물리적 운동이 미토파지 및 혈관건강에 끼치는 영향
2020-06-02
org.kosen.entty.User@5856ce46
나지훈(moogun81)
1. 개요
적절한 운동은 건강을 유지하기 위한 방법 중 하나로, 심혈관 관련 질환에 걸릴 위험을 낮춘다. 심장기능은 평소 물리적인 운동습관과 밀접한 관련이 있다. 여러 연구 결과에 따르면 꾸준히 움직이며 생활한 사람이 심혈관 질환에 걸렸을 때 생존율이 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 일반적으로 적절한 물리적 운동은 심혈관에 이롭게 작용한다고 생각되고 있다. 이러한 운동은 전체적인 심혈관의 생존율을 증가시키며, 심혈관 관련 질환을 치료하기 위한 약물의 효율을 높여준다. 그러나 아직 운동의 강도에 따라 어떤 효과가 있는지 그 관계에 대해서는 자세히 알려져 있지 않다. 실제 연구들에 따르면 고강도의 운동은 오히려 심장에 무리를 준다는 결과도 발표되었다. 따라서 이 보고서에서 다루는 운동은 일반적인 적절한 수준의 유산소운동으로 정의하고자 한다.
현재까지 다양한 세포, 분자수준의 이론이 제기되어 왔다. 그 이론들의 예로는 인슐린 민감성의 증가, 산화적 스트레스의 감소, 섬유의 산화적 미세섬유로의 변화, 미토콘드리아의 기능성 증가가 있다. 또한, 최근에는 물리적 적응과 자가포식작용의 활성화가 관여한다는 가설이 대두되고 있다. 영양적 기아상태나 물리적 활동성의 증가 상태에서 자가포식작용은 일반적으로 활성화되며, 오래되고 손상된 세포의 소기관을 분해 및 재활용하여 새로운 단백질 및 ATP을 생성한다. 특정 소기관만 표적으로 하여 조절하는 자가포식작용을 특이적 자가포식작용이라고 한다. 최근에는 미토콘드리아를 조절하는 자가포식작용인 미토파지의 역할이 대두되고 있다. 미토파지는 영양적 기아상태나, 물리적인 운동 상황에서 미토콘드리아를 조절할 수 있다. 특히 심장에서는 오래되거나 손상된 미토콘드리아를 제 때 제거하는 것이 매우 중요하다. 심장은 상당한 양의 ATP를 필요로 하기 때문에 효율적으로 미토콘드리아를 조절할 수 있어야 심장기능에 문제가 생기지 않는다. 흥미롭게도, 최근 연구에 따르면 운동은 심장을 보호하는 미토파지를 유도할 뿐만 아니라 미토파지가 적절한 수준으로 유지되도록 돕는다고 알려졌다. 따라서 미토파지는 운동이 어떻게 조직의 상태를 조절할 수 있는지 이해하기 위해서 중요한 부분이다. 본 보고서에서는 미토파지가 운동에 의한 심혈관의 변화에서 어떤 역할을 하는지 정리하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 물리적 운동과 혈관건강에 대한 현재 가설
충분한 강도와 지속적인 물리적 운동은 심혈관의 기능을 향상시키며 심장 관련 질병을 예방할 수 있다. 예를 들어 3-5일의 짧은 기간 동안의 훈련은 허혈 및 재관류에 의한 심장의 손상을 막을 수 있다. 아직 자세한 기작에 대해서는 알려진 바가 없다. 어떤 연구에서는 운동 강도 및 기간이 다른 여러가지 경우의 운동이 각 심혈관 관련 질환에 어떤 효과가 있는지 알아보았다. 사양한 형태의 운동이 만성적인 심혈관 질환에 효과가 있었다. 또한 오랜 기간 동안의 유산소 운동은 관상 동맥 질환 환자에서 가장 효과가 좋았으며, 고강도의 인터벌 트레이닝은 특히 만성적인 심장질환 환자에서 좋은 결과를 보였다 [1]. 여기에서는 운동이 심혈관의 기능에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 한다.
2.1.1. 운동에 의한 혈관의 기능적, 구조적 변화
조직 수준에서 보면, 심혈관에 대한 운동의 장점은 두 가지가 있다. 하나는 운동 중 많은 양의 에너지를 요구함에 따라 기능적으로 변화가 생기는 것과, 나머지 하나는 오래 지속될 경우 만성적으로 적응이 된다는 점이다. 후자의 경우는 지속적인 운동에 의한 경우가 많다. 운동이 지속됨에 따라서 만성적으로 적응이 되면 대사적인 유동성이 증가하고, 심장은 구조를 바꾸게 되며, 혈관이 새로이 생성되는데, 이러한 현상들은 결과적으로 심장을 보호하는 역할을 하게 된다. 심장기능의 향상은 여러 스트레스로부터 유연하게 대처할 수 있는 능력이 증가하는 것이기 때문에 결과적으로 운동은 심장의 기능을 향상시키게 된다.
2.1.2. 운동 중 심장기능의 변화
운동에 의해서 심장은 물리적인 적응을 거치게 된다. 이 때 심 박출량이 증가하고, 근골격계 및 폐의 요구량이 증가하며 주변으로의 관류 역시 증가한다. 많아진 심 박출량은 심박수 및 박출량의 증가, 그리고 심장의 수용공간의 증가에 의해서 이루어진다. 교감신경계에 의한 심장박동수 변동 (chronotropic) 및 근육수축력 반응은 운동에 의해 내인성 근육 긴장도의 증가와 함께 촉진될 수 있다 [2]. 노르 에피네프린 (Norepinephrine)은 β1 수용체에 붙어서 G 단백질과 adenylate cyclase를 활성화한다. 그 후 cAMP가 축적되면 세포 내 칼슘의 양이 증가하고 심장의 수축성을 증가시킨다. 수축성이 지나치게 증가하면 부정맥을 유도하여 유해하게 작용할 수도 있다.
2.1.3. 물질 대사 유연성
물질 대사 유연성은 대사적 요구량의 변화에 기관이 적응할 수 있는 능력을 일컫는다. 물리적 운동은 에너지의 소비 및 요구량을 급격히 증가시킨다. 앞선 연구결과들에 따르면 운동은 지방산과 글루코스의 산화의 증가에 관련이 있다고 알려져 있다. 운동하는 동안 카테콜아민과 순환하는 기질의 변화는 심장의 대사작용에 영향을 주게 된다. 글루코스의 이화과정 (catabolism)은 운동하는 동안 순간적으로 억제되며, 회복 후에는 운동 전 상태로 회복된다. 이 때 이러한 대사적 변화는 운동에 대한 일시적인 반응뿐만 아니라 다음 운동을 대비하여 미리 기관이 적응하도록 한다. 이는 자가포식작용 및 다른 세포 이화과정을 통해서 이루어진다. 운동은 또한 인슐린 신호를 촉진한다. 운동은 인슐린에 대한 민감도를 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 글루코스와 에너지의 유지에 이롭게 작용한다. 운동 후에 인슐린 저항성을 지닌 근육에서 글루코스의 수용이 일정하게 유지되었다. 이러한 현상은 심장에서 글루코스의 사용을 촉진하며 에너지의 생성을 증가시킨다. 또한 지구력 훈련은 허혈 및 재관류로부터 심장을 보호하며, 이때 CoA의 합성 및 암모니아의 재활용, 단백질의 품질관리 등이 이러한 역할을 수행하는 데 중요하다고 알려졌다 [3].
2.1.4. 심장 및 혈관의 만성적 적응
심장 비대증은 심장의 적응성 리모델링 과정 중 일부로 여겨지고 있다. 병리학적인 조건에서 관찰되는 심장 비대증과는 달리 것과는 달리 운동에 의한 적응과정에 나타나는 심장 비대증은 심실의 부피가 경미하게 증가하며, 심근기능이 보존되거나 증가하게 된다. 또한 심장 섬유화나 심근세포의 사멸 등이 관찰되지 않는다 [4]. 두 원인에 의한 심장 비대증이 이러한 차이를 보이는 이유를 찾기 위해 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔는데, 아직 어떻게 운동이 고혈압과는 다른 효과를 보이는지는 알려져 있지 않다. IGF-1/IRS-PI3K-Akt 신호기작이 운동에 의한 심장 비대증을 매개할 것이라 알려져 있다.
간헐적 혈역학 자극 (intermittent hemodynamic stimuli)이 운동에 의해 유도되면 혈관생성을 촉진시켜 혈관조직을 확장하고 그 기능을 증가시킨다. 이러한 변화는 심박출량을 증가시킨다. 운동에 의해 유도된 카테콜아민의 순환은 β-3 adrenergic 수용체가 eNOS를 증가시키도록 작동시킨다. 최근 연구에 따르면 리듬 손잡이 운동은 eNOS의 인산화를 증가시키고, NO및 O2-를 생성하며 자가포식작용 관련 단백질을 증가시킨다고 알려졌다. 결과적으로 운동이 혈관의 기능을 조절할 때 eNOS/NO 신호 및 자가포식작용과 깊은 연관이 있다는 것을 예상할 수 있다.
2.1.5. 세포분자적 관점에서의 운동에 의한 변화
세포수준에서 보면, 운동성 심장 비대증은 세포의 생존율을 증가시키는 다양한 기작과 관련이 있다. 단백질의 품질 조절, 세포의 성장 관련 합성, 항산화물질 생성, 자가포식작용, 미토콘드리아의 적응기작 등이 해당한다. 최근에는 운동이 텔로미어의 활성을 촉진하여 세포의 수명을 조절하는 것으로 알려졌다. 또한, 노화와 관련된 심장대사 관련 스트레스를 극복하기 위해 운동이 자가포식작용을 매개한다고 한다.
최근에는 미토콘드리아의 역할이 운동에 의한 심장의 변화에 매우 중요하다고 여겨지고 있다. 운동에 따른 심장의 적응과정에서 미토콘드리아의 리모델링은 필수적인 부분이다. 운동에 의해 대사과정에 변화가 생기면 미토콘드리아의 기능에 영향을 주며, 미토콘드리아 네트워크를 증가시켜 대사적인 유연성을 증가시킨다. TFEB는 운동 중 미토콘드리아의 생성을 조절하고, 글루코스의 섭취를 조절하여 대사적 유연성을 증가시킨다.
운동에 의해 유도되는 미토콘드리아 생성 및 미토파지의 상위 조절자를 찾기 위한 연구에서 미토콘드리아로 리소솜을 유도하기 위해서는 AMPK의 인산화가 이루어진다는 것을 발견하였다 [5]. 또한, PGC-1α가 운동에 의해 유도되는 미토콘드리아의 반응 매개한다. PGC-1α는 다양한 전사인자와 결합할 수 있다. 이중에서 미토콘드리아의 생성 및 에너지 대사에 관련된 PPARβ 및 ERR에 결합하여 미토콘드리아를 조절한다. 운동은 고지방성 간에서 PGC-1α의 야에 따라 미토파지를 복원한다. Akt는 C/EBPβ를 저해하여 미토콘드리아 네트워크를 유지시키며 심장 비대증을 유도한다.
2.2. 심장혈관의 기능에 미치는 운동의 위험성
적절한 운동은 심혈관 기능에 이롭게 작용하지만, 격렬한 운동이 어떤 영향을 주는지는 아직 정확히 알려지지 않았다. 지금까지의 연구결과를 보면 대부분의 결과들이 운동은 강도 및 빈도, 지속기간에 따라 유익하게 작용한다고 추측된다. 권장하는 수준을 웃도는 높은 강도의 물리적 운동은 이미 심혈관질환을 지닌 환자에게는 매우 위험하다. 그러나 어느 정도의 운동이 효과를 보이는 지에 대해서는 아직 명확하지 않다. 최근 연구들에 따르면 운동의 강도와 건강의 관계는 U자 혹은 J 자의 그래프 모양을 보인다고 한다. 적절한 양의 운동은 심혈관질환의 위험성을 낮추지만, 과도한 운동은 오히려 심혈관 질환에 의한 위험도를 증가시킬 수 있다.
지속적인 강렬한 운동은 심장의 전기적, 구조적 리모델링에 불리하게 작용할 수 있다. 또한 세포질의 카테콜아민 민감도는 운동에 의해 부적절한 영향을 받을 수 있다. 심근기능 유지에 필수적인 β-adrenergic 수용체를 저해하여 해롭게 작용할 수 있다.
2.3. 미토파지와 운동의 관계
운동에 의해 유도된 미토파지는 일반적인 미토파지 기작과는 조금 다르다. Parkin은 운동에 의해 유도된 미토파지의 초기 기작에 필요한 것으로 알려져 있다. 운동은 Parkin을 미토콘드리아로 유도하여 미토파지를 증가시킨다. 골격근 세포에서는 PINK1의 축적 없이 미토파지가 촉진되지만, HeLa세포에서는 PINK1이 증가한다. 운동과 미토파지의 관계 연구에는 주로 골격근 세포를 이용한다. 최근 연구들을 통해 밝혀진 운동과 미토파지의 관계를 주제별로 정리하고자 한다.
2.3.1. 질병예방을 위한 운동에서 미토파지의 역할
지금까지의 연구들을 정리해보면 운동하는 동안 미토파지는 조직을 보호하는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 미토파지는 운동에 의해 생성되는 위험으로부터 심장을 보호하는 역할을 한다. 미토파지는 운동에 의해 활성화되는 염증반응이나 활성산소에 의해서 유도된다. 활성화된 미토파지는 활성산소를 제거하고 염증반응을 제거하여 미토콘드리아의 손상을 줄이는 역할을 한다. 또한 운동은 다양한 질병을 치료하기 위한 안전하면서 경제적인 방법이다. SIRT3는 PINK1/Parkin과 마찬가지로 운동에 의해 유도된 미토파지에 필수적이다.
자가포식작용은 운동과 영양적 기아상태에서 활성화되고, 영양분이 풍부한 상황에서는 억제되어 있다. 그러나, 인류는 발전한 기술과 생활습관으로 인해 과거에 비해 운동량이 현저히 줄어들었으며, 이는 운동이 아무리 질병예방 효과가 있다고 하지만 결국은 만성적인 비만, 당뇨병, 심혈관 질환, 암 등의 발병을 증가시켰다. 또한, 이러한 만성적 대사질환은 심혈관 관련 질환의 주요 원인이다. 다행스럽게도 운동은 초기에 심혈관 질환을 예방하는 역할을 할 수 있다. 또한, 식단의 영양과 맞물려 효과를 보이기 때문에 최근 들어서 미토파지 혹은 자가포식작용이 예방에 있어 중요한 역할을 할 것이라고 추측하고 있다. 고지방 식이를 거친 쥐가 운동 훈련을 받으면 고지방에 의한 세포의 사멸이 감소하고 미토콘드리아의 생성이 증가하는 것을 확인하였다.
2.3.2. 특정 병리학적 조건에서의 미토파지의 역할
노화 혹은 대사 질환은 운동하는 동안 미토파지의 조절을 방해할 수 있다. 운동에 의해 촉진되는 미토파지는 노화가 진행될수록 억제된다. 이러한 현상은 결국 노화한 근육에서의 미토콘드리아의 기능장애를 야기한다. UPR은 운동에 대해 반응하는 또 다른 적응현상이다. UPR의 활성화 역시 노화가 진행되면서 감소한다. 최근 연구에 따르면 노화에 따른 미토파지의 감소는 운동을 통해서 부분적으로 회복할 수 있다고 한다. 노화에 따른 PCG-1α의 감소와 BNIP3, LC3II의 증가는 평생 운동훈련을 받은 쥐에서 개선되었다.
성별에 따라 심혈관의 기능에 차이가 존재한다. 따라서 성별의 차이는 운동에 따른 심장의 반응에서도 차이를 보인다고 알려져 있다. 비슷한 운동을 수행할 시에 심장질환을 가진 여자환자가 더 심한 증세를 보인다. 이러한 차이는 성별에 따른 호르몬이 영향을 끼친다고 예상하고 있다. 에스트로젠 수용체가 골격근세포의 미토콘드리아에 존재하기 때문에 이들이 미토콘드리아의 크기를 감소시키고 세포사멸을 저해한다. 또다른 가능성은 PI3K/AKT의 활성화 및 ERK1/2의 조절이 에스트로젠에 의해 차이를 보일 수 있다 [6].
3. 결론
운동은 건강에 도움이 된다고 당연시 여기고 있었지만 실제로는 그 운동의 강도에 따라 조직별로 매우 정확한 기작을 통해서 조절된다는 것을 알 수 있다. 가벼운 운동과 짧은 주기의 대부분의 운동들은 만성적 질환을 예방하는데 도움이 되며, 조금 더 지속적인 운동은 심장 비대증과 같은 심장질환의 회복에 도움이 된다. 또한 이러한 심장과 관련된 효과는 미토파지를 통해서 주로 조절이 되며 이들의 관계에 대한 세포수준의 연구가 더 진행된다면 약물만으로는 한계가 있는 치료책 연구에 도움이 될 것이라고 생각하며, 새로운 표적 물질을 발견할 수 있을 것이라 기대된다. 다만, 아직은 골격근세포 위주의 실험에만 치중되어 있기 때문에 앞으로 더 다양한 관점에서의 연구가 진행되어야 할 것이라고 생각한다.
적절한 운동은 건강을 유지하기 위한 방법 중 하나로, 심혈관 관련 질환에 걸릴 위험을 낮춘다. 심장기능은 평소 물리적인 운동습관과 밀접한 관련이 있다. 여러 연구 결과에 따르면 꾸준히 움직이며 생활한 사람이 심혈관 질환에 걸렸을 때 생존율이 더 높은 것으로 나타났다. 따라서 일반적으로 적절한 물리적 운동은 심혈관에 이롭게 작용한다고 생각되고 있다. 이러한 운동은 전체적인 심혈관의 생존율을 증가시키며, 심혈관 관련 질환을 치료하기 위한 약물의 효율을 높여준다. 그러나 아직 운동의 강도에 따라 어떤 효과가 있는지 그 관계에 대해서는 자세히 알려져 있지 않다. 실제 연구들에 따르면 고강도의 운동은 오히려 심장에 무리를 준다는 결과도 발표되었다. 따라서 이 보고서에서 다루는 운동은 일반적인 적절한 수준의 유산소운동으로 정의하고자 한다.
현재까지 다양한 세포, 분자수준의 이론이 제기되어 왔다. 그 이론들의 예로는 인슐린 민감성의 증가, 산화적 스트레스의 감소, 섬유의 산화적 미세섬유로의 변화, 미토콘드리아의 기능성 증가가 있다. 또한, 최근에는 물리적 적응과 자가포식작용의 활성화가 관여한다는 가설이 대두되고 있다. 영양적 기아상태나 물리적 활동성의 증가 상태에서 자가포식작용은 일반적으로 활성화되며, 오래되고 손상된 세포의 소기관을 분해 및 재활용하여 새로운 단백질 및 ATP을 생성한다. 특정 소기관만 표적으로 하여 조절하는 자가포식작용을 특이적 자가포식작용이라고 한다. 최근에는 미토콘드리아를 조절하는 자가포식작용인 미토파지의 역할이 대두되고 있다. 미토파지는 영양적 기아상태나, 물리적인 운동 상황에서 미토콘드리아를 조절할 수 있다. 특히 심장에서는 오래되거나 손상된 미토콘드리아를 제 때 제거하는 것이 매우 중요하다. 심장은 상당한 양의 ATP를 필요로 하기 때문에 효율적으로 미토콘드리아를 조절할 수 있어야 심장기능에 문제가 생기지 않는다. 흥미롭게도, 최근 연구에 따르면 운동은 심장을 보호하는 미토파지를 유도할 뿐만 아니라 미토파지가 적절한 수준으로 유지되도록 돕는다고 알려졌다. 따라서 미토파지는 운동이 어떻게 조직의 상태를 조절할 수 있는지 이해하기 위해서 중요한 부분이다. 본 보고서에서는 미토파지가 운동에 의한 심혈관의 변화에서 어떤 역할을 하는지 정리하고자 한다.
2. 주요 내용
2.1. 물리적 운동과 혈관건강에 대한 현재 가설
충분한 강도와 지속적인 물리적 운동은 심혈관의 기능을 향상시키며 심장 관련 질병을 예방할 수 있다. 예를 들어 3-5일의 짧은 기간 동안의 훈련은 허혈 및 재관류에 의한 심장의 손상을 막을 수 있다. 아직 자세한 기작에 대해서는 알려진 바가 없다. 어떤 연구에서는 운동 강도 및 기간이 다른 여러가지 경우의 운동이 각 심혈관 관련 질환에 어떤 효과가 있는지 알아보았다. 사양한 형태의 운동이 만성적인 심혈관 질환에 효과가 있었다. 또한 오랜 기간 동안의 유산소 운동은 관상 동맥 질환 환자에서 가장 효과가 좋았으며, 고강도의 인터벌 트레이닝은 특히 만성적인 심장질환 환자에서 좋은 결과를 보였다 [1]. 여기에서는 운동이 심혈관의 기능에 어떤 영향을 주는지 알아보고자 한다.
2.1.1. 운동에 의한 혈관의 기능적, 구조적 변화
조직 수준에서 보면, 심혈관에 대한 운동의 장점은 두 가지가 있다. 하나는 운동 중 많은 양의 에너지를 요구함에 따라 기능적으로 변화가 생기는 것과, 나머지 하나는 오래 지속될 경우 만성적으로 적응이 된다는 점이다. 후자의 경우는 지속적인 운동에 의한 경우가 많다. 운동이 지속됨에 따라서 만성적으로 적응이 되면 대사적인 유동성이 증가하고, 심장은 구조를 바꾸게 되며, 혈관이 새로이 생성되는데, 이러한 현상들은 결과적으로 심장을 보호하는 역할을 하게 된다. 심장기능의 향상은 여러 스트레스로부터 유연하게 대처할 수 있는 능력이 증가하는 것이기 때문에 결과적으로 운동은 심장의 기능을 향상시키게 된다.
2.1.2. 운동 중 심장기능의 변화
운동에 의해서 심장은 물리적인 적응을 거치게 된다. 이 때 심 박출량이 증가하고, 근골격계 및 폐의 요구량이 증가하며 주변으로의 관류 역시 증가한다. 많아진 심 박출량은 심박수 및 박출량의 증가, 그리고 심장의 수용공간의 증가에 의해서 이루어진다. 교감신경계에 의한 심장박동수 변동 (chronotropic) 및 근육수축력 반응은 운동에 의해 내인성 근육 긴장도의 증가와 함께 촉진될 수 있다 [2]. 노르 에피네프린 (Norepinephrine)은 β1 수용체에 붙어서 G 단백질과 adenylate cyclase를 활성화한다. 그 후 cAMP가 축적되면 세포 내 칼슘의 양이 증가하고 심장의 수축성을 증가시킨다. 수축성이 지나치게 증가하면 부정맥을 유도하여 유해하게 작용할 수도 있다.
2.1.3. 물질 대사 유연성
물질 대사 유연성은 대사적 요구량의 변화에 기관이 적응할 수 있는 능력을 일컫는다. 물리적 운동은 에너지의 소비 및 요구량을 급격히 증가시킨다. 앞선 연구결과들에 따르면 운동은 지방산과 글루코스의 산화의 증가에 관련이 있다고 알려져 있다. 운동하는 동안 카테콜아민과 순환하는 기질의 변화는 심장의 대사작용에 영향을 주게 된다. 글루코스의 이화과정 (catabolism)은 운동하는 동안 순간적으로 억제되며, 회복 후에는 운동 전 상태로 회복된다. 이 때 이러한 대사적 변화는 운동에 대한 일시적인 반응뿐만 아니라 다음 운동을 대비하여 미리 기관이 적응하도록 한다. 이는 자가포식작용 및 다른 세포 이화과정을 통해서 이루어진다. 운동은 또한 인슐린 신호를 촉진한다. 운동은 인슐린에 대한 민감도를 증가시키는 것으로 알려져 있으며, 글루코스와 에너지의 유지에 이롭게 작용한다. 운동 후에 인슐린 저항성을 지닌 근육에서 글루코스의 수용이 일정하게 유지되었다. 이러한 현상은 심장에서 글루코스의 사용을 촉진하며 에너지의 생성을 증가시킨다. 또한 지구력 훈련은 허혈 및 재관류로부터 심장을 보호하며, 이때 CoA의 합성 및 암모니아의 재활용, 단백질의 품질관리 등이 이러한 역할을 수행하는 데 중요하다고 알려졌다 [3].
2.1.4. 심장 및 혈관의 만성적 적응
심장 비대증은 심장의 적응성 리모델링 과정 중 일부로 여겨지고 있다. 병리학적인 조건에서 관찰되는 심장 비대증과는 달리 것과는 달리 운동에 의한 적응과정에 나타나는 심장 비대증은 심실의 부피가 경미하게 증가하며, 심근기능이 보존되거나 증가하게 된다. 또한 심장 섬유화나 심근세포의 사멸 등이 관찰되지 않는다 [4]. 두 원인에 의한 심장 비대증이 이러한 차이를 보이는 이유를 찾기 위해 지금까지 많은 연구가 진행되어 왔는데, 아직 어떻게 운동이 고혈압과는 다른 효과를 보이는지는 알려져 있지 않다. IGF-1/IRS-PI3K-Akt 신호기작이 운동에 의한 심장 비대증을 매개할 것이라 알려져 있다.
간헐적 혈역학 자극 (intermittent hemodynamic stimuli)이 운동에 의해 유도되면 혈관생성을 촉진시켜 혈관조직을 확장하고 그 기능을 증가시킨다. 이러한 변화는 심박출량을 증가시킨다. 운동에 의해 유도된 카테콜아민의 순환은 β-3 adrenergic 수용체가 eNOS를 증가시키도록 작동시킨다. 최근 연구에 따르면 리듬 손잡이 운동은 eNOS의 인산화를 증가시키고, NO및 O2-를 생성하며 자가포식작용 관련 단백질을 증가시킨다고 알려졌다. 결과적으로 운동이 혈관의 기능을 조절할 때 eNOS/NO 신호 및 자가포식작용과 깊은 연관이 있다는 것을 예상할 수 있다.
2.1.5. 세포분자적 관점에서의 운동에 의한 변화
세포수준에서 보면, 운동성 심장 비대증은 세포의 생존율을 증가시키는 다양한 기작과 관련이 있다. 단백질의 품질 조절, 세포의 성장 관련 합성, 항산화물질 생성, 자가포식작용, 미토콘드리아의 적응기작 등이 해당한다. 최근에는 운동이 텔로미어의 활성을 촉진하여 세포의 수명을 조절하는 것으로 알려졌다. 또한, 노화와 관련된 심장대사 관련 스트레스를 극복하기 위해 운동이 자가포식작용을 매개한다고 한다.
최근에는 미토콘드리아의 역할이 운동에 의한 심장의 변화에 매우 중요하다고 여겨지고 있다. 운동에 따른 심장의 적응과정에서 미토콘드리아의 리모델링은 필수적인 부분이다. 운동에 의해 대사과정에 변화가 생기면 미토콘드리아의 기능에 영향을 주며, 미토콘드리아 네트워크를 증가시켜 대사적인 유연성을 증가시킨다. TFEB는 운동 중 미토콘드리아의 생성을 조절하고, 글루코스의 섭취를 조절하여 대사적 유연성을 증가시킨다.
운동에 의해 유도되는 미토콘드리아 생성 및 미토파지의 상위 조절자를 찾기 위한 연구에서 미토콘드리아로 리소솜을 유도하기 위해서는 AMPK의 인산화가 이루어진다는 것을 발견하였다 [5]. 또한, PGC-1α가 운동에 의해 유도되는 미토콘드리아의 반응 매개한다. PGC-1α는 다양한 전사인자와 결합할 수 있다. 이중에서 미토콘드리아의 생성 및 에너지 대사에 관련된 PPARβ 및 ERR에 결합하여 미토콘드리아를 조절한다. 운동은 고지방성 간에서 PGC-1α의 야에 따라 미토파지를 복원한다. Akt는 C/EBPβ를 저해하여 미토콘드리아 네트워크를 유지시키며 심장 비대증을 유도한다.
2.2. 심장혈관의 기능에 미치는 운동의 위험성
적절한 운동은 심혈관 기능에 이롭게 작용하지만, 격렬한 운동이 어떤 영향을 주는지는 아직 정확히 알려지지 않았다. 지금까지의 연구결과를 보면 대부분의 결과들이 운동은 강도 및 빈도, 지속기간에 따라 유익하게 작용한다고 추측된다. 권장하는 수준을 웃도는 높은 강도의 물리적 운동은 이미 심혈관질환을 지닌 환자에게는 매우 위험하다. 그러나 어느 정도의 운동이 효과를 보이는 지에 대해서는 아직 명확하지 않다. 최근 연구들에 따르면 운동의 강도와 건강의 관계는 U자 혹은 J 자의 그래프 모양을 보인다고 한다. 적절한 양의 운동은 심혈관질환의 위험성을 낮추지만, 과도한 운동은 오히려 심혈관 질환에 의한 위험도를 증가시킬 수 있다.
지속적인 강렬한 운동은 심장의 전기적, 구조적 리모델링에 불리하게 작용할 수 있다. 또한 세포질의 카테콜아민 민감도는 운동에 의해 부적절한 영향을 받을 수 있다. 심근기능 유지에 필수적인 β-adrenergic 수용체를 저해하여 해롭게 작용할 수 있다.
2.3. 미토파지와 운동의 관계
운동에 의해 유도된 미토파지는 일반적인 미토파지 기작과는 조금 다르다. Parkin은 운동에 의해 유도된 미토파지의 초기 기작에 필요한 것으로 알려져 있다. 운동은 Parkin을 미토콘드리아로 유도하여 미토파지를 증가시킨다. 골격근 세포에서는 PINK1의 축적 없이 미토파지가 촉진되지만, HeLa세포에서는 PINK1이 증가한다. 운동과 미토파지의 관계 연구에는 주로 골격근 세포를 이용한다. 최근 연구들을 통해 밝혀진 운동과 미토파지의 관계를 주제별로 정리하고자 한다.
2.3.1. 질병예방을 위한 운동에서 미토파지의 역할
지금까지의 연구들을 정리해보면 운동하는 동안 미토파지는 조직을 보호하는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 미토파지는 운동에 의해 생성되는 위험으로부터 심장을 보호하는 역할을 한다. 미토파지는 운동에 의해 활성화되는 염증반응이나 활성산소에 의해서 유도된다. 활성화된 미토파지는 활성산소를 제거하고 염증반응을 제거하여 미토콘드리아의 손상을 줄이는 역할을 한다. 또한 운동은 다양한 질병을 치료하기 위한 안전하면서 경제적인 방법이다. SIRT3는 PINK1/Parkin과 마찬가지로 운동에 의해 유도된 미토파지에 필수적이다.
자가포식작용은 운동과 영양적 기아상태에서 활성화되고, 영양분이 풍부한 상황에서는 억제되어 있다. 그러나, 인류는 발전한 기술과 생활습관으로 인해 과거에 비해 운동량이 현저히 줄어들었으며, 이는 운동이 아무리 질병예방 효과가 있다고 하지만 결국은 만성적인 비만, 당뇨병, 심혈관 질환, 암 등의 발병을 증가시켰다. 또한, 이러한 만성적 대사질환은 심혈관 관련 질환의 주요 원인이다. 다행스럽게도 운동은 초기에 심혈관 질환을 예방하는 역할을 할 수 있다. 또한, 식단의 영양과 맞물려 효과를 보이기 때문에 최근 들어서 미토파지 혹은 자가포식작용이 예방에 있어 중요한 역할을 할 것이라고 추측하고 있다. 고지방 식이를 거친 쥐가 운동 훈련을 받으면 고지방에 의한 세포의 사멸이 감소하고 미토콘드리아의 생성이 증가하는 것을 확인하였다.
2.3.2. 특정 병리학적 조건에서의 미토파지의 역할
노화 혹은 대사 질환은 운동하는 동안 미토파지의 조절을 방해할 수 있다. 운동에 의해 촉진되는 미토파지는 노화가 진행될수록 억제된다. 이러한 현상은 결국 노화한 근육에서의 미토콘드리아의 기능장애를 야기한다. UPR은 운동에 대해 반응하는 또 다른 적응현상이다. UPR의 활성화 역시 노화가 진행되면서 감소한다. 최근 연구에 따르면 노화에 따른 미토파지의 감소는 운동을 통해서 부분적으로 회복할 수 있다고 한다. 노화에 따른 PCG-1α의 감소와 BNIP3, LC3II의 증가는 평생 운동훈련을 받은 쥐에서 개선되었다.
성별에 따라 심혈관의 기능에 차이가 존재한다. 따라서 성별의 차이는 운동에 따른 심장의 반응에서도 차이를 보인다고 알려져 있다. 비슷한 운동을 수행할 시에 심장질환을 가진 여자환자가 더 심한 증세를 보인다. 이러한 차이는 성별에 따른 호르몬이 영향을 끼친다고 예상하고 있다. 에스트로젠 수용체가 골격근세포의 미토콘드리아에 존재하기 때문에 이들이 미토콘드리아의 크기를 감소시키고 세포사멸을 저해한다. 또다른 가능성은 PI3K/AKT의 활성화 및 ERK1/2의 조절이 에스트로젠에 의해 차이를 보일 수 있다 [6].
3. 결론
운동은 건강에 도움이 된다고 당연시 여기고 있었지만 실제로는 그 운동의 강도에 따라 조직별로 매우 정확한 기작을 통해서 조절된다는 것을 알 수 있다. 가벼운 운동과 짧은 주기의 대부분의 운동들은 만성적 질환을 예방하는데 도움이 되며, 조금 더 지속적인 운동은 심장 비대증과 같은 심장질환의 회복에 도움이 된다. 또한 이러한 심장과 관련된 효과는 미토파지를 통해서 주로 조절이 되며 이들의 관계에 대한 세포수준의 연구가 더 진행된다면 약물만으로는 한계가 있는 치료책 연구에 도움이 될 것이라고 생각하며, 새로운 표적 물질을 발견할 수 있을 것이라 기대된다. 다만, 아직은 골격근세포 위주의 실험에만 치중되어 있기 때문에 앞으로 더 다양한 관점에서의 연구가 진행되어야 할 것이라고 생각한다.