인간의 일주율과 생체시계의 기제인 멜라토닌에 대해 알아보겠습니다.
인간은 각성 수면 리듬을 생성하는데, 24시간 주기에서 너무 벗어난 일정을 따라야 하게 되면 잠을 자기가 힘들어집니다. 인간은 그 주기를 약간은 바꿀 수가 있습니다. 일주율은 단순히 잠을 자고 깨는 것보다 훨씬 많은 것에 영향을 줍니다. 인간은 마시기와 먹기, 호르몬 분비, 약물에 대한 민감성, 소변보기 등 여러 변인에 대해서 일주율을 갖고 있습니다.
목차
1. 일주율의 설정
2. 시각 교차위핵과 일주율
3. 일주율의 생화학
4. 멜라토닌 분비
일주율의 설정
일주율은 24시간에 가까운 것이지만 완벽히 그렇지는 않습니다. 인간은 매일 내부 작용을 재조정하여 외부 세계와 주기를 일치시킵니다. 일주율은 빛이 없어도 지속되지만, 빛은 일주율을 재설정하는 데 결정적 역할을 합니다. 일주율을 재설정하는 무엇이 없다면 일주율은 정확한 시간으로부터 서서히 멀어져 갈 것입니다. 시간 부여자란 일주율을 재설정하는 자극을 말합니다. 예를 들어 인간에게는 빛이 주된 시간 부여자입니다. 빛뿐만 아니라 다른 시간 부여자로는 운동, 각성, 온도, 식사 등이 포함됩니다.
인간이 각성 수면 주기를 시계에 맞추어 설정하려고 노력할 때조차도 햇빛은 영향력을 발휘합니다. 또한 햇빛의 중요성에 대한 인상적인 증거는, 동쪽 끝에 사는 사람들이 서쪽 끝에 사는 사람들보다 수면 중간값이 30분 더 빨랐는데 이는 동쪽 끝에서 해가 더 일찍 뜬다는 사실에 부합하는 것입니다.
시각 교차위핵과 일주율
시각 교차위핵(suprachiasmatic nucleus, SCN)은 시상하부의 한 부위로 생체시계와 관련이 있습니다. 다른 여러 뇌 부위가 국소적인 리듬을 생성하기는 하지만, 수면과 체온에 대한 일주율을 주로 통제하는 것은 SCN입니다. SCN이 손상되면 신체 리듬에 혼란이 생깁니다. SCN은 유전적 통제에 의한 선천적 방식으로 스스로 일주율을 생성합니다. SCN 뉴런들은 뇌의 다른 부분과 분리하거나 신체에서 제거하여 조직 배양하더라도 활동전위의 일주율을 지속해서 생성합니다. 심지어는 분리된 SCN 세포 하나조차도 일주율을 유지할 수 있는데, 이 세포 간의 상호작용이 일주율의 정확성을 더 높여줍니다.
어떤 유전자 내에서 일어나는 돌연변이 하나가 햄스터의 SCN이 24시간이 아닌 20시간의 일주율을 생성하게 합니다. 어떤 연구자들은 성숙한 햄스터에게서 SCN을 제거한 뒤 햄스터 태아에게서 뽑아낸 SCN 조직을 그 성숙한 햄스터에게 이식하였습니다. 20시간 주기를 가진 태아의 SCN 조직을 이식받은 동물은 20시간 리듬을 생성해 냈습니다. 그리고 24시간 리듬을 가진 태아의 조직을 이식받은 동물은 24시간 리듬을 생성해 냈습니다. 즉, 조직 수용자의 일주율이 조직 제공자의 일주율을 따랐던 것인데 이 결과 역시 일주율이 SCN 자체에서 나옴을 알 수 있습니다.
일주율과 생화학
일주율의 생성에 관한 연구는 곤충을 대상으로 시작되었는데, 초파리를 대상으로 한 연구들은 일주율을 담당하는 유전자를 여러 개 찾아내었습니다. 그중 두 개의 유전자가 PER와 TIM이라는 단백질을 만듭니다. 포유류에게는 PER 단백질의 세 가지 형태가 있고, TIM 및 다른 초파리 단백질들과 아주 깊이 연관된 여러 단백질이 있습니다. PER 단백질을 생성하는 유전자들의 돌연변이는 수면 패턴의 변화를 야기합니다.
특정한 PER 돌연변이가 있는 사람들은 24시간보다 짧은 일주율을 갖고 있는데, 이는 마치 매일 서쪽으로 시간대 하나를 이동하는 것과 같은 효과를 냅니다. 그들은 항상 초저녁에 졸리고 아침에 일찍 일어납니다. 대부분의 사람은 늦게까지 깨어있어도 되는 날이 오기를 기다리지만 유전자가 변형된 이 사람들은 일찍 자도 되는 때를 기다립니다. 이런 수면 이상이 있는 사람들은 대부분 우울증을 앓습니다. 또한 다른 PER 돌연변이는 더 흔하지만 생활을 덜 방해하는 것으로 밝혀졌습니다. 이런 유전자를 가진 사람들은 대부분의 면에서 정상이지만 하룻밤을 잘 자지 못하면 각성 수준이 상당히 많이 저하됩니다.
멜라토닌 분비
멜라토닌은 일주율과 일년율 모두에 영향을 주는, 솔방울샘에서 분비되는 호르몬입니다. 솔방울샘은 주로 밤에 멜라토닌을 분비하여 우리를 졸리게 합니다. 사람들이 다른 시간대로 가서 새로운 시간표를 따라야 하게 되면 멜라토닌 리듬이 바뀔 때까지 이전의 시간표에 따라 졸음을 느낍니다. 솔방울샘 종양이 있는 사람들은 며칠씩 깨어있는 경우도 있습니다.
멜라토닌 분비는 잠들기 두세시간 전부터 증가하기 시작합니다. 멜라토닌 알약을 저녁에 먹는 것은 졸음에 거의 영향이 없는데, 이유는 그 시간에는 솔방울샘이 약을 먹지 않아도 어차피 멜라토닌을 생산하기 때문입니다. 그러나 그 외 시간에 멜라토닌을 복용하면 두 시간 이내에 졸음이 옵니다. 시간대를 여러 개 넘어 여행하거나 어떤 이유로든 평소와 같지 않은 시간에 잠을 자야 하는 사람들에게는 멜라토닌 알약이 때때로 도움이 됩니다.
멜라토닌은 또한 SCN에 있는 수용체에 영향을 주는 피드백 과정을 통해 생체시계를 재설정하도록 합니다. 오후에 멜라토닌을 적당량 복용하면 생체시계의 주기가 앞당겨집니다. 즉, 저녁에 더 일찍 잠이 오고 아침에 더 일찍 일어나게 됩니다. 아침에 멜라토닌을 한 번 복용하면 별로 효과가 없습니다. 하지만 아침에 멜라토닌을 복용하기를 거듭하면 생체시계의 주기가 뒤로 늦추어져서 밤에 평소보다 늦은 시간에 잠이 오고 다음 날 아침 더 늦게 깨어나게 됩니다.