아세테이트가 뇌 에너지원으로 쓰이는 기전

1. 서론 — 뇌의 에너지원은 포도당만이 아니다

인간의 뇌는 전체 에너지 소비의 상당 부분을 차지하는 고에너지 기관이다. 전통적으로 뇌의 1차 에너지원은 포도당이지만, 최근 연구는 뇌가 포도당 외에도 다양한 대체 연료(케톤체, 짧은사슬지방산 등)를 활용할 수 있음을 보여준다. 그중 하나가 바로 아세테이트(acetate)다. 아세테이트는 식이섬유 분해나 간의 대사과정, 알코올 대사 등에서 생성되는 짧은 사슬 지방산(SCFA)으로, 장-뇌 축을 통해 뇌로 전달되어 에너지원 및 신경대사 조절자로 작용한다.

2. 아세테이트의 생성과 뇌로의 이동

아세테이트는 주로 두 경로로 공급된다. 첫째, 장내 미생물이 식이섬유를 발효하여 생산하는 SCFA가 있으며, 그중 아세테이트가 가장 풍부하다. 둘째, 알코올 대사 또는 지방산 β-산화 과정에서도 아세테이트가 생성된다. 생성된 아세테이트는 혈류를 타고 전신으로 이동하며, 뇌로 가는 과정에서 혈액-뇌 장벽(BBB)을 통과하게 된다.

아세테이트는 포도당과 달리 특정 수송체에 의해 이동한다. 대표적인 수송체는 단일탄산수송체(MCT, monocarboxylate transporter) 계열이며, MCT1, MCT2, MCT4 등이 아세테이트의 BBB 투과와 세포 내 흡수에 관여한다. 특히 아스트로사이트에서 이들 수송체의 발현이 활발하여 아세테이트 흡수가 우세하다.

3. 아스트로사이트에서의 아세테이트 대사

아세테이트가 뇌로 들어오면 우선 아스트로사이트에서 활발히 대사된다. 아스트로사이트는 뉴런의 대사적 보조역할을 수행하는 글리아 세포로, 에너지 생산과 대사중개자로 기능한다. 세포 내로 들어온 아세테이트는 아세틸-CoA 합성효소(ACS)에 의해 아세틸-CoA로 전환된다.

생성된 아세틸-CoA는 미토콘드리아 내에서 시트르산 회로(TCA 회로)에 투입되어 NADH와 FADH₂를 생산하고, 전자전달계를 통해 ATP를 생성한다. 또한 아스트로사이트는 아세테이트를 이용해 글루타민, 락테이트 등의 중간대사체를 합성하여 이를 뉴런으로 전달하고, 뉴런은 전달받은 물질을 산화시켜 에너지를 얻는다. 이 흐름은 흔히 astrocyte-neuron lactate shuttle (ANLS) 모델로 설명된다.

4. 뉴런에서의 활용 및 미토콘드리아 대사

일부 뉴런은 MCT를 통해 직접 아세테이트를 흡수하여 아세틸-CoA로 전환하고 TCA 회로에 투입한다. 그러나 대부분의 경우 뉴런은 아스트로사이트가 공급한 락테이트나 글루타민을 주요 에너지원으로 사용한다. 아세틸-CoA는 TCA 회로를 통해 ATP를 생성할 뿐 아니라, 아세틸콜린과 같은 신경전달물질의 합성에도 기여한다. 따라서 아세테이트 대사는 에너지 생성과 신경전달물질 합성이라는 두 축에서 중요한 역할을 한다.

5. 케톤체 대사와의 연관성

아세테이트 대사는 케톤체 대사와 상호 보완적이다. 단식 혹은 케톤식이 상태에서 간은 아세토아세트산과 β-하이드록시부티레이트를 생성하고, 이들 케톤체는 뇌로 이동해 아세틸-CoA로 전환되어 TCA 회로에 기여한다. 따라서 아세테이트는 포도당이 부족한 상황에서 뇌의 에너지 균형을 유지하는 데 도움을 준다.

6. 장-뇌 축에서의 대사 신호 조절자 역할

아세테이트는 에너지 연료로서의 역할 외에도 신경대사 조절자로 작용한다. 장내 미생물이 생성한 아세테이트는 미주신경이나 호르몬 신호를 통해 시상하부 등 중추 에너지 조절 회로에 영향을 줄 수 있다. 연구에 따르면 아세테이트는 특정 시상하부 뉴런의 GABA/글루탐산 대사에 영향을 미쳐 식욕 및 대사 항상성에 관여할 가능성이 제시되었다.

7. 임상적·연구적 시사점

아세테이트 대사의 이해는 신경퇴행성 질환, 대사성 뇌질환, 인지장애 연구에 중요한 단서를 제공한다. 예를 들어 케톤식이나 장내미생물 조절을 통한 아세테이트 공급 증가는 포도당 대사가 저하된 상태(알츠하이머병 등)에서 대안적 에너지 공급원으로 고려될 수 있다. 또한 아세테이트 경로를 겨냥한 치료법은 향후 연구가 필요한 분야다.