호르몬과 내분비샘

호르몬은 그 화학 구조에 따라 주로 스테로이드 호르몬, 펩타이드 호르몬, 아민 호르몬의 세 가지 큰 범주로 분류된다. 이 분류는 호르몬의 합성 경로, 수용체 위치, 작용 메커니즘의 차이를 반영한다.

스테로이드 호르몬은 콜레스테롤을 전구체로 하여 합성되는 지질 유사 물질이다. 이 그룹에는 부신피질에서 분비되는 코르티솔, 알도스테론과 생식샘에서 분비되는 에스트로겐, 프로게스테론, 테스토스테론 등이 포함된다. 이들은 지용성이어서 세포막을 자유롭게 통과할 수 있으며, 주로 세포 내에 위치한 수용체와 결합하여 유전자 발현을 조절하는 방식으로 작용한다.

펩타이드 호르몬과 단백질 호르몬은 아미노산이 펩타이드 결합으로 연결된 구조를 가진다. 뇌하수체의 성장 호르몬, 갑상샘자극호르몬, 인슐린, 글루카곤 등 대부분의 호르몬이 이 범주에 속한다. 이들은 수용성이어서 세포막을 통과하지 못하며, 표적 세포의 세포막에 위치한 특정 수용체에 결합하여 2차 전달자를 활성화시키는 방식으로 신호를 전달한다.

아민 호르몬은 티로신이나 트립토판 같은 아미노산을 변형시켜 만들어진다. 대표적인 예로 갑상샘 호르몬(티록신, 트리요오드티로닌)과 부신수질에서 분비되는 에피네프린(아드레날린), 노르에피네프린이 있다. 이들의 작용 메커니즘은 화학 구조에 따라 다르며, 갑상샘 호르몬은 스테로이드 호르몬과 유사하게 세포 내 수용체에, 카테콜아민(에피네프린 등)은 펩타이드 호르몬과 유사하게 세포막 수용체에 작용한다.

호르몬은 표적 세포에 도달하여 특정한 생물학적 반응을 일으키기 위해 다양한 작용 메커니즘을 사용한다. 이 메커니즘은 주로 호르몬의 화학적 성질, 즉 지용성 호르몬인지 수용성 호르몬인지에 따라 결정된다.

지용성 호르몬인 스테로이드 호르몬과 갑상샘 호르몬은 세포막의 지질 이중층을 쉽게 통과할 수 있다. 이들은 세포 내부로 들어가 세포질이나 핵 내에 존재하는 특정 수용체 단백질과 결합한다. 이렇게 형성된 호르몬-수용체 복합체는 DNA의 특정 부위(호르몬 반응 요소)에 결합하여 특정 유전자의 발현을 촉진하거나 억제한다. 결과적으로 새로운 단백질이 합성되어 장기적인 생리적 효과를 나타낸다.

반면, 수용성 호르몬인 펩타이드 호르몬과 아민 호르몬은 지질로 이루어진 세포막을 통과하지 못한다. 이들은 표적 세포의 세포막 표면에 위치한 특정 수용체에 결합한다. 결합은 세포 내에서 2차 전달자라 불리는 신호 분자를 활성화시키는 일련의 반응을 촉발한다. 대표적인 2차 전달자로는 사이클릭 AMP(cAMP), 이노시톨 삼인산(IP3), 칼슘 이온(Ca²⁺) 등이 있다. 이 2차 전달자들은 세포 내에서 효소들을 연쇄적으로 활성화시켜(단백질 인산화 등), 기존에 존재하는 단백질들의 기능을 빠르게 변화시킨다. 이 메커니즘은 스테로이드 호르몬의 작용에 비해 일반적으로 더 빠른 반응을 유도한다.

뇌하수체는 뇌의 아래쪽, 시상하부에 매달려 있는 완두콩 크기의 작은 기관이다. 무게는 약 0.5그램에 불과하지만, 신체의 여러 다른 내분비샘을 통제하는 '마스터 글랜드'로 불린다. 뇌하수체는 전엽, 중엽, 후엽의 세 부분으로 나뉘며, 각 부분에서 분비되는 호르몬의 종류와 기능이 다르다.

전엽에서는 성장과 대사, 생식, 스트레스 대응 등에 관여하는 여러 호르몬이 분비된다. 주요 호르몬과 그 기능은 다음과 같다.

뇌하수체 중엽은 인간에서는 퇴화되어 거의 기능하지 않지만, 다른 동물에서는 멜라닌세포자극호르몬 (MSH)을 분비하여 피부 색소 침착을 조절한다. 후엽은 실제 호르몬을 합성하지는 않지만, 시상하부에서 만들어진 두 가지 호르몬을 저장하고 필요할 때 혈액으로 방출하는 역할을 한다. 이들은 옥시토신 (자궁 수축과 모유 분비 촉진)과 항이뇨호르몬 (ADH, 또는 바소프레신; 신장에서 물의 재흡수를 증가시켜 혈압과 체액 농도를 유지)이다.

뇌하수체의 기능은 주로 시상하부에 의해 조절된다. 시상하부는 다양한 신경 신호와 체내 환경 정보를 통합하여, 자체 호르몬(방출 호르몬 또는 억제 호르몬)을 분비하여 뇌하수체 전엽의 활동을 지시한다. 이처럼 뇌하수체는 신경계와 내분비계를 연결하는 핵심적인 교량 역할을 수행한다.

갑상샘은 목의 앞부분, 기관의 양옆에 위치한 나비 모양의 기관이다. 좌우 두 개의 엽(葉)과 이를 연결하는 협부(峽部)로 구성된다. 이 기관은 요오드를 흡수하여 갑상샘 호르몬을 합성하고 분비하는 주요 기능을 담당한다.

주요 호르몬으로는 티록신(T4)과 트리요오드티로닌(T3)이 있다. 이들은 체내 모든 세포의 기초대사율을 증가시키는 역할을 한다. 구체적으로 단백질 합성, 지방과 탄수화물의 대사, 체온 유지, 심박수 조절, 신경계 발달 및 기능에 관여한다. 또한 칼시토닌이라는 호르몬을 분비하여 혈중 칼슘 농도를 낮추는 데 기여한다[3].

갑상샘 호르몬의 분비는 뇌하수체 전엽에서 분비되는 갑상샘자극호르몬(TSH)에 의해 조절된다. 혈중 T3, T4 농도가 낮아지면 뇌하수체는 TSH 분비를 증가시켜 갑상샘을 자극하고, 반대로 호르몬 농도가 충분해지면 TSH 분비가 억제되는 음성 피드백 기전이 작동한다. 갑상샘 기능 이상은 다양한 질환을 유발한다.

부신은 양쪽 신장의 윗부분에 위치한 한 쌍의 내분비 기관이다. 각 부신은 외부의 부신 피질과 내부의 부신 수질이라는 두 개의 독립된 부분으로 구성되어 있으며, 각 부분은 서로 다른 호르몬을 분비한다.

부신 피질은 스테로이드 호르몬을 생산한다. 이 호르몬들은 크게 세 가지 주요 그룹으로 나뉜다. 첫째, 글루코코르티코이드(대표적으로 코르티솔)는 스트레스 대응, 염증 억제, 그리고 혈당 조절에 관여한다. 둘째, 미네랄코르티코이드(대표적으로 알도스테론)는 신장에서 나트륨과 칼륨의 재흡수 및 배설을 조절하여 체액과 전해질 균형을 유지한다. 셋째, 성호르몬 전구체인 안드로겐을 소량 분비한다.

부신 수질은 카테콜아민 계열의 호르몬인 에피네프린(아드레날린)과 노르에피네프린(노르아드레날린)을 분비한다. 이 호르몬들은 교감 신경계가 활성화될 때, 예를 들어 스트레스나 위험 상황에서 급격히 분비되어 "투쟁 또는 도피 반응"을 유발한다. 이들의 주요 작용은 다음과 같다.

부신 피질과 수질의 호르몬 분비는 서로 다른 경로로 조절된다. 피질 호르몬의 분비는 시상하부-뇌하수체 축의 지배를 받는 반면, 수질 호르몬의 분비는 직접적으로 교감 신경계의 지시에 따라 이루어진다.

췌장은 복강의 위 뒤쪽에 위치한 기관으로, 외분비샘과 내분비샘의 이중 기능을 가진다. 외분비샘으로서는 소화 효소를 분비하지만, 내분비샘으로서는 혈당 농도를 조절하는 데 필수적인 호르몬을 생산한다. 이 내분비 기능은 췌장 전체 조직에 흩어져 있는 특수 세포군인 랑게르한스섬에서 수행된다.

랑게르한스섬에는 알파 세포, 베타 세포, 델타 세포 등 여러 종류의 세포가 존재하며, 각각 다른 호르몬을 분비한다. 가장 잘 알려진 호르몬은 베타 세포에서 분비되는 인슐린이다. 인슐린은 혈액 내 포도당 농도가 상승했을 때 분비되어, 간과 근육, 지방 세포 등이 포도당을 흡수하고 저장하도록 촉진함으로써 혈당을 낮춘다. 반대로 알파 세포에서 분비되는 글루카곤은 혈당이 낮아졌을 때 작용하여 간에 저장된 글리코겐을 포도당으로 분해하도록 유도함으로써 혈당을 상승시킨다. 델타 세포에서 분비되는 소마토스타틴은 인슐린과 글루카곤의 분비를 억제하는 조절 역할을 한다.

이러한 호르몬들의 정교한 균형이 깨지면 대표적인 내분비 질환인 당뇨병이 발생한다. 제1형 당뇨병은 자가면역 반응으로 베타 세포가 파괴되어 인슐린이 절대적으로 부족한 상태이다. 제2형 당뇨병은 인슐린에 대한 세포의 저항성이 증가하여 상대적인 인슐린 부족 상태를 초래한다. 두 경우 모두 혈당 조절에 심각한 장애를 일으킨다.

생식샘은 정소와 난소를 가리킨다. 이들은 각각 남성과 여성의 생식 세포를 생성하는 주요 기관이자, 성 호르몬을 분비하는 중요한 내분비샘이다. 생식샘에서 분비되는 호르몬은 생식 기관의 발달과 기능, 2차 성징의 출현, 생식 주기 조절 등에 핵심적인 역할을 한다.

남성의 생식샘인 정소는 정자를 생산하며, 주로 테스토스테론이라는 안드로겐을 분비한다. 테스토스테론은 태아기 남성 생식기의 분화를 유도하고, 사춘기에는 성기의 성장, 근육량 증가, 목소리 변화, 체모 분포 등 남성 2차 성징의 발현을 촉진한다. 또한 성욕 유지와 정자 생성에도 관여한다. 여성의 생식샘인 난소는 난자를 배출하고, 에스트로겐과 프로게스테론을 분비한다. 에스트로겐은 여성 생식기의 발달, 유방 성장, 체지방 분포 등 여성 2차 성징을 유도하며, 자궁 내막을 증식시키는 역할을 한다. 프로게스테론은 배란 후 분비가 증가하여 자궁 내막을 유지하고 태아 착상 및 유지에 적합한 환경을 조성한다.

생식샘의 호르몬 분비는 시상하부와 뇌하수체 전엽에 의해 정교하게 조절된다. 시상하부에서 분비된 성선자극호르몬방출호르몬(GnRH)은 뇌하수체 전엽을 자극하여 황체형성호르몬(LH)과 여포자극호르몬(FSH)의 분비를 유도한다. 이 두 호르몬은 생식샘에 작용하여 성 호르몬의 분비와 생식 세포의 생성을 촉진한다. 생식샘에서 분비된 성 호르몬은 다시 시상하부와 뇌하수체에 음성 피드백 작용을 하여 분비를 억제함으로써 체내 호르몬 농도를 일정 수준으로 유지한다.

호르몬 분비 조절에서 피드백 기전은 체내의 특정 물질 농도가 일정 수준을 유지되도록 하는 핵심적인 자동 조절 시스템이다. 이 기전은 주로 내분비샘에서 호르몬 분비를 억제하거나 촉진하는 신호로 작용하여 항상성을 유지한다.

가장 일반적인 형태는 음성 피드백이다. 예를 들어, 갑상샘에서 분비되는 갑상샘 호르몬의 농도가 혈중에서 높아지면, 이는 시상하부와 뇌하수체전엽에 신호로 전달된다. 이 신호는 갑상샘 자극 호르몬의 분비를 억제하여, 궁극적으로 갑상샘 호르몬의 생성을 줄이고 혈중 농도를 정상 수준으로 되돌린다. 반대로 농도가 낮아지면 억제 신호가 사라져 분비가 촉진된다. 이와 유사한 기전이 부신 피질 호르몬이나 성 호르몬의 분비 조절에도 관여한다.

드물게는 양성 피드백이 관찰되기도 한다. 대표적인 예는 여성의 생식 주기에서, 일정 수준 이상의 에스트로겐이 뇌하수체전엽을 자극하여 황체 형성 호르몬의 급격한 분비를 유발하는 현상이다[5]. 이는 일시적인 현상이며, 궁극적으로는 음성 피드백에 의해 전체 시스템이 조절된다. 이러한 피드백 기전의 이상은 다양한 내분비계 질환을 초래한다.

호르몬 분비의 신경 조절은 신경계가 직접적으로 내분비샘에 영향을 미쳐 호르몬 분비를 조절하는 방식을 의미한다. 이는 피드백 기전과 함께 내분비계 조절의 두 주요 축 중 하나를 이룬다. 신경 조절의 가장 대표적인 예는 교감 신경이 부신 수질을 자극하여 아드레날린과 노르아드레날린을 분비하게 하는 과정이다. 이때 신경 자극은 시상하부에서 시작되어 척수를 거쳐 부신 수질에 직접 도달한다.

또 다른 중요한 신경 조절 경로는 시상하부와 뇌하수체 후엽 사이에서 일어난다. 시상하부의 신경세포는 항이뇨호르몬(ADH)과 옥시토신을 합성하여, 신경 말단을 통해 뇌하수체 후엽으로 직접 운반하고 저장한다. 이후 적절한 신경 신호(예: 혈장 삼투압 상승, 출산 자극)가 들어오면 이 호르몬들이 혈액으로 방출된다. 이는 호르몬이 신경세포에서 직접 생성되고 분비된다는 점에서 독특한 방식이다.

신경 조절은 일반적으로 급격한 환경 변화에 대한 신속한 생리적 반응을 가능하게 한다. 예를 들어, 스트레스나 위험 상황에 직면했을 때 교감 신경이 활성화되어 아드레날린이 분비되면, 심박수 증가와 혈당 상승 등이 빠르게 일어나 몸이 즉각적으로 대응할 수 있게 된다. 이는 호르몬 분비가 비교적 느린 내분비 조절 방식과 구별되는 특징이다.

내분비샘의 기능 이상으로 특정 호르몬이 필요 이상으로 많이 분비되는 상태를 분비 과다증이라 한다. 반대로 충분한 양이 분비되지 않는 상태는 분비 저하증으로 부른다. 이러한 불균형은 해당 호르몬의 표적 기관에 광범위한 기능 장애를 초래하며, 그 증상은 영향을 받는 호르몬의 종류에 따라 크게 달라진다.

분비 과다증의 원인은 대개 해당 내분비샘에 발생한 종양 (대부분 양성 선종), 샘의 과형성, 또는 자가면역 질환 등이다. 예를 들어, 뇌하수체에 생긴 종양은 성장 호르몬을 과다 분비하여 성인기에 말단비대증을 유발하거나, 갑상샘자극호르몬을 과다 분비하여 갑상샘 기능 항진을 일으킬 수 있다. 갑상샘 자체의 과활동은 그레이브스병과 같은 자가면역 질환이 주요 원인이며, 이로 인해 갑상샘 호르몬이 과다 생성되어 갑상샘 기능 항진증이 발생한다.

분비 저하증은 샘 조직의 파괴, 선천적 결손, 또는 호르몬 분비를 촉진하는 상위 호르몬의 부족 등에 의해 일어난다. 부신 피질의 파괴는 코르티솔과 알도스테론의 부족을 초래하여 애디슨병을 유발한다. 췌장의 베타 세포 파괴는 인슐린 생산을 불가능하게 만들어 제1형 당뇨병의 원인이 된다. 또한, 뇌하수체의 기능 저하는 여러 가지 뇌하수체 호르몬의 분비를 감소시켜, 이에 종속된 말초 내분비샘(예: 갑상샘, 부신, 생식샘)의 기능 저하를 유발하는 뇌하수체 기능 저하증을 일으킨다.

분비 과다 및 부족의 진단은 혈액 내 호르몬 농도 측정을 기본으로 하며, 경우에 따라 자극 또는 억제 검사, 영상 촬영 등을 통해 원인을 규명한다. 치료는 호르몬 수치를 정상 범위로 되돌리는 것을 목표로 하며, 약물 치료, 방사성 동위원소 치료, 수술적 제거, 또는 부족한 호르몬의 보충 요법 등이 사용된다.

내분비계 질환은 특정 호르몬의 분비 과다 또는 부족으로 인해 발생하며, 다양한 증상을 유발한다. 대표적인 예로는 당뇨병, 갑상샘 기능 항진증, 쿠싱 증후군, 말단비대증 등이 있다.

이 외에도 부신 피질 기능 저하증(애디슨병), 뇌하수체 기능 저하증, 갑상샘 기능 저하증(갑상샘저하증) 등 호르몬 분비 부족에 의한 질환도 흔하다. 각 질환은 혈액 검사를 통한 호르몬 농도 측정, 영상 촬영 등을 통해 진단되며, 호르몬 보충 요법, 약물 치료, 수술, 방사선 치료 등을 통해 관리된다.

호르몬은 다양한 내분비계 질환의 치료에 핵심적인 역할을 한다. 호르몬 대체 요법은 해당 호르몬의 분비 부족을 보충하는 가장 직접적인 치료법이다. 예를 들어, 제1형 당뇨병 환자는 인슐린 주사를 통해 혈당을 조절하며, 갑상샘기능저하증 환자는 합성 갑상샘 호르몬인 레보티록신을 복용한다. 반대로, 호르몬의 과다 분비로 인한 질환은 그 생성을 억제하거나 작용을 차단하는 약물로 치료한다. 갑상샘기능항진증 치료에는 갑상샘 호르몬 합성을 방해하는 약물이 사용되며, 일부 호르몬 의존성 암의 치료에는 해당 호르몬의 수용체를 차단하는 약물이 활용된다.

호르몬은 생식 건강 및 조절 분야에서도 널리 응용된다. 경구 피임약은 에스트로겐과 프로게스테론의 인공 유사체를 사용하여 배란을 억제한다. 불임 치료에는 배란 유도제로 작용하는 성선자극호르몬이 사용되며, 폐경기 증상 완화를 위한 호르몬 대체 요법도 실시된다. 또한, 성전환 치료에서도 목표 성별의 2차 성징을 유도하기 위해 해당 성호르몬이 투여된다.

이러한 치료는 호르몬 수준을 정밀하게 모니터링해야 하며, 부적절한 사용은 심각한 부작용을 초래할 수 있다. 따라서 호르몬 치료는 반드시 전문의의 진단과 처방에 따라 이루어져야 한다.

호르몬은 생명공학 분야에서 치료제 개발, 농업 생산성 향상, 산업 공정 개선 등 다양한 목적으로 활용된다. 특히 유전자 재조합 기술의 발전은 동물이나 사람의 호르몬을 대량으로 생산하는 길을 열었다. 예를 들어, 인슐린은 과거 소나 돼지의 췌장에서 추출했으나, 현재는 재조합 DNA 기술을 이용해 대장균이나 효모에서 생산한다[7]. 이는 공급의 안정성을 높이고, 동물 유래 호르몬에 대한 알레르기 반응 위험을 줄이는 결과를 가져왔다.

농업 및 축산 분야에서는 성장 촉진과 생산성 향상을 위해 호르몬이 사용된다. 소의 성장을 촉진하는 소마토트로핀(bovine somatotropin, BST)은 유전공학적으로 생산되어 젖소의 우유 생산량을 증가시키는 데 활용된다. 또한, 옥시토신과 같은 호르몬은 가축의 분만을 유도하거나 유즙 분비를 촉진하는 데 사용된다. 작물에서는 옥신이나 지베렐린 같은 식물 호르몬을 처리하여 발아율을 높이거나 과실의 크기를 키우는 등의 기술이 적용된다.

산업적 측면에서는 호르몬을 분해하는 효소나 호르몬 수용체를 표적으로 하는 물질이 환경 오염 물질 제거나 바이오센서 개발에 이용된다. 예를 들어, 일부 내분비계 교란 물질(환경호르몬)을 검출하거나 제거하는 기술 개발에 호르몬 작용 메커니즘이 응용된다. 최근에는 합성 생물학을 통해 완전히 새로운 기능을 가진 호르몬 유사 물질을 설계하거나, 세포 내에서 호르몬 신호 전달 경로를 인공적으로 조절하는 연구도 진행 중이다.