인간의 노화와 관련된 질병. 신경계

 

<인간의 노화와 관련된 질병>

 

" 매년 반복되는 생일을 위한 치료법은 없다" - 존 글렌 [JOHN GLENN ( 1921 ~), 우주비행사, 전 미국상원의원

 

 우리는 노화와 질병 사이의 차이점에 대해 어느 정도 자세히 논의 했다. 질병은 세포의 물리적 그리고 생화학적 기능을 와해시키는 과정을 나타내는 반면에, 생물학적 노화는 정상적인 세포의 기능 범위 안에서 발생하는 것이라는 것을 상기하라. 노화와 질병의 차이를 정의하는 것은 노화 생물 학에서 논의되는 용어를 명확하게 하는 것이고 실험적 연구를 위한 경계를 확립하는 것을 도와준다. 그러나 이 책에서 정상적인 노화성 기능 손실과 명 확한 질병 사이에 그어놓은 엄격한 경계가 노인들의 실제적 세상에서는 명확하게 구별되지 않는다.

 대부분 질병의 발생은 노화에 따라 증가한다. 이 사실은 무너질 수 없다. 노화와 질병에 관한 진정한 질문은, 왜 정상적인 노화성 기능 손실이 질병이 되는가이다. 일생에 있어서 발달과 성숙 단계 동안, 대부분의 생리학적 기관계들은 정상적인 기능과 비정상적인 기능의 차이를 쉽게 확인할 수 있을 정 도의 수준으로 유지된다. 노화가 진행되면, 정상과 비정상 사이의 차이를 명확하게 구별하기 힘들어진다. 예를 들면, 70세 이상의 모든 개인은 심혈관계에 어느 정도의 기능 손실을 가지고 있다. 대부분의 개인에서는 이러한 감퇴가 전반적인 생리학적 기능 혹은 일상생활에 심각한 변화를 초래하지 않는다. 그러나 일부 사람들에게는 심혈관계의 기능 감퇴가 울혈성심부전증이라는 치명적인 질병으로 진행할 수 있다.

 

 이 장에서는, 대부분 후생식 기간으로 한정하여 명확하게 규정된 질병들에 대해 중점을 둔다. 이 장의 마지막에서, 우리는 노인들의 가장 공통적인 질병인 알츠하이머병, 파킨슨병, 심혈관 질환, 제 2 형 당뇨병, 그리고 골다공증 등과 같은 5가지 질병을 논의한다. 이런 각 질병들을 통하여, 어떻게 특정한 기관 혹은 생리학적 기관계에서 발생하는 정상적인 노화성 변화가 명확한 질병 상태로 진행되는지에 대해서 배울 것이다. 모든 나이 대에 영향을 주는 암은 여기서 다루지 않는다.

 

 간과 호흡기관과 같은 몇 가지 기관계에 대해서, 노화성 질환은 노화 그 자체의 결과라기보다는 환경적 요인 혹은 생활방식의 선택에 의해서 더 발생 한다. 예를 들어, 흡연은 폐의 노화성 질병의 첫째 요인이다.

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​1. 신경계와 신경 신호들

 

 신경계는 우리 몸에서 가장 복잡한 기관계이다. 모든 움직임, 모든 호흡, 모든 감각 인식들은 신경계에서 시작한다. 우리의 신경계는 세 가지 중복된 기능을 가진다. 감각 수용, 통합, 그리고 동적 출력. 이런 기능들은 뇌, 척수, 자극을 수용하는 감각 수용체, 자극에 대해 몸의 반응을 수행하는 효능 세포, 그리고 몸의 다양한 부분으로 정보를 전달하는 신경망 등에 의해 수행된다. 뇌와 척수는 중추신경계 ( central nervous system ; CNS ) 를 구성하고, 신경은 말초신경계 ( peripheral nervous system ; PNS ) 를 구성한다. 모든 신경은 자신들의 신호를 중추신경계와 몸의 나머지 부분 사이에, 신경 세포막을 가로지르는 이온들의 교환에 의해 발생하는 전기적 신호와 화학적 신호들을 조합하여 전달한다.

  이 절에서, 우리는 인간 신경계의 전반을 살피고 정상 기능을 하는 기관에서 신경 신호들의 특성을 살펴본다.

 

1) 신경계는 신경세포와 지원세포로 구성되어 있다.

 

 뉴런 ( neuron, 혹은 신경세포 ) 은 신경계의 의사전달 과정을 따라 메시지를 전 달하는 세포들이다. 세 가지 중요한 뉴런 세포들이 있다. 감각뉴런 ( sensory neurons ) 은 외부 및 내부 환경에서 제공되는 감각을 중추신경에 전달하는 세포이며 운동뉴런 ( motor neurons ) 은 중추신경에서 주효세포 ( effector cells : 근육과 샘 세포들 ) 로 운동 신호를 전달하는 세포이며 ; 중간뉴런 ( interneurons ) 은 감각의 입력과 운동 출력을 통합하는 세포이다. 비록 뉴런은 기능에 따라 어느 정도 구조의 다양성이 있으나, 대부분은 세 가지 일반적인 구조로 구성되어 있다. 세포체 ( cell body ), 수상돌기 ( dendrites ), 그리고 축삭 ( axon ).

 

세포체 ( cell body ) 는 핵과 다른 다양한 세포소기관을 보유하고 있어서, 세포의 정상적인 기능을 수행한다. 수상돌기 ( dendrite ) 는 세포체에서 뻗어나간 가지 모양의 구조를 하고 있으므로 뉴런의 표면적을 증가시킬 수 있다. 수상돌기는 다른 뉴런과 감각 수용체로부터 신호를 받아들이고 그것을 나머지 뉴런으로 전달한다. 축삭 ( axon ) 은 세포체에서 축삭말단인 세포 끝으로 신호를 보내는 긴 관모양으로 확장된 것이다. 축삭말단은 다른 뉴런의 수상돌기와 연결되어 있다. 많은 뉴런들이 하나의 축삭을 가지고 있으며, 축삭의 길이 는 다양하다. 예를 들면, 손가락의 미세운동을 조절하는 축삭은 척추에 있는 세포체에서 발원하여 손까지 쭉 뻗어 있으나, 어떤 축삭은 1 mm 보다도 짧 다. 더욱이 축삭은 가지를 칠 수도 있어서, 각 가지는 시냅스 말단 ( synaptic terminal ) 이라는 특수한 말단을 만들 수 있다. 시냅스 말단과 다른 세포가 붙는 부위를 시냅스 ( synaps ) 라고 한다. 나중에 다루겠지만, 시냅스는 하나의 뉴런이 다른 뉴런에 신호를 전달하는 장소이다. ​

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 축삭은 수초 ( myelin sheath ) 라고 불리는 절연충으로 싸여 있는 경우가 많다. 말초신경에서 수초는 슈반세포 ( Schwann cell ) 라고 불리는 보조세포에서 만들어진다. 중추신경에서는 수초가 회들기교세포 ( oligodendrocyes ) 라는 보조세포에서 만들어진다.

 

2) 세포전위는 신경 신호 전달을 위한 상태를 만든다.

 

모든 신경은 신체의 다른 부분으로 정보를 전달하기 위하여 자극 혹은 전기 신호를 만든다. 이런 자극은 뉴런의 세포막을 가로지르는 이온의 흐름에 의존하여 만들어진다. 모든 살아 있는 세포들은 자신의 세포막을 가로질러서 다른 전하를 갖는다. 막전위 ( membrane potential ) 는 세포의 안과 밖 사이의 전압 혹은 전위 차이이다. 막전위는 세포내액과 세포외액의 이온 농도의 차이에 의해서 발생한다. 세포외액은 높은 소듐 ( Na *) 와 염소 ( Cl ) 농도를 가지는 반면에, 세포내액 ( 세포질 ) 은 높은 포타슘 ( K' ) 이온 농도를 가진다. 모든 세포가 막전위를 가지고 있지만, 뉴런과 근육세포 만이 세포막의 전기적 상태가 변하는 활동성 막전위를 가진다. 막전위의 크기는 전기적 신호를 퍼뜨릴 수 있도록 하는 세포막의 준비성과 능력에 의해 결정된다 - 세포 막의 잠재능이 커지면, 전위가 변하는 사건을 유발할 수 있는 가능성이 더 커진다. 휴지기 ( 비흥분 상태 ) 의 뉴런에서 휴지기 막전위 ( resting membrane potential ) 는 일반적으로 - 70 mV 이다.

 관례적으로 세포의 바깥쪽 전압은 ' 0' 이고, 따라서 음의 막전위는 세포의 안쪽이 바깥쪽 보다 더욱 음으로 하전되 어 있다는 의미이다. 세포막이 휴지기 전위에 비해서 덜 분극되는 상태 ( 세포 안쪽이 더 적게 음으로 하전되는 상태 ) 로 전위가 변하는 것을 탈분 극 ( depolarization ) 이라 한다. 막전위가 음의 방향으로 더욱 커지는 방향으로 변하는 것을 과분극 ( hyperpolarization ) 이라 한다. 제 4 장과 제 8 장에서 세포막은 인지질 이중층으로 되어 있음을 살펴보았다. 이온들은 전기적으로 하전되어 있으므로, 세포막의 지질층을 통과하는 직접 적인 확산이 불가능하다. 뉴런의 세포막은 전압관문 이온채널 ( voltage - gated ion channel ) 을 보유하고 있어서, 소듬과 포타슘 이온들이 세포 안과 밖으로 이동할 수 있다. 이 채널들은, 전기 신호에 반응하여 열고 닫을 수 있는 문을 가지고 있다. 이것은 세포가 받는 자극 혹은 계기에 반응하여 세포로 하여금 자신의 막전위를 변화시킬 수 있도록 한다. 둘째 손가락을 움직이 도록 뇌에서 생각하는 것과 같은, 세포막의 작은 일부분에 자극을 받으면, 그 사건은 활동전위를 유발시킨다. 유발 사건은 세포막에서 소듐 이온에 대한 투과성을 중가시키고, 소듐 이온은 세포막을 통과하여 세포 안으로 이동하는 데, 이것이 달분극의 시작이다. 전하의 역전은 약 - 55 mV 인 역치에 도달하 기 전까지는 서서히 진행된다. 역치 전위는 소듐 채널의 문을 열어서, 결과적 으로 폭발적인 탈분극을 유발하여 활동전위를 생성한다. 활동전위가 약 + 30 mV 에 도달하면, 포타슘 채널이 열린다. 포타슘 이온의 세포 밖으로의 이동 은 재분극 과정을 시작하도록 한다. 세포막의 일부 지역에서 활동전위의 마지막은 다음 활동전위의 개시를 촉발하는 것이다.

 

3) 신경전달물질은 시넵스에서 뉴런들을 화학적으로 연결한다.

 

 축삭말단은 수상돌기와 물리적으로 붙어 있지 않다. 그 대신에 한 뉴런의 축삭말단은 다른 뉴런의 수상돌기와 화학적 연결을 형성한다. 신호를 만드는 세포를 시냅스 전 뉴런 ( presynaptic neuron ) 이라고 하며, 신호를 받아 들이는 세포를 시냅스 후 뉴런 ( postsynaptic neuron ) 이라 한다. 두 뉴런 사이 의 공간을 시냅스 간극 ( synaptic cleft ) 이라고 한다. 종합적으로 시냅스 전 뉴런, 시냅스 후 뉴런, 그리고 시냅스 간극이 시냅스를 형성한다.

 시냅스 꼭지 라고 하는 시냅스 전 세포의 말단들은 시냅스 소낭을 가지고 있다. 각 소낭 은 활동 전위에 반응하여 시냅스 간극으로 방출되는 화합물인 신경전달 분자 를 수천 개 보유하고 있다. 50 ~ 100 가지 다른 종류의 신경전달 물질이 있다. 여기에서는 노화성 뇌 질환에 관여하는 두 가지 중요한 종류의 신경전달물질인 아세틸롤린 ( acetyl choline ; Ach ) 과 카테콜아민 ( catecholamine ) 에 대해서 간단하게 논의한다. 아세틸롤린은 말초신경과 중추신경에서 발견된다. 그것은 시냅스 후 뉴런에서 발견되는 수용체의 종류에 따라, 억제성과 흥분성 신호를 전달한다. 니코틴성 수용체 ( nicotinic receptor ) 로 알려진 한 가지 아세틸콜린 수용체는 시냅스 후 뉴런의 소듬 채널을 열어서 신호를 전파한다. 뇌에 있는 니코틴성 수용체는 주의집중, 학습, 기억과 관련된 기능에 중요하다. 니코틴성 수용체를 가진 뉴런의 파괴는 알츠하이머병의 진행과 관련되어진다. 무스카린 수용체 ( muscarinic receptor ) 로 알려진 다른 종류의 니코틴성 수용체는 신호를 전파 하는 데 G - 단백질 결합 기전을 이용하며, 주로 말초신경에서 발견된다. 심장 에서 무스카린 수용체 수의 감소는 심장의 노화성 기능저하의 원인 중 하나 일 것이다.

 카테콜아민은 카테콜에서 유도된 아민이다. 그것에는 도파민 ( dopamine ), 노르에피네프린 ( norepinephrine ), 그리고 에피네프린 ( epinephrine ) 등의 세 가지 종류가 있다. 노르에피네프린과 에피네프린은 한 때 아드레날린이라는 하나의 신경전달물질로 생각되었다. 이런 이유로, 노르에피네프린과 에피네 프린을 분비하는 뉴런을 아드레날린성 뉴런이라고 부르며 이런 카테콜아민과 결합하는 수용체를 아드레날린 수용체 ( adrenergic receptor ) 라고 한다. 노르에 피네프린을 분비하는 뉴런은 뇌 중심에서 발견되며, 이곳에서는 생명의 기본적인 기능을 조절한다. 에피네프린을  비하는 뉴런은 말초신경에 있으며, 우리의 투쟁 - 도주 반응을 책임진다 ( 누군가 당신을 위협할 때 당신은 놀라서 뛸텐데, 이것이 에피네프린의 작용이다 ). 도파민을 방출하는 뉴런은 움직임을 조절하는 뇌 중심에서 주로 발견된다. 세 가지 카테콜아민 모두는 두 가지 종류의 수용체에 결합할 수 있다. α- 아드레 날린성 수용체는 이온 채널을 조절함으로써 활성전위를 전달한다. ß- 아드레 날린성 수용체는 무스카린 수용체와 같이 세포 신호전달에 G - 단백질 결합법 을 사용한다. 다음 절에서 볼 수 있는 것처럼, 아드레날린성 뉴런의 기능소실은 파킨슨병의 주요 발병 원인이다.

 

4) 인간의 뇌는 분리된 기관들과 세포 종류의 모음이다.

 

 성인의 뇌는 대체적으로 1.3~1.5kg 정도의 무게를 가진다. 우리는 뇌를 하 나의 기관으로 생각하는 경향이 있지만, 실제적으로는 각기 다른 특수한 기 능을 수행하는 분리된 신경 중추들의 모임으로 구성되어 있다. 그 뇌량 뇌교 연수 곳에는 수백 가지의 특징적인 신경구조와 중추들이 있다. 몇 가지 신경구조와 그들의 기능에 대해 설명하고 있으며, 나중에 노화와 신경병리의 발병의 연관성에 대해서 논의할 것이다. 뇌 조직은, 뉴런과 교세포 ( glial cell ) 혹은 아교세포라는, 두 가지 일반적인 세포 종류를 포함한다. 뉴런은 특수한 위치에서 특수한 임무를 수행하기 위하여 형성되었으며, 일단 형성된 후에는 교체되지 않는다. 즉, 뉴런이 최종적으로 분화된 세포이다. 최종 분화의 원리 는 뉴런은 처음에 계획된 기능을 수행하고 다른 종류의 뉴런으로 교체되지 않을 것을 보증한다. 비록 성인 뇌 속의 뉴런 수는 개인마다 다양하다. 뇌에서 다른 종류의 신경세포인 교세포 ( 그리스어로 " 풀"을 뜻함 ) 는 뉴런을 보조하고 유지하는 기능을 수행하며 뉴런보다 10배 정도로 수가 많다.

 

 교 세포는 신경교세포 ( neuroglia ) 와 미세아교세포 ( microglia ) 라는 두 가지 형태로 나타난다. 신경교세포는 몇 가지 세포 종류로 다시 세분화되는데, 그들의 기능에 따라 분류된다. 가장 많은 신경교세포는 성상세포 혹은 성상교세포 로 알려진 것이다. 성상세포는 이온 농도조절과 신경전달물질의 순환 등으로 뉴런의 세포외적 환경을 적절하게 유지한다. 최근의 증거는 성상세포가 혈관 수축과 이완을 조절함으로써 혈관 - 뇌 장벽의 기초를 형성하는 것으로 제안하고 있다. 또 다른 종류의 신경교세포인 희돌기교세포는 축삭을 둘러싸서 절연체를 제공해 줌으로써 전기전도를 향상시키는 단백질인 미엘린을 생산 한다.

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