신경전달물질

3. 종류와 기능

신경전달물질은 일반적으로 뉴런 내에서 합성되며, 세포 내에 풍부하게 존재하는 전구체 분자로부터 만들어지거나 유래된다. 신경전달물질은 기능과 구조에 따라 여러 방식으로 분류될 수 있으며, 주요 분류로는 아미노산, 모노아민, 펩타이드 등이 있다.^[35] 그 외에도 퓨린, 기체 분자 등도 신경전달물질과 유사한 역할을 수행한다.

신경전달물질은 시냅스 후 막의 수용체와 상호작용하여 표적 세포에 흥분성, 억제성, 또는 조절성 효과를 나타낼 수 있다. 흥분성 신경전달물질은 표적 뉴런이 활동 전위를 생성할 가능성을 높이는 반면, 억제성 신경전달물질은 그 가능성을 낮춘다. 조절성 신경전달물질은 직접적인 흥분이나 억제보다는 신경 세포의 전반적인 기능이나 다른 신경전달물질에 대한 반응성을 조절하는 역할을 한다.^[20]

주요 신경전달물질의 분류와 예시는 다음과 같다.

• '''아미노산''': 신경계에서 가장 풍부한 신경전달물질 중 일부를 포함한다.
• 글루탐산: 뇌의 주요 흥분성 신경전달물질이다.^[36]
• 가바(GABA): 뇌의 주요 억제성 신경전달물질이다.^[24]
• 글라이신: 주로 척수에서 작용하는 억제성 신경전달물질이다.^[25]
• 아스파르트산, D-세린 등도 아미노산 계열 신경전달물질에 속한다.

• '''모노아민''': 단일 아미노산으로부터 합성되며, 다양한 신경 기능 조절에 관여한다.
• 카테콜아민 (티로신 유래): 도파민, 노르에피네프린, 에피네프린 등. 기분, 각성, 운동 조절 등에 영향을 미친다.
• 인돌아민 (트립토판 유래): 세로토닌. 기분, 수면, 식욕 조절 등에 관여한다.
• 히스타민 (히스티딘 유래): 각성, 알레르기 반응 등에 관여한다.
• 아세틸콜린: 학습, 기억, 근육 수축 등에 중요한 역할을 한다.^[16] (구조적으로는 모노아민과 다르지만, 기능적으로 함께 분류되기도 한다.)

• '''펩타이드''': 아미노산 사슬로 구성된 비교적 큰 분자이다. 신경펩타이드라고도 불리며, 종종 다른 신경전달물질과 함께 방출되어 조절 효과를 나타낸다.^[4]
• 오피오이드 펩타이드 (예: 엔도르핀, 엔케팔린): 통증 조절, 쾌감 등과 관련된다.
• 물질 P: 통증 신호 전달에 관여한다.
• 옥시토신, 바소프레신, 소마토스타틴 등 100가지가 넘는 다양한 신경펩타이드가 존재한다.^[38][39]

• '''퓨린''': 아데노신 삼인산(ATP), 아데노신 등이 포함된다. 에너지 대사 산물이지만 신경 조절 기능도 수행한다.^[4]

• '''기체 전달물질''': 산화 질소(NO), 일산화 탄소(CO) 등은 세포막을 쉽게 통과하여 주변 세포에 빠르게 영향을 미치는 독특한 신호 전달 분자이다.^[41]

어떤 화학 물질이 신경전달물질로 간주되기 위해서는 일반적으로 다음과 같은 기준을 충족해야 한다.

# 뉴런 내에서 합성되거나 존재해야 한다.

# 뉴런 활성화 시 방출되어 표적 세포에 반응을 유발해야 한다.

# 외부에서 인위적으로 적용했을 때 자연 방출 시와 동일한 반응을 보여야 한다.

# 작용 후 제거되는 메커니즘이 있어야 한다.

그러나 연구 기술의 발달로 신경전달물질의 정의는 좀 더 넓은 의미로 사용되기도 한다. 예를 들어, 시냅스 구조를 변경하거나 역방향 신호를 보내는 물질도 신경전달물질의 범주에 포함될 수 있다.

3. 1. 아미노산

• '''글루탐산:''' 인간 뇌 시냅스의 90% 이상에서 작용하는 가장 흔한 흥분성 신경전달물질이다.^[36] 뇌와 척수의 대부분의 빠른 흥분성 시냅스에서 사용되며, 기억과 학습에 중요한 역할을 하는 수정 가능한 시냅스에서도 주로 사용된다. 글루탐산은 글라이신과 함께 불쾌한 기억과 연관되기도 한다. 후천적으로 지속되는 공포증 유발이나, 사고 현장 또는 전쟁터에서의 극한 스트레스로 인한 외상후스트레스장애(PTSD)에도 글루탐산이 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 그러나 과도한 글루탐산 방출은 뇌를 과도하게 자극하여 흥분독성을 유발하고, 이는 세포 사멸로 이어져 발작이나 뇌졸중을 일으킬 수 있다.^[22] 흥분독성은 허혈성 뇌졸중, 간질, 근위축성 측삭 경화증, 알츠하이머병, 헌팅턴병, 파킨슨병과 같은 특정 만성 질환과 관련이 있다.^[23]

• '''아스파르트산''': 흥분성 신경전달물질로 작용하는 아미노산이다.

• '''D-세린''': 글루탐산 수용체 중 하나인 NMDA 수용체의 활동을 조절하는 데 관여하는 아미노산 신경전달물질이다.

• '''가바(GABA, γ-아미노뷰티르산):''' 글루탐산 다음으로 흔한 신경전달물질로, 글루탐산을 사용하지 않는 시냅스의 90% 이상에서 작용하는 주요 억제성 신경전달물질이다. 뇌의 거의 모든 부분에서 빠른 억제성 시냅스에 사용된다. GABA는 항불안, 항우울, 항경련 작용을 하며, 혈압 강하 및 간 기능 개선 효과도 가진다. 많은 진정제나 안정제는 GABA의 효과를 강화하는 방식으로 작용한다.^[24]

• '''글라이신:''' 주로 척수에서 주요 억제성 신경전달물질로 작용한다.^[25] 글루탐산과 함께 불쾌한 기억과 연관되기도 한다.

3. 2. 모노아민

• '''카테콜아민 계열''': 아미노산인 티로신이나 페닐알라닌으로부터 합성된다.
• 도파민(DA): 뇌의 특정 뉴런에서 생성되며 중추신경계에서 주로 억제적으로 작용한다. 에피네프린(아드레날린)이나 노르에피네프린의 전구체이기도 하다. 도파민은 의욕, 행복감, 기억, 인지, 보상 시스템, 동기 부여, 정서적 각성 등 다양한 뇌 기능과 관련이 깊다.^[27] 도파민 분비가 증가하면 의욕과 흥미를 느끼기 쉬워지며, 목표 달성 시 느끼는 성취감에도 도파민이 작용한다. 또한, 운동 신경 조절에 관여하여 근육의 안정적인 움직임을 돕는다. 도파민 수치가 낮아지면 파킨슨병과 같이 움직임이 둔화되고 불안정해질 수 있으며,^[27] 반대로 과도하면 조현병과 같이 환각, 망상 등 비정상적인 사고가 나타날 수 있다.^[28]
• 노르에피네프린(NE, 노르아드레날린): 부신 수질의 크롬친화세포에서 티로신으로부터 합성된다. 주로 저혈당, 공포, 추위와 같은 스트레스 상황에 대응하여 분비된다. 지방과 글리코겐 분해를 촉진하고, 심박출량과 혈압을 증가시킨다. 말초 신경계에서는 부신에서 스트레스 호르몬인 에피네프린의 방출을 자극하는 역할을 한다.^[31] 투쟁-도피 반응에 관여하며,^[32] 불안 장애^[33] 및 우울증과도 관련이 있다.^[34]
• 에피네프린(아드레날린): 티로신에서 합성되는 신경전달물질이자 호르몬이다. 부신에서 방출되며 투쟁-도피 반응에 중요한 역할을 한다. 심박수와 혈압을 높이고 에너지 동원을 촉진하며, 혈관을 수축시킨다. 또한 혈류로 방출된 포도당 분해를 촉진하여 신진대사에 영향을 주고, 기도를 이완시키는 기관지 확장 효과도 있다.^[31]

• '''인돌아민 계열''': 아미노산인 트립토판으로부터 합성된다.
• 세로토닌(5-HT): 주로 창자(약 90%)에서 생성되고,^[29] 나머지는 중추 신경계의 솔기핵 뉴런에서 만들어진다. 기분, 식욕, 수면, 기억 및 학습, 체온 조절, 통증 인식, 근육 수축, 심혈관계 및 내분비계 기능 조절에 영향을 미친다. 행복감을 느끼게 하고 식욕을 억제하는 역할을 하며, 부족할 경우 우울증이나 불안증을 유발할 수 있다.^[30] 일부 우울증 환자의 뇌척수액과 뇌 조직에서 세로토닌 대사 산물 농도가 낮다는 보고가 있다.^[30] 또한 신경성 식욕부진증이나 이상 식이 행동과 같은 섭식 장애와도 관련이 있다. 혈소판에서 혈청으로 방출되어 혈관을 수축시켜 지혈 작용을 돕기도 한다.

• '''히스타민''': 아미노산인 히스티딘으로부터 합성된다. 알레르기 및 염증 반응의 매개체 역할을 하며, 위산 분비를 자극하고 뇌의 여러 부분에서 신경전달물질로 작용하여 각성 상태 등에 영향을 미친다.^[92]

• '''아세틸콜린'''(ACh): 신경근 접합부에서 근육 수축을 유발하는 주요 신경전달물질이며,^[16] 말초 신경계에서는 자율 신경계를 통해 내부 장기를 흥분시키거나 억제하는 등 다양한 역할을 한다. 예를 들어, 심장 조직에서는 심박수를 낮추는 억제 작용을 하지만, 골격근에서는 흥분성 신경전달물질로 작용한다. 혈관 확장 작용을 통해 심혈관계에 영향을 미치고, 위장관의 연동 운동과 수축을 증가시키며, 방광 용량을 감소시키고 배뇨압을 증가시키는 등 소화기계와 비뇨기계에도 영향을 준다. 뇌의 많은 영역에서도 신경조절 기능을 수행하며, 이때는 니코틴성 수용체와 무스카린성 수용체라는 다른 종류의 수용체를 통해 작용한다.^[26]

3. 3. 펩타이드

• 옥시토신: 사회적 유대감 형성, 출산 및 수유 과정에 관여하는 것으로 알려져 있다.
• 소마토스타틴: 주로 성장 호르몬의 방출을 억제하는 역할을 한다.
• 오피오이드 펩타이드: 통증 완화 및 쾌락과 관련된 신호를 전달한다. 중독성 아편 계열 약물은 오피오이드 펩타이드의 기능적 유사체로 작용하여 효과를 나타내며, 이는 도파민 수치 조절에도 영향을 미친다. 베타-엔도르핀은 중추 신경계의 오피오이드 수용체와 특이적으로 상호작용하는 잘 알려진 오피오이드 펩타이드의 예이다.
• 물질 P: 주로 통증 신호 전달에 관여한다.
• CART: 코카인 및 암페타민 사용과 관련된 유전자 발현 조절 산물로, 신경전달물질 역할을 한다.

3. 4. 기타 신경전달물질

• 아그마틴
• 아난다미드
• 디메틸트립타민
• ADP
• 마그네슘 (단일 이온으로 작용)^[40]
• 타우린^[90][91]

4. 신경전달물질 시스템

신경전달물질의 특정 유형을 발현하는 뉴런은 때때로 별개의 시스템을 형성하며, 시스템의 활성화는 부피 전송이라 불리는 방식으로 뇌의 넓은 영역에 영향을 미친다. 주요 신경전달물질 시스템으로는 노르아드레날린 (노르에피네프린) 시스템, 도파민 시스템, 세로토닌 시스템, 콜린성 시스템 등이 있다. 트레이스 아민은 뇌 전체의 모노아민 경로(예: 도파민, 노르에피네프린 및 세로토닌 경로)에서 트레이스 아민 관련 수용체 1을 통한 신호를 통해 신경전달에 조절 효과를 갖는다.^[45][46]

이러한 시스템에 대한 간략한 비교는 다음과 같다.

5. 신경전달물질과 약물

신경전달물질에 대한 약물의 영향을 이해하는 것은 신경과학 분야 연구의 중요한 부분이다. 이 연구를 통해 신경과학자들은 다양한 신경 질환 및 장애를 유발하는 회로를 더 깊이 이해하고, 이러한 질병을 효과적으로 치료하며 궁극적으로 예방하거나 완치할 방법을 개발하고자 한다.^[63]

약물은 신경전달물질의 활성을 변화시켜 행동에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 약물은 신경전달물질의 합성을 줄이거나, 방출을 조절하거나, 시냅스 소포 내 저장을 방해할 수 있다. 또한, 신경전달물질이 수용체에 결합하는 것을 막거나(수용체 길항제), 반대로 수용체에 결합하여 신경전달물질의 작용을 모방할 수도 있다(작용제). 신경전달물질의 재흡수나 분해를 막아 작용 시간을 늘리거나, 활동 전위 발생 자체를 차단하는 약물도 있다. 조현병 치료제인 할로페리돌은 도파민 수용체 길항제의 예시이며, 통증 완화제인 모르핀은 β-엔도르핀의 효과를 모방하는 작용제이다. 테트로도톡신과 같이 신경 활성을 전반적으로 차단하는 약물은 치명적일 수 있다.

주요 신경전달물질 시스템을 표적으로 하는 약물은 해당 시스템 전체에 영향을 미치므로 작용이 복잡하게 나타날 수 있다. 예를 들어, 코카인은 도파민의 재흡수를 차단하여 시냅스에 도파민이 오래 머물게 함으로써 쾌감을 유발한다. 장기간 사용 시 하향 조절로 인한 중독 및 금단 증상(우울감 등)이 나타날 수 있다. 플루옥세틴과 같은 선택적 세로토닌 재흡수 억제제(SSRI)는 세로토닌의 재흡수를 막아 시냅스 내 세로토닌 농도를 높인다.^[64] AMPT는 도파민 합성을, 레세르핀은 도파민 저장을 방해하며, 데프레닐은 모노아민 산화 효소(MAO)-B를 억제하여 도파민 수치를 높인다.

5. 1. 작용제 (Agonists)

5. 2. 길항제 (Antagonists)

• 직접 작용 길항제: 신경전달물질이 결합하는 수용체 부위를 직접 점유하여 신경전달물질의 결합을 물리적으로 방해한다.^[73] 예를 들어, 아트로핀은 무스카린성 아세틸콜린 수용체에 작용하는 직접 작용 길항제이다.^[73][65] 조현병 치료에 사용되는 할로페리돌, 클로르프로마진, 클로자핀 등은 뇌의 도파민 수용체에 대한 길항제로 작용하여 증상을 완화한다.^[63][65] 쿠라레는 니코틴성 아세틸콜린 수용체 길항제로 근육 수축을 막는다.^[65]
• 간접 작용 길항제: 신경전달물질의 방출이나 합성을 억제하여 간접적으로 신경전달물질의 작용을 감소시킨다.^[73] 예를 들어, 레세르핀은 시냅스 소포 내 도파민 및 기타 모노아민의 저장을 방해하여 신경전달물질의 양을 줄인다.^[63][65][73]

• 경쟁적 길항제: 수용체 결합 부위를 두고 작용제와 경쟁한다. 길항제의 농도가 증가하면 작용제의 결합이 점진적으로 억제되어 생리적 반응이 감소한다. 하지만 작용제의 농도를 충분히 높이면 길항제의 억제 효과를 극복하고 원래의 반응을 유도할 수 있다. 경쟁적 길항제는 작용제에 대한 용량-반응 관계 곡선을 오른쪽으로 이동시키는 특징을 보인다.^[73]
• 비가역적 길항제: 수용체에 매우 강하게 결합하여(때로는 공유 결합을 형성) 작용제가 결합하는 것을 영구적으로 또는 매우 오랫동안 차단한다. 비가역적 길항제의 농도가 충분히 높으면, 이용 가능한 수용체의 수가 줄어들어 작용제의 농도를 아무리 높여도 최대 반응을 이끌어내지 못할 수 있다.^[73]

5. 3. 전구체 (Precursors)

• L-DOPA: 도파민의 전구체로, 혈액-뇌 장벽을 통과할 수 있어 파킨슨병 치료에 사용된다.
• L-페닐알라닌과 L-티로신: 도파민, 노르에피네프린, 에피네프린의 전구체이다. 이들 신경전달물질로 전환되기 위해서는 비타민 B6, 비타민 C, S-아데노실메티오닌이 필요하다. 일부 연구에서는 L-페닐알라닌과 L-티로신이 항우울 효과를 가질 가능성을 제시했지만, 추가 연구가 필요하다.^[75] 노르에피네프린 활성 저하와 관련된 우울증 환자에게 신경전달물질 전구체를 투여했을 때의 이점에 대한 증거는 아직 부족하다.
• L-트립토판과 5-하이드록시트립토판 (5-HTP): 세로토닌의 전구체이다. L-트립토판을 투여하면 뇌의 세로토닌 생성이 두 배로 증가하며, 경증 및 중등도 우울증 치료에서 위약보다 효과적이라는 연구 결과가 있다.^[75] 5-HTP 역시 위약보다 효과적인 것으로 나타났다.^[75] L-트립토판이 세로토닌으로 전환되는 과정에는 비타민 C가 필요하다.^[30]

6. 신경전달물질과 질병

신경전달물질 시스템의 문제는 다양한 질병 및 장애와 관련될 수 있다. 특정 신경전달물질의 증가, 감소, 또는 불균형은 여러 질환의 원인이 되거나 증상에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 도파민 시스템의 문제는 파킨슨병, 조현병, 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD), 중독 등과 관련될 수 있다. 세로토닌 불균형은 우울증과의 연관성이 제기되었으나 논란이 있으며,^[77] 글루타메이트 생성 또는 사용의 문제는 자폐증, 강박 장애(OCD), 조현병, 우울증을 비롯한 여러 정신 질환 및 파킨슨병, 다발성 경화증, 알츠하이머병, 뇌졸중, ALS 같은 신경 질환과 관련될 수 있다는 주장이 있다.^[78][79]

일반적으로 신경전달물질의 적절한 수준이나 '균형'에 대해 과학적으로 확립된 기준은 없다. 대부분의 경우 특정 시점의 뇌나 신체 내 신경전달물질 수준을 정확히 측정하는 것은 거의 불가능하다. 신경전달물질들은 서로의 분비를 조절하며, 이러한 상호 조절 과정에서의 미미하고 지속적인 불균형은 건강한 사람의 기질과도 연관될 수 있다.^{[80][81][82][83][84]}

하지만 신경전달물질 시스템의 심각한 불균형이나 교란은 파킨슨병, 우울증, 불면증, 주의력 결핍 과잉 행동 장애(ADHD), 불안, 기억 상실, 급격한 체중 변화, 중독 등 다양한 질병 및 정신 질환과 관련이 있다. 이러한 상태 중 일부는 뉴런이 방출하는 신경전달물질의 종류를 바꾸는 현상인 '신경전달물질 전환'과도 관련이 있을 수 있다.^[85][86][87] 만성적인 신체적 또는 정서적 스트레스는 신경전달물질 시스템의 변화를 유발할 수 있으며, 유전적 요인 또한 신경전달물질 활동에 중요한 역할을 한다.

정신과적 및 심리적 문제 치료를 위해 하나 이상의 신경전달물질 또는 수용체와 상호 작용하는 약물이 처방되기도 한다. 특히 세로토닌과 노르에피네프린에 작용하는 약물은 우울증이나 불안 증상을 가진 환자에게 처방되지만, 이러한 치료법의 의학적 근거가 명확하다는 점에 대해서는 비판적인 시각도 존재한다.^[88] 도파민 불균형이 다발성 경화증 및 다른 신경학적 질환에 영향을 미친다는 연구 결과도 있다.^[89]

6. 1. 도파민 관련 질환

6. 2. 세로토닌 관련 질환

6. 3. 글루타메이트 관련 질환

7. 신경전달물질 불균형

일반적으로 다양한 신경전달물질의 적절한 수준이나 "균형"에 대해 과학적으로 확립된 기준은 없다. 특정 시점에서 뇌나 신체의 신경전달물질 수준을 정확히 측정하는 것도 대부분 불가능하다. 신경전달물질들은 서로의 방출을 조절하며, 이러한 상호 조절 과정에서 발생하는 약하고 지속적인 불균형은 건강한 사람의 기질과 관련이 있을 수 있다.^{[80][81][82][83][84]}

하지만 신경전달물질 시스템에 심각한 불균형이나 교란이 생기면 다양한 질병 및 정신 질환과 연관될 수 있다. 예를 들어 파킨슨병, 우울증, 불면증, ADHD, 불안, 기억 상실, 급격한 체중 변화, 중독 등이 여기에 해당한다. 이러한 상태 중 일부는 뉴런이 방출하는 신경전달물질의 종류를 바꾸는 현상인 신경전달물질 전환과도 관련이 있다.^[85][86][87] 만성적인 신체적 또는 정서적 스트레스는 신경전달물질 시스템 변화의 원인이 될 수 있으며, 유전적 요인 또한 신경전달물질 활동에 중요한 역할을 한다.

오락적 목적 외에도, 하나 이상의 신경전달물질이나 그 수용체에 직간접적으로 작용하는 약물들이 정신과적 및 심리적 문제 치료를 위해 흔히 처방된다. 특히 세로토닌과 노르에피네프린에 작용하는 약물은 우울증이나 불안과 같은 문제를 가진 환자에게 처방되지만, 이러한 치료법의 효과에 대한 확실한 의학적 증거가 충분하다는 주장에는 비판적인 시각도 존재한다.^[88] 또한, 도파민 불균형이 다발성 경화증 및 다른 신경학적 질환에 영향을 미친다는 연구 결과도 있다.^[89]

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