해 조사하는 학습 역시 중요함을 알 수 있다. 이번 기회를 통해 지금까지 잘못된 과학 지식을 진실로 오인하고 있지는 않은지 확인해보는 시간을 가지며, 갈색지방세포 활성화를 위해 운동 계획을 세워보는 것은 어떨까.

[대한민국청소년기자단 IT·과학부=5기 박광천기자]