케톤은 에너지 대사를 획기적으로 증가시킨다.
키토제닉 다이어트는 에너지 대사를 증가시킨다(3)
안녕하세요. 로우입니다.
오늘로써 키토제닉 다이어트가 에너지 대사를 증가시킨다는 과학적 근거에 대한 설명을 마무리 짓고자 합니다. 이 글을 제대로 이해하기 위해서는 앞선 두 글을 먼저 읽어주셔야 해요! ^^ 아래 두 글을 먼저 읽어주시고, 이번 글을 봐주시면 감사드리겠습니다.
1. 미토콘드리아의 대사량을 측정하자.
케톤체가 미토콘드리아의 에너지 대사를 증가시킨다는 가설을 검증하려면, 미토콘드리아의 활성상태와 생산되는 에너지의 양을 측정하는 것이 필요합니다. 그리고 이것을 바로 전에 설명한 결합(Coupling)과 비결합(Uncoupling)과 함께 설명해야하는데요. 그냥 생각해봐도 너무 개념이 복잡할 것 같습니다. 그래서 이해하기 편하도록 자동차의 엔진과 연료, 그리고 RPM으로 비유하여 설명해보겠습니다.
차가 앞으로 가기 위해서는 연료가 필요하고, 이를 연소하기 위한 산소가 필요합니다. 그리고 연료를 태운 결과 우리는 자동차 내부의 기어를 돌려 앞으로 움직이도록 할 수 있습니다. 이 때 우리는 계기판을 봅니다. 엑셀 페달을 밟는 순간 RPM이 요동치기 시작합니다. 이에 맞게 순차적으로 속도도 함께 올라가기 시작합니다. 만약 RPM과 속도가 비슷하게 올라가면 연료에너지가 운동에너지로 잘 바뀐 것으로 해석할 수 있습니다.
반대로 기어가 빠져있거나 클러치를 밟고 있다면 RPM은 올라가지만 속도는 잘 올라가지 않을겁니다. '1종 보통' 운전면허를 따신 분들은 잘 아실겁니다. 이는 자동차가 공회전을 하면서 에너지가 낭비되는 상황이고, 연료에너지가 운동에너지로 잘 바뀌지 않는 것으로 해석할 수 있습니다.
위의 이야기를 우리 몸에 대입할 수 있습니다. 먼저 음식이 들어왔을 때, 미토콘드리아에서는 이를 연소하여 에너지를 생산하기 위해 산소가 필요합니다. 미토콘드리아에서 많은 산소를 사용하게 되면, 즉 RPM이 올라가면 이에 따라 순차적으로 생성된 ATP도 많아지기 시작합니다.
연료의 투입 이후 미토콘드리아에서 사용하는 산소의 양에 비례하여 ATP를 많이 생성해 내게 되면 해당 세포는 '결합, Coupled', 즉 연료와 ATP생성이 잘 연결되어 있는 상태가 됩니다. 투입한 에너지의 양과 산소의 양에 비례하여 ATP를 충분히 생성하는 세포이고, 이는 아주 효율적으로 움직이는 세포라는 걸 의미합니다.
반대로 연료의 투입 이후 산소가 많이 투입이 되었으나 ATP를 잘 생성해내지 못하게 되면, 해당 세포는 비결합, 즉 연료와 ATP생성이 잘 연결되어 있지 못한 상태가 됩니다. 대부분의 에너지와 산소가 열을 발생시키는 데 사용되고 있는 것이죠. 그래서 연료와 산소의 양과는 무관하게 ‘열’을 주로 생산해내며 에너지를 아주 여유있고 방만하게 사용하고 있는 것을 의미합니다.
종합해보자면, 세포에 포도당 또는 케톤의 연료가 투입되었을 때, 미토콘드리아에서는 산소를 이용해 에너지를 연소시킵니다. 결합(Coupled) 상태에서는 세포의 ‘기능’을 위해 에너지를 사용합니다. 미토콘드리아가 사용하는 연료와 산소의 양에 비례하여 ATP를 잘 생성해 낸다면, 그 미토콘드리아는 ATP생성 차원에서 아주 건강한 미토콘드리아일겁니다.
반대로 비결합(Uncoupled) 상태에서는 ‘열’을 생성하기 위해 에너지를 사용합니다. 만약 ATP를 충분히 생성해야 하는 미토콘드리아에서 이러한 비결합 상태가 지속되게 되면, 이는 미토콘드리아가 손상되었거나 비효율 적인 것을 의미합니다. 물론 '열'을 생산하는 것이 목적인 세포의 미토콘드리아에서는 다른 이야기지만요.
위의 내용이 잘 이해가 되셨나요? 그렇다면 이제 포도당과 케톤 중 어떤 연료가 더 미토콘드리아를 건강하게 하는지에 대해 알아볼 에정입니다. 아래에 소개할 내용을 이해하기 위하여 알아야 할 개념을 정리하자면 다음과 같습니다.
P:O Ratio = 단위 산소 당 생산한 ATP의 양
O2 Flux = 산소 유입 량
ROS(Reactive Oxygen Species) = 반응성 산소종. 활성산소를 의미한다.
H2O2 = 과산화수소로 ROS의 대표주자
H2O2 : O2 Ratio = 투입 산소 대비 활성산소 생산량
2. 근육세포에서의 케톤에너지 사용
벤자민 비크만 박사님은 연구논문 <베타-하이드록시뷰티르산(BHB)가 골격근에서 긍정적인 미토콘드리아 변화를 이끌어낸다, β-Hydroxybutyrate Elicits Favorable Mitochondrial Changes in Skeletal Muscle, 2018> 에서 케톤에너지의 사용이 골격근, 즉 근육세포에서 미토콘드리아의 효율성을 증대시킨다는 결론을 얻었습니다.
실험쥐에게 탄수식과 케톤식을 실시한 결과, 케톤그룹에서 탄수그룹보다 더 많은 ATP를 생성해 낸 것을 볼 수 있었습니다(그래프 D). 또한 단위 산소 당 생성한 ATP의 양을 나타내는 P:O Ratio 역시 케톤그룹에서 더 상승한 것을 볼 수 있었죠(그래프E). 동시에 에너지 생성 및 산화의 결과 나오는 과산화수소(활성산소)는 케톤을 에너지원으로 사용 시 감소하는 것을 볼 수 있었습니다(그래프F). 그리고 사용한 산소 대비 발생한 활성산소 역시 케톤이 훨씬 적은 것을 볼 수 있습니다(그래프 G).
이를 통해 우리는 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.
케톤은 골격근 근육 세포에서 미토콘드리아의 에너지 발생양을 늘린다.
동시에 DNA를 손상시키는 반응성 산소종(ROS)의 생성도 줄인다.
케톤은 골격근의 미토콘드리아를 보다 건강하게 만든다.
따라서, 케톤은 골격근의 미토콘드리아를 보다 '결합, Coupled' 상태로 만든다는 것을 알 수 있습니다.
3. 지방세포에서의 케톤에너지 사용
또한 벤자민 박사님은 <케톤 영양제를 공급받은 쥐의 갈색지방에서 UCP-1이 증가하였다, Mitochondrial biogenesis and increased uncoupling protein 1 in brown adipose tissue of mice fed a ketone ester diet, 2012> 의 연구결과를 참고하여 지방세포에서 케톤은 비결합을 촉진한다는 아이디어의 실마리를 얻었습니다.
이후 그는 자체 연구 결과에서 다음과 같은 결과를 얻었습니다.
출처 : Benjamin Bikman Low-Carb Conference 2019 Lecture Video쥐의 백색지방(White Adipose Tissue)에서 케톤은 세포의 미토콘드리아로 더 많은 산소를 유입시켰습니다(왼쪽 그래프). 그런데 ATP가 추가적으로 많이 생성되는 것은 아니었습니다(우측상단 그래프). 소모한 산소 대비 ATP 생성률은 탄수화물 대비 케톤이 절반 가량 낮았습니다(우측하단 그래프).
출처 : Benjamin Bikman Low-Carb Conference 2019 Lecture지방세포에서 열을 내도록 유도하는 유전자 또는 단백질인 PRDM16, PGC1a, UCP-1(Uncoupling Protein -1)의 활성 역시 올라갔습니다. 한마디로 말해서, 케톤을 사용하는 지방세포는 ATP, 즉 에너지를 만들어 내는 것이 아니라 더 많은 열을 내도록 세포를 활성화시키고 있었습니다.
출처 : Benjamin Bikman Low-Carb Conference 2019 Lecture이는 사람의 백색지방에서도 마찬가지였습니다. 산소의 유입량은 증가하고, ATP 생성량은 줄었습니다. 투입 산소 대비 생성되는 ATP양은 탄수화물에 비해 절반 가량 낮았습니다. 즉, 백색지방에서 케톤은 에너지를 만들어내기 보다는 '열'을 발생시키도록 더 많이 유도하게 됩니다.
잠깐, 케톤이 더 비효율적인 것 아니냐구요? 아닙니다.
지방의 주 목적은 에너지 저장과 더불어 인체의 체온을 유지하는 기능입니다. 인체의 체온을 보다 효율적으로 유지하기 위하여 케톤은 지방세포에서 연료를 쓸데없는 에너지로 바꾸는 것이 아니라 본래의 목적인 '열'을 더 효율적으로 발생시키도록 유도하는 것입니다. 따라서 지방세포에서 케톤은 근육에서와 마찬가지로 지방세포의 미토콘드리아를 보다 더 '건강'하게 만들어 주게 됩니다.
요약하자면, 지방세포에서의 케톤 사용은 지방세포의 미토콘드리아를 '비결합'상태로 만듭니다.
4. 케톤은 미토콘드리아를 보다 건강하게 만든다.
위의 연구결과를 종합해보면, 케톤은 골격근 근육에서의 미토콘드리아의 ATP 생성을 촉진합니다. 움직임이 많은 근육에서는 적절한 ATP 생성과 에너지 사용이 필수적입니다. 그 장소의 미토콘드리아가 더 적은 산소를 사용하고, 더 많이 에너지를 내며, 부산물인 활성산소를 더 적게 만들어 내게 됩니다.
반대로 지방세포에서 케톤은 에너지를 보다 방만하게 사용합니다. 즉, 에너지를 만드는 것이 아니라 '열'을 발생시킵니다. 지방의 본래 목적인 체온유지 기능을 보다 강화하여 더 적은 지방세포로 더 많은 열을 낼 수 있게 됩니다. 몸이 더 가벼워지고 지방세포를 더 효율적으로 사용하게 만드는거죠.
키토제닉 다이어트는 인체의 지방을 에너지원으로 사용하는 식이요법임과 동시에, 우리 세포의 미토콘드리아의 건강을 회복시켜주는 식이요법이기도 합니다. 케톤을 에너지원으로 사용하는 것이, 장기적으로 세포의 건강을 회복하고 더 활력있는 삶을 살아가는데 중요한 요소임에는 틀림 없습니다.
미토콘드리아의 손상으로 인해 발생하는 '암'에 대적하기 위하여, 미국의 여러 암학회에서 '케톤'이라는 에너지원에 주목하는 것이 우연이 아닐지도 모릅니다. 그리고 키토제닉 다이어트에 대해 전세계가 재조명하고 있는 요즘, 우리를 괴롭혀오던 암이라는 질병 역시 언젠가 역사속으로 사라지게 되는 날이 오지 않을까 기대해 봅니다.
참고 문헌.
1. Youtube : Dr. Benjamin Bikman - 'Ketones: The Metabolic Advantage'
로우의 유튜브를 통해 동영상으로 키토제닉 다이어트에 대한 개인적인 체험기와 팁들을 공유하고 있습니다.
다양한 지식은 브런치를 통해서! 개인적인 체험기와 꿀팁들은 유튜브를 통해서 만나보세요!
로우의 유튜브 바로가기 : 클릭 Click
키토제닉 다이어트에 대해 궁금하신 점은 댓글을 남겨주시고, 구독해 주신 분들 모두 감사드립니다!
<본 포스트는 LCHF(Low-Carb High-Fat 또는 키토제닉 다이어트)를 시작하는 사람들을 위한 기본적인 가이드로써, 의학/영양학계에서 화두가 되고 있는 키토제닉 다이어트 정보와 최신 뉴스를 다루고 있습니다. 독자 여러분께서 LCHF 다이어트를 시도하실 때는, 본인의 건강상의 특성에 따라 주의를 요합니다. 보다 안전한 시도를 위해 주치의의 상담이나 의사의 진료를 받아보시길 권합니다.>
