카테콜아민은 도파민·노르아드레날린·아드레날린을 포함하는 물질군입니다. 세 물질이 티로신에서 만들어지는 과정, 신경전달물질과 호르몬으로 작용하는 차이, 수용체에 따른 반응과 스트레스·집중력의 관계를 설명합니다.
발표를 앞두고 심장이 빨라지고 주변 소리에 예민해질 때, 몸에서는 어떤 변화가 일어날까요? 이 반응에 관여하는 물질 가운데 하나가 아드레날린입니다. 아드레날린은 노르아드레날린, 도파민과 함께 카테콜아민이라는 같은 물질군에 속합니다. 익숙한 세 이름을 연결하는 기준은 분자의 구조와 합성 경로입니다.
카테콜아민은 세 물질을 묶는 이름이다
카테콜아민(catecholamines)은 카테콜 구조와 아민기를 가진 화학물질의 한 부류입니다. 카테콜 구조는 벤젠 고리에 수산기 두 개가 이웃하여 붙은 형태이며, 아민기는 질소를 포함하는 부분입니다.
인체의 생리 작용을 설명할 때 주로 다루는 카테콜아민은 다음 세 가지입니다. 노르아드레날린과 노르에피네프린은 같은 물질의 다른 이름이며, 아드레날린과 에피네프린도 서로 같은 물질입니다.
| 물질 | 주요 생성 장소 | 대표적인 역할 |
| 도파민(Dopamine) | 뇌의 흑질·복측피개영역 등 | 운동 조절, 동기, 보상 학습 |
| 노르아드레날린(Noradrenaline, Norepinephrine) | 뇌의 청반 등, 말초 교감신경 말단, 부신수질 | 각성과 주의 조절, 혈관 긴장도 조절 |
| 아드레날린(Adrenaline, Epinephrine) | 주로 부신수질 | 심장 활동과 에너지 동원을 포함한 전신 반응 |
표의 생성 장소는 대표적인 곳입니다. 도파민은 신장 같은 말초 조직에서도 만들어지며, 아드레날린을 만드는 신경세포도 뇌의 일부에 존재합니다.
티로신에서 시작해 차례로 만들어진다
세 물질은 아미노산인 티로신에서 출발하는 합성 경로를 공유합니다.
티로신 → L-DOPA → 도파민 → 노르아드레날린 → 아드레날린
각 화살표에서는 서로 다른 효소가 작용합니다. 효소는 특정 화학반응이 일어나도록 돕는 단백질입니다.
- 티로신 → L-DOPA: 티로신 수산화효소(TH)가 작용합니다.
- L-DOPA → 도파민: 방향족 L-아미노산 탈탄산효소(AADC)가 작용합니다.
- 도파민 → 노르아드레날린: 도파민 베타 수산화효소(DBH)가 작용합니다.
- 노르아드레날린 → 아드레날린: 페닐에탄올아민 N-메틸전이효소(PNMT)가 작용합니다.
첫 단계의 티로신 수산화효소는 카테콜아민 합성 속도를 조절하는 핵심 효소입니다. 이런 단계를 속도 제한 단계라고 부릅니다. 원료가 얼마나 있는지에 더해 효소의 활성과 세포의 조절 상태가 실제 생산량에 영향을 줍니다.
합성 경로가 이어져 있어도 모든 세포가 마지막 단계까지 진행하지는 않습니다. 도파민 신경세포는 도파민을 만들어 사용하며, DBH를 가진 세포는 도파민을 노르아드레날린으로 바꿀 수 있습니다. 여기에 PNMT까지 갖춘 세포에서는 아드레날린이 만들어집니다. 어떤 효소를 갖추고 있느냐가 그 세포의 최종 산물을 결정합니다.
신경전달물질과 호르몬으로 작용하는 차이
카테콜아민을 설명하는 자료에는 ‘신경전달물질’과 ‘호르몬’이라는 표현이 함께 등장합니다. 이 구분은 신호가 전달되는 방식과 관련됩니다.
신경세포가 물질을 분비해 주변의 신경세포나 표적 세포에 신호를 전달하면 신경전달물질로 작용합니다. 뇌의 도파민과 노르아드레날린, 심장과 혈관 등에 분포한 교감신경 말단의 노르아드레날린이 대표적입니다.
반면 부신수질에서 혈액으로 분비된 아드레날린은 혈류를 통해 여러 기관에 도달하는 호르몬으로 작용합니다. 부신수질은 양쪽 신장 위에 있는 부신의 안쪽 부분입니다. 여기서는 아드레날린과 노르아드레날린을 모두 분비합니다.
따라서 같은 노르아드레날린도 신경 말단에서 국소적인 신호를 전달할 수 있고, 혈액을 통해 호르몬으로 작용할 수도 있습니다. 물질 이름만으로 전달 방식을 하나로 정할 수 없는 이유입니다.
뇌와 혈액 속 카테콜아민도 구분해야 합니다. 이 물질들은 혈액과 뇌 사이의 물질 이동을 제한하는 혈액뇌장벽을 쉽게 통과하지 못합니다. 혈중 아드레날린이 증가했다고 해서 그 물질이 그대로 뇌 안으로 들어가 도파민처럼 작용하는 것은 아닙니다. 다만 몸의 변화는 감각신경 등을 통해 뇌에 전달되므로, 말초에서 일어나는 반응과 뇌의 경험은 서로 영향을 줄 수 있습니다.
같은 물질도 수용체에 따라 다른 반응을 만든다
카테콜아민은 세포의 수용체, 즉 특정 신호물질을 인식하는 단백질에 결합해 작용합니다. 수용체가 활성화되면 세포 안의 신호 전달 과정이 바뀌고, 그 결과 신경세포의 반응이나 근육의 수축 등이 달라집니다.
도파민은 주로 도파민 수용체에 작용하며, 노르아드레날린과 아드레날린은 주로 알파(α)·베타(β) 아드레날린 수용체에 작용합니다. 아드레날린 수용체의 대표적인 작용은 다음과 같습니다.
| 수용체 | 대표적인 작용 부위 | 활성화되었을 때 나타나는 반응 |
| α1 | 여러 혈관의 평활근 | 혈관 수축 |
| α2 | 노르아드레날린을 분비하는 신경 말단 등 | 해당 신경 말단에서 추가 분비 억제 |
| β1 | 심장 | 심박수와 수축력 증가 |
| β2 | 기관지, 일부 혈관의 평활근 | 기관지 확장, 해당 혈관의 이완 |
표는 말초 기관에서의 대표적인 작용을 정리한 것입니다. 수용체는 다른 조직에도 분포하며, 예를 들어 뇌의 α2 수용체는 인지 기능 조절에도 관여합니다.
아드레날린은 β2 수용체에 뚜렷하게 작용하지만, 노르아드레날린의 β2 작용은 상대적으로 약합니다. 이 차이 때문에 두 물질이 혈관과 기관지에 미치는 영향이 같지 않습니다. 실제 반응은 분비량이나 약물의 투여량, 조직에 분포한 수용체, 혈압 변화에 대한 반사 조절이 함께 결정합니다.
스트레스를 받을 때 몸과 뇌에서 하는 일
몸에서는 빠르게 대응할 에너지를 동원한다
뇌가 위협이나 부담을 감지하면 교감신경과 부신수질을 포함한 반응 체계가 활성화됩니다. 교감신경 말단에서는 주로 노르아드레날린이, 부신수질에서는 주로 아드레날린이 분비되어 몸의 여러 기관에 작용합니다.
심장은 혈액을 더 많이 내보낼 준비를 하고, 기관지는 넓어지며, 저장된 에너지를 사용할 수 있도록 대사가 조절됩니다. 혈류 분포도 기관별 수용체와 신경 조절에 따라 달라집니다. 이런 변화는 위험에 대응하거나 신체 활동을 수행하는 데 필요한 산소와 연료를 공급하는 데 기여합니다. 카테콜아민은 스트레스 상황뿐 아니라 운동과 일상적인 생리 조절에도 관여합니다.
스트레스와 함께 자주 언급되는 코르티솔은 카테콜아민에 포함되지 않습니다. 코르티솔은 콜레스테롤에서 만들어지는 스테로이드 호르몬이며, 부신의 바깥 부분인 부신피질에서 생성됩니다. 부신수질의 아드레날린과는 화학적 계열도, 주요 분비 조절 경로도 다릅니다.
뇌에서는 주의와 판단에 영향을 준다
뇌의 노르아드레날린은 깨어 있는 정도와 주의 조절에 관여합니다. 도파민은 어떤 행동에 노력을 기울일지, 행동의 결과를 어떻게 학습할지, 움직임을 어떻게 조절할지 등에 관여합니다. 이들의 기능은 연결된 뇌 회로와 신호가 변하는 시간 규모에 따라 달라집니다.
특히 계획과 작업기억을 담당하는 전전두피질에서는 도파민과 노르아드레날린의 작용이 적절한 범위에 있을 때 정보 유지와 주의 조절에 도움이 됩니다. 작업기억은 계산하는 동안 중간 결과를 머릿속에 유지하는 것처럼, 필요한 정보를 잠시 붙잡고 사용하는 능력입니다.
스트레스가 강해져 카테콜아민 신호가 지나치게 높아지면 일부 전전두피질 회로의 연결과 정보 유지가 약해질 수 있습니다. 긴장한 발표 자리에서 준비한 말이 잘 떠오르지 않는 현상을 설명하는 기전 중 하나입니다.
2015년 《Nature Neuroscience》에 실린 에이미 아른스텐의 종설은 설치류·원숭이 연구와 사람의 인지 연구를 종합해 이러한 관계를 설명했습니다. 카테콜아민 자극이 너무 적거나 많을 때 전전두피질 기능이 떨어지는 양상을 흔히 ‘역 U자형 관계’라고 표현합니다. 세부적인 수용체·세포 기전의 상당 부분은 동물 연구에서 규명되었으며, 이 관계가 모든 뇌 영역과 과제에 똑같이 적용되는 것은 아닙니다.
분비된 신호는 어떻게 끝나는가
신경세포에서는 합성된 카테콜아민을 소포라는 작은 주머니에 저장했다가 신경 자극이 들어오면 분비합니다. 분비된 물질은 수용체에 작용한 뒤 재흡수되거나 주변으로 확산되고, 세포 안팎의 대사 과정을 거치며 제거됩니다.
도파민과 노르아드레날린의 신경 전달에서는 재흡수가 신호를 끝내는 중요한 과정입니다. 도파민 운반체(DAT), 노르아드레날린 운반체(NET) 같은 단백질이 분비된 물질을 세포 안으로 회수합니다. 회수된 물질의 일부는 소포에 다시 저장되고, 일부는 분해됩니다.
분해에는 모노아민 산화효소(MAO)와 카테콜-O-메틸전이효소(COMT) 등이 관여합니다. 이런 회수·분해 과정이 있어야 신호가 필요한 때 작용하고, 다음 자극에 대한 반응도 조절될 수 있습니다. 따라서 카테콜아민의 실제 효과는 얼마나 만들어졌는지뿐 아니라 어디에서 얼마나 분비되고, 어떤 수용체에 작용하며, 얼마나 빨리 제거되는지에 달려 있습니다.