성장 호르몬

1. 개요

성장 호르몬은 소마토트로핀, 소마토트로픽 호르몬 등으로 불리며, 성장에 관여하는 호르몬이다. 뇌하수체에서 분비되며, 191개의 아미노산으로 구성된 단백질이다. 성장 호르몬은 성장 촉진, 신진대사 조절 기능을 수행하며, IGF-1을 매개로 세포 분열을 활발하게 한다. 성장 호르몬 결핍은 왜소증을 유발할 수 있으며, 과다는 거인증, 말단비대증을 일으킬 수 있다. 의학적으로는 성장 호르몬 결핍증 치료, 소모증으로 인한 근육량 유지 등에 사용되며, 도핑, 노화 방지 목적으로도 사용되나 논란이 있다. 한국은 키 성장에 대한 관심이 높아 관련 치료 수요가 높다.

2. 명칭

성장 호르몬(GH)은 소마토트로핀(Somatotropin, STH) 또는 소마토트로픽 호르몬(Somatotropic hormone)이라고도 불린다. 사람의 사체에서 추출한 성장 호르몬은 hGH, 유전자 재조합 기술로 생산된 성장 호르몬은 INN인 소마토트로핀(Somatropin)으로 표기하며, rhGH로 약칭한다. 스포츠 도핑과 관련하여 HGH로 불리기도 한다.

3. 구조

인간 성장 호르몬의 주요 형태는 191개의 아미노산으로 구성되며 분자량은 22,124 달톤이다. 이 구조에는 성장 호르몬 수용체와의 기능적 상호작용에 필요한 네 개의 나선이 포함되어 있다. 구조적으로 성장 호르몬은 프롤락틴과 태반 성장 호르몬과 진화적으로 유사하다. 서로 다른 종의 성장 호르몬 간에는 현저한 구조적 유사성이 있지만, 인간과 구세계 원숭이의 성장 호르몬만이 인간 성장 호르몬 수용체에 상당한 영향을 미친다.

여러 가지 분자 형태의 성장 호르몬이 뇌하수체에 존재하며 혈액으로 방출된다. 특히, 대체 스플라이싱에 의해 생성된 약 20 kDa의 변이체가 1:9의 비율로 상당히 일정하게 존재한다. 최근에는 운동 후 상태에서 더 높은 비율로 약 23-24 kDa의 추가 변이체가 보고되었다. 이 변이체는 확인되지 않았지만, 뇌하수체에서 확인된 23 kDa의 22 kDa 당화 변이체와 일치하는 것으로 제안되었다. 또한, 이러한 변이체는 부분적으로 단백질(성장 호르몬 결합 단백질, GHBP)과 산 불안정성 소단위(ALS)에 결합되어 순환한다.

주요 성장 호르몬은 191개의 아미노산으로 구성되며, 분자량은 22kDa(킬로달톤)이다. 프롤락틴과 유전자 구성 및 아미노산 배열이 유사하여, 하나의 조상 유전자가 중복되어 기능이 분화한 것으로 생각된다. 인간 성장 호르몬 유전자는 17번 염색체에 위치한다.

4. 생리적 기능

성장호르몬은 신진대사를 조절하고 성장에 관여한다.

4.1. 성장 촉진 기능

성장 호르몬은 인슐린 유사 성장인자(IGF-1)를 통해 성장 촉진 기능을 수행한다. 성장 호르몬은 간에서 IGF-1 분비를 촉진하며, IGF-1은 여러 조직에서 성장 촉진 효과를 나타낸다. 표적 조직에서 추가적인 IGF-1이 생성되어 내분비 및 자가분비/측분비 호르몬으로 작용한다. IGF-1은 골아세포 및 연골세포 활동을 자극하여 뼈 성장을 촉진한다.

성장 호르몬은 MAPK/ERK 경로를 활성화시켜 연골세포의 분열과 증식을 직접 자극한다. 또한 JAK-STAT 신호 전달 경로를 통해 IGF-1 생성을 자극한다.

성장 호르몬은 주로 IGF-1을 매개로 하여 표적 기관의 세포 분열을 활발하게 한다.

* 뼈의 신장: 유아기에 골단의 연골 세포의 분열·증식을 촉진하여 뼈를 신장시킨다.
* 근육 성장: 특정 아미노산의 흡수를 촉진하고, 단백질 합성을 촉진한다.

IGF-1 결핍은 라론형 저신장증을 유발한다. IGF-1 수용체 결핍은 IGF-1 불응증을 일으킨다. 글루코코르티코이드는 IGF-1 생성을 억제하며, IGFBP-1은 IGF-1의 작용을 저해한다.

4.2. 대사 조절 기능

성장 호르몬은 탄수화물, 단백질, 지질 대사를 촉진한다. 간에서의 글리코겐 분해를 촉진하고, 항인슐린 작용(인슐린을 억제하여 혈당치를 상승시킴)을 통해 혈당치를 일정하게 유지한다. 또한, 에너지 부족 상태일 때 지방조직에서 유리지방산 형태로 지방을 방출시켜 에너지원으로 사용하도록 한다.

성장 호르몬은 칼슘 농도 등을 일정하게 유지하여 체내 항상성 유지에 기여한다.

5. 분비 조절

성장 호르몬의 분비는 뇌하수체 전엽 호르몬과 비슷하게 시상하부의 호르몬에 의해 통제된다. 시상하부는 성장 호르몬방출호르몬(GHRH)과 성장 호르몬억제호르몬(GHIH, 소마토스타틴)을 통해 성장 호르몬 분비를 조절한다. 방출호르몬과 억제호르몬이 모두 존재하기 때문에 직접적인 음성 피드백은 일어나지 않는다.

뇌하수체에서의 성장 호르몬(GH) 분비는 시상하부의 신경분비핵에 의해 조절된다. 이 세포들은 성장호르몬 방출 호르몬(GHRH)과 성장호르몬 억제 호르몬(GHIH)을 뇌하수체 주변의 뇌하수체 문맥 정맥혈로 방출한다. 뇌하수체에서의 GH 방출은 주로 이 두 펩타이드의 균형에 의해 결정되며, 여러 생리적 자극제와 억제제의 영향을 받는다.

소마토트로프 세포는 전뇌하수체에서 시상하부의 자극에 반응하여 GH를 박동적으로 합성하고 분비한다. 가장 크고 예측 가능한 GH 피크는 수면 시작 후 약 1시간 후에 나타나며, 혈장 수치는 13~72 ng/mL이다. GH의 최대 분비는 서파 수면 시작 후 몇 분 이내에 발생할 수 있다. 그 외에는 일별 및 개인별로 차이가 크다. GH 분비의 거의 50%는 3단계와 4단계 비렘수면 동안 발생한다. 낮 동안의 분비 급증은 3~5시간 간격으로 발생하며, 이 피크 동안 GH의 혈장 농도는 5~45 ng/mL에 이를 수 있다. 피크 사이에는 기저 GH 수치가 낮으며, 대부분의 시간 동안 밤낮으로 5 ng/mL 미만이다.

나이, 성별, 식단, 운동, 스트레스 및 기타 호르몬과 같은 여러 요인이 GH 분비에 영향을 미친다. 젊은 청소년은 하루 약 700 μg, 건강한 성인은 하루 약 400 μg의 GH를 분비한다. 수면 부족은 GH 방출을 억제한다.

성장 호르몬 분비를 촉진하는 요인은 다음과 같다.

* 혈중 아미노산 증가
* 혈중 지방산 감소
* 혈당 감소
* 운동
* 적절한 스트레스
* 적절한 수면
* 아르기닌 섭취
* 젖산 분비
* 심한 수면
* 글루카곤
* 옥시부티레이트 나트륨
* 니아신
* 단식
* 인슐린
* 활발한 운동
* 가압 트레이닝
* 알기닌 부하 시험

성장 호르몬 분비를 억제하는 요인은 다음과 같다.

* GHIH(소마토스타틴)
* GH와 IGF-1의 순환 농도(뇌하수체와 시상하부에 대한 음성 피드백)
* 고혈당
* 글루코코르티코이드
* 디하이드로테스토스테론
* 페노티아진계 약물

성장 호르몬은 약 10~20분의 짧은 생물학적 반감기를 갖는다.

6. 관련 질환

성장 호르몬 결핍증과 과다증은 각각 다른 질환을 유발한다.

성장 호르몬 결핍증

성장 호르몬이 결핍된 사람이나 동물은 왜소증에 걸릴 수 있다. 성장 호르몬 결핍 또는 부족으로 인한 왜소증은 성장 호르몬을 투여함으로써 완화 또는 치료될 수 있다. 소아기에 성장 호르몬 분비가 적으면 성장호르몬분비부전성저신장증을 일으킨다. 소아의 경우 주요 증상은 성장 장애, 저신장, 성숙 지연이다. 성인의 경우, 결핍은 드물며 가장 흔한 원인은 뇌하수체 선종이다.

성장 호르몬 과다증

성장 호르몬이 과다한 경우, 20세가 넘어서도 키가 계속 자라다가 30, 40대의 젊은 나이에 사망하는 사례가 언론에 보도되기도 한다. 가장 흔한 질병은 전뇌하수체의 호산성 세포로 구성된 뇌하수체 종양이다. 장기간의 성장 호르몬 과다는 말단비대증을 유발하여 턱, 손가락, 발가락의 뼈를 두껍게 한다. 뼈의 성장이 완성되기 전에 성장 호르몬 분비가 항진되면 거인증을 일으키고, 완성된 후이면 말단비대증을 일으킨다.

7. 의학적 이용

성장 호르몬은 의학적으로 다양한 분야에서 활용된다.

성장 호르몬 결핍증 치료에는 성장 호르몬 투여가 사용된다. 성장 호르몬 결핍으로 인한 왜소증은 성장 호르몬 투여를 통해 완화 또는 치료될 수 있다. 또한, 가축에 투여되어 근육과 단백질을 증대시키는 실용적인 목적으로 사용되기도 한다.

이외에도 터너 증후군, 소아 만성 신장 질환으로 인한 성장 장애, 프라더-윌리 증후군, 자궁 내 성장 제한, 심각한 특발성 저신장과 같이 성장 호르몬 결핍과 관련 없는 저신장 치료에도 사용될 수 있다.

재조합 성장 호르몬(rHGH)의 한 종류는 소모증을 앓는 AIDS 환자의 근육량 유지를 위해 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았다.

7.1. 치료

성장 호르몬 결핍증 치료에는 성장 호르몬 투여가 사용된다. 성장 호르몬 결핍으로 인한 왜소증은 성장 호르몬 투여를 통해 완화 또는 치료될 수 있다. 성장 호르몬은 가축에 투여되어 근육과 단백질을 증대시키는 실용적인 목적으로 사용되기도 한다.

성장 호르몬(GH) 결핍증의 영향은 발생 시기에 따라 다르다. 소아에서는 성장 장애, 저신장, 성숙 지연이 주요 증상이다. 성인의 경우, 파골세포 활동 증가로 뼈가 약해져 병적 골절과 골다공증 위험이 높아진다. 성인의 성장 호르몬 결핍은 드물며, 가장 흔한 원인은 뇌하수체 선종이다.

성장 호르몬 결핍증 성인은 지방량 증가, 근육량 감소, 에너지 및 삶의 질 저하를 겪는 경향이 있다. 성장 호르몬은 소아기 또는 성인기에 발병한 성장 호르몬 결핍증 환자의 호르몬 대체 요법으로 사용된다. 이러한 환자에게는 지방량 감소, 제지방량 증가, 골밀도 증가, 지질 프로필 개선, 심혈관 위험 요소 감소, 심리적 안녕 상태 개선 등 다양한 이점이 나타났다. 주 1회 주사하는 장시간 작용 성장 호르몬(LAGH) 유사체는 매일 주사해야 하는 성장 호르몬만큼 안전하고 효과적이다.

성장 호르몬은 성장 호르몬 결핍과 관련 없는 저신장 치료에도 사용될 수 있다. 터너 증후군, 소아의 만성 신장 질환으로 인한 성장 장애, 프라더-윌리 증후군, 자궁 내 성장 제한, 심각한 특발성 저신장 등이 그 예시이다. 이러한 질환에서는 더 높은 용량의 성장 호르몬이 필요하다.

재조합 성장 호르몬(rHGH)의 한 종류는 소모증으로 인한 AIDS 환자의 근육량 유지를 위해 미국 식품의약국(FDA)의 승인을 받았다.

7.2. 기타 이용

성장호르몬의 사용지시서 외 사용은 논란의 여지가 있으며 불법일 수 있다.

성장호르몬을 노화 방지 치료제로 사용하려는 주장은 1990년 뉴잉글랜드 의학 저널에 발표된 연구 결과에서 비롯되었다. 이 연구에서는 60세 이상 남성 12명에게 성장호르몬을 투여한 결과, 제지방량과 골밀도가 통계적으로 유의미하게 증가했다. 연구 저자들은 이러한 변화가 10~20년의 노화 기간 동안 발생하는 변화와 반대되는 것이라고 언급했지만, 성장호르몬이 노화 자체를 역전시킨다고 주장하지는 않았다. 그러나 이 결과는 성장호르몬이 효과적인 노화 방지제라는 오해를 불러일으켰고, 미국 노화 방지 의학회와 같은 단체들이 성장호르몬을 "노화 방지제"로 홍보하는 계기가 되었다.

2007년 스탠퍼드 대학교 의과대학의 메타 분석 연구에 따르면, 건강한 노인에게 성장호르몬을 투여하면 근육량이 약 2kg 증가하고 체지방이 같은 양만큼 감소하는 효과가 있었다. 그러나 골밀도, 콜레스테롤 수치, 지질 측정, 최대 산소 섭취량 등 다른 중요한 요인에는 영향을 미치지 않았다. 또한, 근육 강도의 증가는 발견되지 않았는데, 이는 성장호르몬이 근육 성장을 증가시키는 것이 아니라 근육에 더 많은 수분을 저장하게 하여 제지방량을 증가시켰을 것이라는 추측을 낳았다.

많은 운동선수들이 운동 능력 향상을 위해 성장 호르몬을 사용해왔다. 그러나 최근 연구들은 성장 호르몬이 프로 남성 선수들의 운동 능력을 향상시킨다는 주장을 뒷받침하지 못했다. 많은 체육 단체는 성장 호르몬(GH) 사용을 금지하고 있으며, 적발된 선수에게 제재를 가한다. GH는 강력한 내인성 단백질이기 때문에 GH 도핑을 검출하기가 매우 어렵다.

성장호르몬은 다음과 같이 사용되기도 한다.

* 미용·[[항노화]]: 성장호르몬 분비는 노화와 함께 감소하기 때문에, 성형외과 등에서 성장호르몬 주사를 사용하고 있다.
* 운동 능력 향상: 프로 스포츠계에서는 도핑으로 "경기 외 검사에서 금지되는 물질"로 규정되어 성장 호르몬 주사가 사용되기도 한다.
* 설하 투여: 혀밑에 성장호르몬을 스프레이하여 점막으로 흡수하는 방법으로, 일본에서는 의약품으로 분류된다.

8. 논란 및 사회적 이슈

성장호르몬의 오용 및 남용은 논란의 여지가 있으며, 경우에 따라 불법일 수 있다.

1990년 뉴잉글랜드 의학 저널에 60세 이상 남성 12명을 대상으로 성장호르몬을 사용한 연구 결과가 발표되면서, 성장호르몬을 노화 방지 치료제로 사용하려는 주장이 제기되었다. 이 연구에서 모든 남성에게서 제지방량과 골밀도가 통계적으로 유의미하게 증가했다. 연구 저자들은 이러한 개선이 10~20년의 노화 기간 동안 발생하는 변화와 반대된다고 언급했지만, 성장호르몬이 노화 자체를 역전시켰다고 주장하지는 않았다. 그러나 이 결과는 성장호르몬이 효과적인 노화 방지제라는 오해를 불러일으켰고, 미국 노화 방지 의학회와 같은 단체들이 성장호르몬을 "노화 방지제"로 홍보하는 계기가 되었다.

2007년 스탠퍼드 대학교 의과대학의 메타 분석 연구에 따르면, 건강한 노인 환자에게 성장호르몬을 사용하면 근육이 약 2kg 증가하고 체지방이 같은 양만큼 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 골밀도, 콜레스테롤 수치, 지질 측정, 최대 산소 섭취량 등 다른 중요한 요인에는 영향을 미치지 않았다. 또한, 근육 강도의 증가는 발견되지 않았는데, 이는 성장호르몬이 근육 성장을 증가시키는 것이 아니라 근육에 더 많은 수분을 저장하게 했을 것이라는 추측을 낳았다.

성장호르몬은 다발성 경화증 치료, 비만의 체중 감량 증진, 섬유근육통, 심부전, 크론병 및 궤양성 대장염 및 화상 치료 등 다양한 질병의 치료 목적으로도 사용되어 왔다.

1990년 미국 의회는 1990년 범죄 통제법을 통과시켜 단백 동화 스테로이드를 통제 물질로 분류하고, 성장호르몬을 의도적으로 유통하거나 소지하는 행위를 중범죄로 규정했다.

미국 법무부의 마약단속국은 성장호르몬의 사용지시서 외 처방을 불법으로 간주하며, 이것이 성장호르몬의 불법 유통의 주요 경로라고 보고 있다.

Dragos Roman^영어 미국 FDA 내분비학 약물 검토팀장은 "FDA는 성장호르몬의 사용지시서 외 사용을 규제하지 않는다. 때로는 적절하게 사용되기도 하고, 때로는 그렇지 않기도 하다."라고 말했다.

많은 스포츠 선수들이 운동 능력 향상을 위해 성장호르몬을 사용해왔다. 그러나 최근 연구 결과들은 성장호르몬이 프로 남성 선수들의 운동 능력을 향상시킨다는 주장을 뒷받침하지 못하고 있다. 많은 체육 단체들은 성장호르몬 사용을 금지하고 있으며, 적발된 선수들에게 제재를 가한다.

성장호르몬이 노화 방지에 도움이 될 수 있다는 점을 이용하여, 영양 보충제를 판매하는 회사들은 "성장호르몬 분비 촉진제"와 같은 문구를 사용하며 제품을 광고한다. 이러한 제품들은 주로 아미노산, 미네랄, 비타민, 허브 추출물 등을 함유하고 있으며, 신체 내에서 성장호르몬 생성을 촉진하여 유익한 효과를 가져온다고 주장한다. 그러나 미국에서는 이러한 제품들이 영양 보충제로 판매되기 때문에, 약물인 성장호르몬을 함유하는 것은 불법이다.