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Aug 21. 2022
(28) 카페의 커피 한 잔에 담긴 것 -(2)
하윤의 Resolution
나는 커피를 좋아한다. 그것은 내가 깨어 있을지도 모른다는 환상을 보여주기 때문이다.
-루이스 블랙, 미국의 코미디언
<어떻게>: 카페인을 따라
이전의 글에서, 우리는 커피라는 음료가 어떻게 탄생하였고, 전 지구로 퍼져 나가게 되었는지, 그리고 이 음료가 가진 각성 효과가 불러온 효과들에 대해서 알아보았다. 오늘은, 그렇다면 도대체 <어떻게>¹ 커피가 우리의 몸에 작용하여 상기한 각성 효과를 나타내게 되는지 알아보자.
아침에 시끄럽게 울리는 알람 소리를 듣고 비몽사몽 일어나, 진한 커피를 한 잔 내려 마신다. 이내 정신이 맑아진다. 동시에 심장 박동은 빨라지고, 혈압이 상승한다. 이 모든 것은 정신적 각성을 불러일으키고, 우리는 졸림 상태에서 벗어난다. 이것은 커피 안에 들어있는 물질 중 하나인 카페인의 작용이다(그림 1).
그림 1. 순수한 형태의 정제된 카페인. 요즘은 카페인 알약도 나오는데, 이와 같은 정제된 카페인을 그대로 먹는 것은 과용의 위험성이 크다.평균적인 커피 한 잔에는(우리가 아주 익숙할, 스타벅스의 표준적 아메리카노라고 하자) 약 150mg 가량의 카페인이 함유되어 있다. 한때 유명세를 탔던 스누피 커피우유는 250mg 가량, 콜라 한 캔에는 30mg, 국내에서 팔리는 에너지 드링크인 몬스터에는 100mg 가량이다(그림 2). 이제, 이 카페인 분자 중 하나에 올라타서 쫒아가며 그 작용을 알아보도록 하자. 카페인이 포함된 음료를 마시면, 카페인은 우리의 위장을 지나며 15분에서 40분 정도 내로 혈류로 흡수된다. 이렇게 흡수된 카페인은 혈류를 타고 돌며 몸 구석구석으로 이동하는데, 우리의 뇌도 예외는 아니다². 카페인은 혈액뇌장벽(미주 2를 참고)를 부드럽게 통과하여 뇌 안으로 스며든다.
그림 2. 현대 사회에서 빠르게 '에너지' 를 공급해 주는, 에너지 드링크. 여기에는 당분 뿐 아니라 각성을 촉진하기 위한 카페인이 들어간다.뇌 내부에 도달한 카페인은 그곳에서 각성 효과를 유도하게 된다. 그것은 아데노신이라고 불리는 물질과의 경쟁을 통해 일어나는데, 아래에서 설명하겠지만 간단히 말해 아데노신이라는 물질은 우리를 졸리게 만든다. 아데노신과 열쇠처럼 결합하는 아데노신 수용체를 통해, 신경세포들이 아데노신을 만날 경우 우리의 뇌 기능은 느려지고 억제되며 졸음을 느끼게 된다(이는 아데노신 수용체를 없애버린 동물을 이용해서 검정할 수 있다. 이 수용체를 제거해 버린 동물은 카페인을 먹어도 별 각성 효과를 보지 못한다: Huang et al., 2005, Nat. Neurosci).
그림 3. 카페인과 아데노신의 분자구조. 그 구조적 유사성으로 인해, 카페인은 아데노신 대신 아데노신 수용체를 틀어막아 신호 전달을 막을 수 있다.카페인은 아데노신 수용체에 아데노신이 들어맞지 못하게 함으로써, 우리의 뇌를 마치 아데노신이 없는 것처럼 '속인다' (그림 3). 깜빡 속은 신경세포들은 졸린 것도 잊고, 다시 열심히 일한다. 흥미롭게 지켜보는 도중, 우리가 올라탄 카페인 분자는 씻겨나가 혈류를 타고 간으로 흘러간다. 간에는 외부에서 들어온 외부 물질들이 무서워하는 효소가 있다. CYP 라고 불리는 효소들이다! 이들은 외부에서 무언가 이상한 것이 들어오면, 잡아다가 분해시키는 일을 담당한다(이들은 비단 카페인뿐 아니라, 다이옥신, 농약, 환경호르몬, 발암물질, 약제 등을 분해함으로써 우리 몸을 지켜주는 역할을 한다. 이 효소의 성능이 달라지면 무슨 일이 생길까? 답을 듣기 전 한번 추측해보자...³). 우리의 카페인도 결국 CYP 에 붙잡히고, 이내 다른 물질로 바뀌어버리고 소변을 통해 몸에서 쫒겨나고 만다. 몇 시간이 지나면(그렇다, 몇 시간 동안 마신 카페인은 우리 뇌에 남는다. 저녁 늦게 마신 커피는 아데노신을 차단하여 우리의 숙면을 방해하게 된다), 우리와 함께 들어온 카페인들은 이런 식으로 몸에서 빠져나가고, 다시 아데노신은 신경세포에게 작용할 수 있게 된다. 우리도 이쯤 해서 빠져나가도록 하자.
수면 그리고 각성: 우리는 왜 졸린가?
이해를 돕기 위해 여기서 잠깐 멈추어 우리의 수면과 각성 주기에 대해 설명하도록 하자. 우리는 왜 일어나 긴 시간이 지나면 졸음을 느끼는가? 앞서 말한 것처럼, 그것은 아데노신 때문이다. 우리의 뇌는, 몸의 다른 모든 곳들이 그러는 것처럼 아데노신-삼-인산(띄어쓰지 않지만, 의미의 명확화를 위하여 띄어 적는다, 이하 줄여서 ATP)을 에너지원으로 이용한다. 이것은 전혀 어려울 것 없이 아데노신이라는 물질에 인산이 3개 붙은 물질인데, 생체는 여기서 인산을 떼어내며 그 과정에서 얻는 에너지를 이용해 생명 활동을 영위한다. 예컨대, 생명의 에너지 화폐라고 할 만하다. 포도당, 설탕, 녹말, 아니면 짜장면 한 그릇과 같은 수많은 에너지원은 결국은 ATP로 전환되어 생체에서 이용된다⁴.
그림 4. 수면의 생리학적 모델. 아래쪽의 완만한 선은 내재적 각성을 일으키는 일주기, 위는 아데노신으로 촉발되는 수면 욕구. 두 선의 차이가 우리에게 느껴지는 수면압이 된다.이러한 유용한 에너지원인 ATP에서 에너지를 얻기 위해 인산을 떼어내다 보면, 결국 그것은 아데노신이 된다. 즉, 아데노신이 많이 쌓인 것은 에너지가 다 떨어졌음을 의미한다. 비유하자면, 장을 본 식품이 다 떨어지고 포장지랑 음식물 쓰레기만 남아, '장 보러 갈 시간' 이 된 것을 알려주는 것과도 비슷하다. 이렇게 쌓인 아데노신은 앞서 말한 아데노신 수용체에 붙게 되고, 각성에 중요한 역할을 하는 신경세포들은 '끄고', 잠에 중요한 역할을 하는 신경세포들은 반대로 '켬으로써' 잠을 유도하게 된다⁵. 일반적인 성인에서, 이 주기는 8시간의 수면-16시간의 각성을 따라 아데노신이 쌓이고 제거됨으로써 반복된다(그림 4).
식물이 만드는 카페인
그렇다면, 대체 이 카페인은 왜 식물들에 존재하는가? 당연히 인간이 맛있게 먹고 즐기고 각성 효과를 누리라고 식물들이 호혜롭게 만드는 것은 아닐 것이다. 오히려 그것은 곤충들에 의한 피식을 막기 위한 방어 기작으로 만들어진다. 인간이 카페인을 얻는 수많은 식물들-커피는 말할 것도 없고, 과라나, 콜라나무 열매, 차나무, 카카오 등등에서 수많은 인간 문화권의 인간들은 카페인을 추출해 섭취해 왔다-에서 카페인은 천연 살충제의 역할을 한다(그림 5).
그림 5. 열대 식물인 과라나의 열매. 커피콩보다 두 배나 많은 카페인을 함유하고 있으며, 남미 등지에서는 과라나로 여러 차나 음료를 만들어 먹어 왔다.인간처럼 큰 동물에게는 미량의 카페인일지라도, 곤충처럼 작은 생명들에게는 작은 카페인도 치명적인 독소로 작용할 수 있어 곤충들이 카페인을 함유한 식물을 먹는 것을 방해한다. 또한, 주변 토양에 쌓이는 카페인은 다른 식물들의 침투를 막음으로써 토양을 독점할 수 있도록 만들기도 한다⁶,⁷. 흥미롭게도, 그리고 이전의 글에서 언급한 바 있듯이, 일부 식물은 카페인을 꽃꿀에 미량 섞어 넣어 꿀벌에게 공급함으로써 자신의 꽃을 더 잘 기억하게 하고, 자주 방문하게 만들기도 한다. 이와 같이 카페인은 식물에게서도 여러 기능들을 수행한다.
현대인의 3가지 향정신성 약물들
다른 글에서도 다룰 예정이지만, 이는 일상에서 카페인과 함께 가장 일반적으로 섭취되는 향정신성 약물인 알코올과는 반대로 작용하는 것으로 생각된다. 카페인은(그리고 농담으로 이야기하는 현대인의 3가지 약물 중 나머지 하나인 니코틴도) 신경세포들을 활성화시키는 반면, 알코올(에탄올) 은 신경세포들을 억제하는 역할을 주로 담당한다. 흔히 술에 취하게 되면 충동적이고, 활동적이게 되는 것처럼 보이기 때문에 에탄올 또한 각성이나 흥분의 역할을 하는 것이라 착각하기 쉽지만, 그것은 오히려 우리의 충동적 활동을 억제하는 전전두엽을 에탄올이 억제하기 때문에 충동적으로 행동하게 되기 때문이다(그림 6).
그림 6. 좌측에 보이는 인간 뇌의 전전두엽. 이는 뇌의 모든 곳으로부터 신호를 통합하여, 결정을 내리고 행동을 선택하는 역할을 담당한다 만일 여기서 더 많은 에탄올을 섭취하면, 우리의 소뇌(운동과 균형을 조절)나 해마(기억의 공고화에 관여)와 같은 구조들 또한 억제됨에 따라 몸을 가누기 힘들어지고, 기억을 잊게 된다. 여기서 멈추지 않고 더 많은 술을 마신다면, 호흡과 체온 유지 등 생명 유지에 필수적인 뇌간 구조물까지 억제되며 사망하게 된다. 이것이 흔히 우리가 아는, 술을 마심에 따라 나타나는 다양한 현상에 대한 신경과학적 설명이다⁸.
나가는 글
이번 글에서는, 이전의 글 15번의 8번 미주 내용을 더 깊이 다루어 보았다. 그 때, 나는 이렇게 적었다;
'예컨대 카페인이나 알코올과 같은 물질들은 우리의 중추신경계에 작용하여 각성 효과와 같은, 인지기능에 영향을 미친다. 이 효과들이 조금 더 강화되면 마취제나, 마약(향정신성 약물)이 되는 것이다. 이러한 사실은 우리의 자아, 지각, 인지와 같은 놀라운 기능들이 결국은 신경 세포의 활동에서 비롯되는 것이라는 심신일원론을 강하게 시사한다'.
