성장호르몬은 나이가 들면서 감소하고, 이차호르몬인 인슐린유사성장인자(IGF-1)도 감소한다는 것은 잘 알려진 사실이다(1). 이는 근육단백질 동화작용이 나이가 들면서 감소하는 현상인 소위 ‘체성폐경기’와 관련이 있지만 그 기전은 불분명하다.
성장호르몬 결핍은 근력 감소, 제지방 감소, 체지방 증가, 운동능력 감소를 유발하는데, 이러한 문제는 성장호르몬 보충으로 적어도 부분적으로 완화할 수 있다(2). 성장호르몬은 아래 그림과 같이 구조적으로 시상하부와 뇌하수체를 나타내는 전엽하수체에서 분비된다.
그림과 같이 시상하부와 뇌하수체는 해부학적, 기능적으로 매우 밀접하게 연결되어 있다.
첫째, 성장호르몬은 시상하부에서 생성된다.
보다 구체적으로, 시상하부의 궁상핵에 세포핵이 있는 신경세포에서 생성된다.
즉, 성장호르몬방출호르몬(GHRH)이 궁상핵의 세포핵에서 먼저 생성되어 축삭을 통해 모세혈관의 네트워크를 형성하는 뇌하수체 문맥으로 보내지면, 뇌하수체 문맥으로 분비된 GHRH가 전엽하수체의 내분비세포를 자극하여 성장호르몬을 분비하게 된다.
전엽하수체에서 성장호르몬 분비, 운동과학, 인체수행능력과 운동생리학 성장호르몬 분비를 자극하는 주요 요인은 운동이다.
심폐순환계를 자극하는 전신 지구력 운동과 저항운동 모두 성장호르몬 분비를 자극한다.
그리고 그림에서 보듯이 혈중 아미노산 농도가 증가하더라도 성장호르몬 분비가 자극되고, 특히 아르기닌이 성장호르몬 분비를 자극하는지에 관심이 집중되고 있다.
반면 혈당이나 혈중 지방산 농도가 감소하면 성장호르몬 분비가 자극된다.
성장호르몬 분비를 자극하는 또 다른 환경적 요인은 저산소증이다.
즉, 저산소 단독 또는 저산소 환경+운동에서 성장호르몬 분비가 더욱 자극된다.
또한, 수면 중 비REM 수면 상태에서 성장호르몬 분비가 증가한다.
아래 그림은 성장호르몬과 IGF1 축에 의한 분비 및 작용 기전을 보다 자세히 나타낸 것이다.
GH/IGF-1 축의 분비 및 작용 기전, 운동과학, 인간의 수행능력과 운동생리학 먼저 GH/IGF-1 축에 대해 설명하겠다.
그림과 같이 전엽하수체에서 분비된 성장호르몬(GH)은 간으로 가서 세포막의 수용체와 결합한다.
이때 수용체는 티로신 키나제의 작용으로 활성화되고, 이는 다시 JAK(Janus Kinase)를 활성화시키고, JAK는 세포 내 중요한 전사인자 인산화효소인 STAT 단백질을 인산화시킨다.
JAK-STAT 신호전달 경로에 의해 활성화된 STAT는 세포핵으로 들어가 DNA에서 IGF-1 mRNA가 전사되도록 한다.
이와 같이 리보솜에서 생성된 IGF-1은 간에서 혈액으로 방출되어 조직 내 다양한 대사 기능, 특히 단백질 합성을 조절한다.
즉, 그림과 같이 IGF-1이 근육 세포막의 수용체에 결합하면 PKB(단백질 키나아제 B)-mTOR 경로를 통해 근육 단백질 합성이 촉진된다.
이와 같이 합성되는 단백질에는 액틴, 미오신, 트로포닌, 트로포미오신 등의 수축성 단백질뿐만 아니라 데스민, 티틴, 디스트로핀, 인테그린 등의 구조적 안정성에 작용하는 단백질이나 각종 효소 등이 있다.
PKB-mTOR 경로를 통해 합성되는 단백질 중 일부는 세포막에 위치한 아미노산 게이트를 인산화하여 활성화시키는 작용을 한다.
또한 혈액 내 성장호르몬이 이 아미노산 게이트에 작용하여 아미노산이 근육 세포 내로 유입되도록 돕는다.
reddyrohit, 출처 Unsplash한편, 혈액으로 분비된 성장호르몬은 지방조직에서 호르몬에 민감한 리파아제(HSL)를 활성화시켜 지방분해를 활발하게 일으키고, 이는 중성지방을 유리지방산(FFA) 3분자와 글리세롤 1분자로 분해하여 혈액으로 방출합니다.
지방분해의 결과로 혈액으로 방출된 유리지방산(FFA)은 근육 운동의 연료로 사용됩니다.
지방분해의 결과로 혈액으로 유입되는 FFA가 많을수록 근육으로 유입되어 연료로 사용됩니다.
또한 지방분해로 인해 혈액으로 방출된 글리세롤은 간으로 보내져 그림과 같이 포도당으로 전환됩니다.
즉, 글리세롤은 포도당신생성의 재료로 사용됩니다.
그림과 같이 성장호르몬도 이 과정에 관여합니다.
여기서 혈당 수치가 떨어지면 성장호르몬 분비가 촉진되는 이유를 알 수 있습니다.
즉, 뇌의 거의 유일한 연료인 혈당이 감소하면 인체는 글리세롤 등을 이용하여 해당분해를 촉진하여 감소한 혈당치를 다시 증가시키고, 대체 연료인 지방 연소율을 증가시킨다.
운동과 성장호르몬 및 IGF-1 분비 운동성호르몬 분비는 맥동적 특성 때문에 단일 운동에 대한 성장호르몬의 반응을 해석하기 어렵지만, 일반적으로 최대산소섭취량(VO2max)의 약 30%가 역치 수준이라고 보고된다(3).그러면 운동을 시작한 지 약 10분 후부터 분비가 촉진되어 운동의 강도와 종류에 따라 최대 100배까지 증가하며, 무산소 운동과 저산소 상태에서는 더욱 증가한다(3,4).아래 그림은 중강도 운동을 1시간 실시할 때 운동 중과 운동 후에 전형적으로 나타나는 혈중 성장호르몬 농도의 변화를 나타낸 것이다.
운동 중 성장호르몬 분비 패턴, Exerscience, 출처, 인간 성과 및 운동 생리학 낮에 장시간 운동을 할 경우 그날 수면 후반에 성장호르몬 분비 속도가 증가한다는 보고도 있다(5). 아래 그림은 근력 운동 중 IGF-1의 작용으로 근육 세포에서 PKB-mTOR 경로가 활성화되고 근육 단백질 합성이 촉진되는 과정을 보여준다.
IGF-1에 의한 PKB-mTOR 경로 활성화, Exerscience, 출처, 인간 성과 및 운동 생리학 IGF-1은 운동을 시작한 지 10분 이내에 증가하기 시작하여 약 13-26% 증가하며, 이 증가는 성장호르몬과 무관하게 강도 의존적으로 증가한다(6). 이러한 결과는 성장호르몬-IGF1 축에 의한 간에서의 IGF1 분비 외에도 운동이 국소적으로 운동한 근육에서 IGF1 mRNA의 증가를 자극한다는 것을 시사한다(7). 즉, 운동에 따른 IGF-1 농도는 GH/IGF1 축에 의해서만 결정되는 것이 아니라 성장호르몬 비의존적 IGF-1 유전자의 조직 특이적 스플라이싱에 의해서도 결정됨을 알 수 있다(7). #참고로 스플라이싱은 전사 과정에서 먼저 생성된 전구체 RNA에서 인트론을 제거하는 과정으로, 단백질을 암호화하는 엑손 부분과 암호화되지 않는 인트론 부분을 모두 포함하고, 엑손이 연결된 성숙한 mRNA를 생성한다.
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