학문
일부 동물이 겨울잠을 자는 동안 생존할 수 있는 비결은?
안녕하세요.
일부 동물들은 동면을 취한는 동안 에너지 대사도 줄이면서 버텨냅니다. 이와 관련하여 특수한 단백질 물질이 있는지, 인간 의학 연구와의 연관성이 있나요?
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요.
일부 동물이 겨울잠, 즉 동면을 통해 장기간 생존할 수 있는 것은 단순히 잠을 오래 자는 것이 아니라, 전신 대사 시스템을 적극적으로 재설정하여 에너지 소비를 극단적으로 낮추는 정교한 생리 조절에 있습니다.
대표적인 동면 동물로는 북극땅다람쥐, 박쥐, 아메리카흑곰 등이 있는데요 이들은 동면기에 체온을 평소 37℃ 안팎에서 수℃ 수준까지 낮추거나 혹은 체온을 비교적 유지하되 대사율만 크게 낮추는 방식으로 생존합니다. 이때 심박수와 호흡수는 평상시의 5~10% 수준으로 감소하고, 산소 소비량도 크게 줄어듭니다.
이 과정에서 중요한 것은 몇 가지 분자세포 수준의 변화인데요 첫째, 세포 내 에너지 감지 경로가 전환됩니다. AMP/ATP 비율 변화를 감지하는 AMPK 경로가 활성화되고, 단백질 합성과 세포 증식을 촉진하는 mTOR 경로는 억제됩니다. 그 결과 세포는 성장 모드에서 보존 모드로 전환합니다. 둘째, 미토콘드리아의 산화적 인산화 속도가 조절되어 ATP 생산을 최소한으로 유지하면서 활성산소 생성도 감소시킵니다. 셋째, 일부 동면 동물에서는 동면 유도 인자로 불리는 혈중 단백질 복합체가 보고되었으며, 특정 열충격단백질, 항산화 효소, 지방산 결합 단백질의 발현이 증가합니다. 이 단백질들은 저온과 저산소 상태에서 단백질 변성을 막고 세포 구조를 안정화하는 역할을 합니다. 또 하나 중요한 점은 에너지 원의 전환인데요 동면 동물은 주로 저장된 지방을 β-산화하여 에너지를 얻습니다. 탄수화물 의존도가 낮아지고 케톤체 활용이 증가하며, 근육 단백질 분해는 최소화됩니다. 특히 곰은 수개월 동안 거의 움직이지 않음에도 근육 위축과 골다공증이 거의 발생하지 않는데, 이는 단백질 재활용과 질소 대사 재순환 메커니즘이 활성화되기 때문입니다.
이러한 생리적 특징은 인간 의학 연구와 매우 밀접한 관련이 있는데요 동면 연구는 장기 이식에서 장기 보존 시간을 늘리는 저대사 상태 유도 기술과 연관이 있으며 또는 외상이나 심정지 환자에서 조직 손상을 줄이기 위한 치료적 저체온 요법의 개선에 도움이 될 수 있습니다. 다만 인간은 자연적 동면 프로그램을 갖고 있지 않기 때문에, 동일한 상태를 안전하게 유도하는 것은 아직 연구 단계입니다. 감사합니다.
안녕하세요. 이상현 전문가입니다.
동면동물은 체온과 심박, 산소소비를
수십퍼센트 수준으로 낮추고, 특정 동면유도단백질이나
열충격단백질, 항동결단백질 발현을 증가시켜서
세포손상과 단백질 변성을 억제하게됩니다.
이 기전은 저체온수술이나 장기보존, 허혈-재관류 손상 등
인간의학에서 대사억제나 세포보호전략 개발의
모델로 연구가 수행되고있기도합니다.
감사합니다.
동물들이 겨울잠을 자는 비결은 체온을 주변 온도에 맞춰 낮추고 심박수와 호흡을 최소화하여 에너지 소비를 극한으로 줄이는 효율적인 대사 조절 능력에 있습니다. 동면 중에는 신진대사가 평상시의 일부 수준으로 급감하며 이때 간과 근육에 저장된 지방을 분해하여 생존에 필요한 최소한의 에너지를 얻습니다. 연구 결과에 따르면 특정 단백질이 동면 유도나 세포 보호에 관여하며 이를 인간의 장기 이식 시 장기 보존 시간을 늘리거나 저체온증 치료 및 근육 위축 방지와 같은 의학적 기술로 응용하기 위한 분석이 진행되고 있습니다. 인간은 자연적인 동면 기제가 없으나 이러한 동면 유도 물질의 원리를 파악하여 중증 외상 환자의 생존율을 높이거나 우주 항해를 위한 인공 동면 기술을 개발하려는 시도가 지속되고 있습니다.
네, 동면을 할 때 발생되는 특이한 단백질이 있습니다.
동면을 하는 동물은 동면성 특이 단백질(HP)를 통해 뇌를 보호하고 대사를 조절하며, 탈공액 단백질(UCP1)로 갈색 지방을 태워 필수 체온을 유지합니다. 이러한 기전은 현대 의학에서 인공 동면 부분에서 연구되는 부분이죠.
특히 장기 이식 시 적출된 장기의 보존 시간을 늘리거나, 응급 환자의 대사를 낮춰 치명적 세포 손상을 막는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
또한 수개월간 동면을 하며 움직이지 않아도 근육과 뼈가 손상되지 않는 특성을 이용해 근감소증 및 골다공증 치료제 개발도 진행 중입니다.
그 외 NASA 등에서도 우주인이 오랫동안 우주 여행을 할 때 에너지 소모를 줄이기 위한 방안으로 이 메커니즘을 연구하고 있습니다.