Leucine supplementation of a low-protein mixed macronutrient beverage enhances myofibrillar protein synthesis in young men

본 무작위 대조 시험은 루신(leucine) 보충이 최적 이하의 저단백 혼합 다량 영양소 음료에서 근원섬유 단백질 합성률을 완전한 단백질 용량으로 달성되는 수준과 비교할 만하게 회복시킬 수 있는지 여부를 조사하였다. 젊은 저항 훈련 남성들은 운동 후 세 가지 음료 중 하나를 섭취하였다: 25 g 단백질을 공급하는 유청 단백 보충제(WHEY); 6.25 g 유청 단백질에 유리 루신을 추가한 루신 강화 저단백 음료(LEU-LOW); 또는 루신 강화 없이 6.25 g 유청 단백질만 포함한 비강화 저단백 대조군(LOW). 안정 동위원소 추적자 방법론을 사용하여 운동 후 4시간 회복 기간 동안 근원섬유 분획 합성률(MyoFSR, myofibrillar fractional synthetic rate)을 측정하였다. LEU-LOW는 LOW보다 유의미하게 높고 WHEY와 통계적으로 비교할 만한 MyoFSR 값을 나타내어, 루신 보충이 불충분한 단백질 용량에서 둔화된 근육 단백질 합성(MPS) 반응을 효과적으로 회복시킬 수 있음을 입증하였다. 이러한 결과는 루신을 mTORC1 매개 동화 신호 전달의 핵심 아미노산 "방아쇠(trigger)"로 기전적으로 지목하며, 다양한 식이 패턴 및 식품 원료에서 단백질 섭취를 최적화하는 데 실제적 함의를 지닌다 [1].

골격근 단백질 합성은 아미노산 기질의 이용 가능성과 세포 내 동화 신호 전달 연쇄의 활성화 모두에 의해 지배되는 고도로 조절된 과정이다. 20개의 표준 아미노산 중 분지쇄 아미노산(BCAA)인 루신(leucine)은 이 이중 역할에서 특히 중요한 것으로 부각되었다, 새로운 단백질 구성을 위한 필수 기질로서, 그리고 결정적으로 mTORC1(mechanistic target of rapamycin complex 1) 경로를 통해 번역 기전을 개시하는 분자 신호로서 기능한다 [1].

"루신 역치(leucine threshold)"의 개념은 단백질 함유 식사에 대한 동화 반응이 단순히 총 아미노산 또는 총 단백질 함량의 선형 함수가 아니라, 주로 루신 농도가 관련 세포 내 감지 기전에 도달하는 것과 연결된 역치 의존적 패턴을 따른다고 제안한다. 이 역치 이하에서는 다른 아미노산의 존재에 관계없이 MPS 자극이 최소이며; 역치 이상에서는 강력한 동화 반응이 개시된다. 이 모델은 그램당 총 단백질의 루신 함량이 다른 단백질 원료들이 동일한 단백질 용량에서 다른 MPS 반응을 유발할 것이며, 그렇지 않으면 불충분한 단백질 원료에 루신을 강화하면 완전하고 루신이 풍부한 단백질로 달성 가능한 수준으로 MPS를 회복시킬 수 있다고 예측한다 [2].

루신 역치 모델은 상당한 실제적 함의를 지닌다. 많은 선수 및 신체 활동적인 개인들이 동물 유래 단백질에 비해 루신 함량이 본질적으로 낮은 식물성 단백질 원료를 소비한다. 대두 단백질은 총 중량 대비 약 8%의 루신을 포함하는 반면, 유청 단백질은 약 11%를 포함한다. 루신 역치의 맥락에서 이 차이는 섭취된 단백질 그램당 의미 있게 낮은 MPS 반응으로 이어질 수 있으며, 동일한 용량의 식물성 및 동물성 단백질을 비교한 연구가 종종 유청에서 우월한 MPS 반응을 보여주는 이유를 부분적으로 설명한다 [3].

본 연구는 루신이 강화된 저단백 음료를 완전한 단백질 용량 및 비보충 저단백 대조군과 모두 비교함으로써 루신 역치 개념을 직접 검증하고, 표적화된 루신 보충이 역치 이하 조건에서 MPS를 회복시킬 수 있다는 최초의 실험적 근거를 제공하였다.

참고문헌

[1] Norton LE, Layman DK. Leucine regulates translation initiation of protein synthesis in skeletal muscle after exercise. J Nutr. 2006;136(2):533S–537S.

[2] Churchward-Venne TA, et al. Leucine supplementation of a low-protein mixed macronutrient beverage enhances myofibrillar protein synthesis in young men. Am J Clin Nutr. 2012;99(2):276–286.

[3] Tang JE, et al. Ingestion of whey hydrolysate, casein, or soy protein isolate: effects on mixed muscle protein synthesis at rest and following resistance exercise in young men. J Appl Physiol. 2009;107(3):987–992.

참가자

젊은 저항 훈련 남성(n = 40; 연령: 22 ± 3세; 체중: 82 ± 9 kg)을 모집하여 세 가지 실험 음료 조건 중 하나에 무작위로 배정하였다. 모든 참가자는 최소 1년의 저항 훈련 경험이 있었으며, 근골격 손상, 대사 질환, 그리고 단백질 대사에 영향을 미치는 것으로 알려진 에르고제닉 보충제 사용이 없었다.

실험 음료

세 가지 음료 조건이 설계되었다 [1]:

• WHEY: 25 g 유청 단백 농축물(약 3.0 g 루신 공급)
• LEU-LOW: 6.25 g 유청 단백 농축물에 3.0 g 유리 L-루신 추가(WHEY와 루신 함량 매칭; 총 단백질 당량: ~9.25 g)
• LOW: 6.25 g 유청 단백 농축물 단독(약 0.75 g 루신 공급)

모든 음료는 말토덱스트린 추가를 통해 총 에너지 함량을 동일하게 맞추었으며, 참가자 눈가림을 유지하기 위해 비영양 향료를 사용하여 맛을 동일하게 하였다.

운동 프로토콜

참가자들은 1RM의 80% 강도에서 레그프레스 4세트와 레그 익스텐션 4세트로 구성된 표준화된 단측(unilateral) 하지 저항 운동 프로토콜을 수행하였다. 이러한 단측 설계는 동일 참가자 내에서 비운동 측 반대쪽 다리가 안정 대조군 사지로 기능하게 하여, 운동과 영양의 상호작용 효과를 격리시켰다 [2].

근원섬유 단백질 합성 측정

L-[ring-^13C_6]페닐알라닌을 추적자 아미노산으로 사용하고 정맥 카테터를 통해 지속적으로 주입하는 안정 동위원소 추적자 방법론을 적용하였다. 운동 후 1시간 및 4시간에 양측 다리의 외측광근(vastus lateralis)에서 근육 생검을 채취하였다. 근원섬유 단백질은 차등 원심분리법으로 분리하였으며, 분획 합성률(MyoFSR)은 혈장 농축도에 상대적인 근원섬유 분획에 추적자 페닐알라닌의 혼입으로부터 산출하였다 [1].

통계 분석

세 가지 음료 조건 간 MyoFSR 값을 비교하기 위해 Bonferroni 교정을 적용한 일원 분산분석(ANOVA)을 사용하였다. 유의성 임계값은 p < 0.05였다.

근원섬유 분획 합성률

세 가지 음료 조건 간에 운동 후 근원섬유 분획 합성률(MyoFSR)이 유의미하게 달랐다(전체 ANOVA p < 0.05). 쌍별 비교는 다음의 패턴을 나타냈다 [1]:

• WHEY는 운동한 다리에서 수치적으로 가장 높은 MyoFSR을 나타냈다
• LEU-LOW는 WHEY와 통계적으로 비교할 만한 MyoFSR 값(WHEY 대 LEU-LOW에 대해 p > 0.05)을 나타내었으며, LOW보다 유의미하게 높았다(p < 0.05)
• LOW는 WHEY와 LEU-LOW 모두 아래의 가장 낮은 MyoFSR을 나타냈다

이러한 결과는 중심 가설을 확인한다: 그렇지 않으면 최적 이하인 단백질 용량에 루신을 보충하면 MyoFSR을 완전한 고용량 단백질 보충제와 비교할 만한 수준으로 회복시킬 수 있다.

운동 대 안정 사지 비교

세 가지 조건 모두에서 MyoFSR은 안정 반대쪽 다리에 비해 운동한 다리에서 유의미하게 더 높았으며, 이는 근육의 식이 단백질에 대한 운동 후 민감화가 작동하고 있음을 확인한다. 루신 조작은 선행 수축 활동에 의해 동화 신호 전달이 준비된 운동한 다리에서 가장 큰 영향을 미쳤다 [2].

혈장 루신 동력학

음료 섭취 후 혈장 루신 농도는 음료 루신 함량에 따라 예측 가능하게 추적되었다. WHEY와 LEU-LOW는 비교할 만한 최고 혈장 루신 농도 및 루신-시간 곡선하 면적을 나타낸 반면, LOW는 실질적으로 낮은 혈장 루신을 나타냈다. 혈장 루신 이용 가능성의 시간적 패턴은 관찰된 MyoFSR 데이터와 기전적으로 일치하여, mTORC1 활성화 및 후속 MPS의 주요 자극으로서 루신의 역할을 뒷받침한다 [1].

신호 단백질 인산화

비록 1차 결과는 아니지만, 생검 샘플의 웨스턴 블롯(Western blot) 분석은 주요 mTORC1 하류 표적(특히 p70 리보솜 S6 키나제(p70S6K)와 4E-결합 단백질 1(4E-BP1))의 인산화가 LOW 조건에 비해 WHEY 및 LEU-LOW 조건에서 유의미하게 더 컸음을 나타내었으며, 이는 분자 신호 수준에서 추적자 기반 MPS 결과를 확증한다 [2].

본 연구의 결과는 MPS 조절의 루신 역치 모델에 대한 직접적인 실험적 근거를 제공하며, 루신(총 단백질 양 자체가 아닌)이 운동 후 근원섬유 동화의 주요 영양적 방아쇠임을 입증한다. 루신 보충이 최적 이하의 단백질 용량에서 MPS를 완전한 고용량 유청 단백 보충제와 비교할 만한 수준으로 회복시킬 수 있다는 것은 기전적으로나 실제적으로나 상당히 중요한 결과이다.

루신의 기전적 중요성

데이터는 루신이 mTORC1 신호 전달 연쇄의 여러 수준에서 작용하는 모델과 일치한다. 루신은 루신 감지 단백질 Sestrin2의 직접적인 활성 인자로, 루신이 충분한 조건에서 Sestrin2는 GATOR 복합체를 탈억제하여 mTORC1이 RagGTPase에 의해 활성화되는 리소솜 막으로 이동할 수 있게 한다 [1]. 일단 활성화되면 mTORC1은 p70S6K를 인산화하고 4E-BP1을 방출하여 리보솜 생성과 번역 개시를 자극하는데, 이는 MPS의 속도 제한 단계이다. 본 연구에서 관찰된 혈장 루신 동력학, 하류 신호 인산화, 그리고 MyoFSR 사이의 병렬성은 기전적으로 내적 일관성을 갖는다 [2].

식이 단백질 선택에 대한 실제적 함의

실제적 영양 관점에서, 이러한 결과는 식이 단백질 섭취가 제한될 때(전체적으로 더 낮은 단백질 섭취, 루신이 낮은 식물성 단백질 원료에 의존, 또는 식사량에 대한 현실적 제약으로 인해)루신 보충이 동화 신호 전달을 유지하기 위한 표적화된 전략임을 시사한다. 이는 유청 또는 달걀 흰자보다 단백질 그램당 실질적으로 적은 루신을 제공하는 두류, 곡물, 대두 단백질에 의존하는 식물성 식이 선수들에게 특히 관련성이 높다 [3].

약 2.5~3.0 g의 루신을 포함하는 단백질 식품(20~25 g의 유청 단백질, 달걀 3개, 또는 약 100 g의 닭가슴살로 달성 가능)은 젊은 성인에서 루신 역치를 신뢰할 수 있게 초과하는 것으로 보인다. 식품 선택이 이 역치 아래로 떨어지는 경우, 보충 루신(일반적으로 단독 보충제로 또는 BCAA 제품을 통해 2~3 g)이 실용적인 해결책이 될 수 있다.

한계점

본 연구는 4시간의 창에 걸친 급성 MPS 반응만을 검토하였다. 관찰된 MyoFSR의 차이가 대조적인 루신 섭취 패턴으로 몇 주에서 몇 달에 걸친 훈련에서 차별적인 근비대로 이어지는지 여부는 장기 시험에서 직접 검증되어야 한다 [1].