Dietary protein distribution positively influences 24-h muscle protein synthesis in healthy adults
식이 단백질 분배가 건강한 성인의 24시간 근단백질 합성에 긍정적 영향
Madonna M. Mamerow, Joni A. Mettler, Kirk L. English, Shanon L. Casperson, Emily Arentson-Lantz, Melinda Sheffield-Moore, Donald K. Layman and Douglas Paddon-Jones · 2014
Abstract 초록
본 무작위 교차 임상시험은 식이 단백질을 식사 전반에 걸쳐 어떻게 분배하느냐에 따라 건강한 젊은 성인의 24시간 근육 단백질 합성(muscle protein synthesis, MPS)이 달라지는지를 규명하였다. 참가자들은 동일한 하루 총 단백질 섭취량(90 g)을 두 가지 분배 패턴 중 하나로 섭취하였다: 세 끼 식사(아침, 점심, 저녁)에 각각 약 30 g씩 균등하게 분배하는 방식과, 서구식 식습관을 반영하여 저녁 식사에 단백질을 집중시키는 불균등 분배 방식(아침 10 g / 점심 15 g / 저녁 65 g). 안정 동위원소 추적자(stable isotope tracer) 방법론을 이용하여 혼합 근육 단백질의 24시간 통합 분획 합성률(fractional synthetic rate, FSR)을 측정하였다. 균등 분배 조건은 동일한 총 단백질 섭취량에도 불구하고 불균등 분배 패턴에 비해 24시간 MPS가 25% 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 단백질이 하루 동안 어떻게 분배되는지가 총 단백질 섭취량과 독립적으로 전일 동화 효율(anabolic efficiency)을 결정하는 임상적으로 중요한 변수이며, 하루 단백질 대부분을 저녁에 섭취하는 일반적인 서구식 식습관은 근육 단백질 동화(muscle protein anabolism)를 지원하는 데 영양학적으로 비효율적임을 시사한다 [1].
Introduction 서론
식이 단백질과 골격근 단백질 전환(skeletal muscle protein turnover) 사이의 관계는 광범위하게 연구되어 왔으나, 대부분의 연구는 운동 직후의 급성 섭식 시간대와 식사당 단백질 섭취량과 근육 단백질 합성률 사이의 용량-반응 관계에 초점을 맞추어 왔다. 상대적으로 덜 탐구된 영역은 하루 식사 기회 전반에 걸친 단백질 섭취 분배 방식이며, 이 변수는 하루 총 단백질 섭취량과 독립적으로 중요한 실용적 의미를 가질 수 있다 [1].
서구 인구의 전형적인 식이 패턴은 단백질 분배에 있어 두드러진 비대칭성을 보인다. 식이 조사 자료는 아침 식사가 하루 단백질 섭취에서 가장 적은 비중을 차지하고(종종 10–15 g), 점심은 중간 정도(20–25 g), 저녁 식사에 하루 단백질의 대부분이 집중되는 패턴(종종 50–65 g 이상)을 일관되게 보여준다. 순수하게 수학적 관점에서 보면, 하루 총 단백질 섭취량이 권고 기준을 충족하는 한 이러한 불균등 분배는 무관한 것처럼 보일 수 있다. 그러나 단백질 섭식에 대한 동화 반응은 젊은 성인의 경우 식사당 약 20–40 g의 포화 역치(saturation threshold)를 초과하면 용량에 비례하여 선형적으로 증가하지 않는다 [2].
급성 용량-반응 연구에서 처음 기술된 이 포화 현상은, 한 끼에 대량의 단백질 볼루스(bolus)를 섭취한다고 해서 이전 식사에서 불충분했던 단백질을 "보완"할 수 없음을 의미한다. 세포가 근원섬유 단백질 합성(myofibrillar protein synthesis)으로 유도할 수 있는 용량을 초과하여 혈액으로 유입되는 과잉 아미노산은 순 근육 단백질 축적에 기여하는 대신 에너지원으로 산화된다. 이러한 논리가 24시간 통합 반응으로 확장된다면, 저녁의 대용량 단백질 볼루스를 사실상 "낭비"하면서 아침에는 자극이 불충분한 불균등 분배는, 동일한 총 단백질을 제공하는 균등 분배에 비해 전일 MPS가 낮을 것으로 예측된다 [3].
본 연구는 총 단백질 섭취량은 동일하게 유지하되 분배 패턴을 달리한 조건에서 24시간 MPS를 측정함으로써 이 가설을 직접 검증하였다.
Methods 연구 방법
연구 설계
무작위 교차 설계(randomized crossover design)를 채택하였으며, 각 참가자는 최소한의 세척 기간(washout period)을 두고 두 가지 식이 조건 모두를 완료하였다. 이 피험자 내(within-subject) 설계는 개인 간 변동성을 최소화하고 분배 관련 MPS 차이를 검출하기 위한 통계적 검정력을 극대화하였다.
참가자
건강한 젊은 남성(n = 8; 연령: 21 ± 2세; 체중: 79 ± 8 kg)이 모집되었다. 참가자들은 근골격계 손상 및 대사 질환이 없었으며, 연구 기간 내내 일정한 신체 활동 수준을 유지하였다. 두 가지 식이 조건은 총 에너지 섭취량, 다량 영양소 조성(하루 단백질 90 g 포함), 식품 기호도 면에서 동일하게 맞추었다 [1].
식이 중재
균등 분배 조건: 참가자들은 아침 식사에 약 30 g, 점심 식사에 30 g, 저녁 식사에 30 g의 단백질을 섭취하였다. 이 패턴은 하루 동안 MPS를 자극하는 식사 기회를 여러 번 제공하도록 설계되었으며, 각 식사는 mTORC1 활성화에 필요한 류신(leucine) 역치를 충족하거나 초과하도록 하였다.
불균등 분배 조건: 참가자들은 아침 식사에 약 10 g, 점심 식사에 15 g, 저녁 식사에 65 g의 단백질을 섭취하였다. 이 패턴은 아침이 단백질이 빈약하고 저녁에 단백질이 집중되는 서구식 식이 조사 자료에서 일반적으로 관찰되는 단백질 분배를 반영하였다 [2].
모든 식사는 섭취 준수율 확보와 정확한 다량 영양소 계산을 위해 통제된 표준화 식단으로 참가자에게 제공되었다.
근육 단백질 합성 측정
24시간 통합 MPS는 안정 동위원소 추적자 방법론을 사용하여 정량화하였다. 참가자들은 추적자로서 중수소 산화물(deuterium oxide, D₂O, 중수(heavy water))을 섭취하였으며, 이는 알라닌 풀에 통합된 후 새로 합성된 단백질에 편입된다. 근육 생검(vastus lateralis)은 각 식이 조건의 시작과 종료 시점에 채취하였다. 혼합 근육 단백질의 분획 합성률(FSR)은 24시간 동안 전구체 풀(precursor pool)의 평균 동위원소 풍도(enrichment) 대비 조직 단백질 내 추적자 풍도의 비율로 산출하였다 [1].
통계 분석
조건 간 24시간 FSR 비교에는 대응 t-검정(paired t-test)을 사용하였다. 유의수준(alpha)은 0.05로 설정하였다. 조건 간 차이의 크기를 특성화하기 위해 효과 크기(Cohen's d)를 산출하였다.
Results 결과
주요 결과: 24시간 근육 단백질 합성
균등 단백질 분배 조건은 불균등 분배 조건에 비해 혼합 근육 단백질의 24시간 분획 합성률(FSR)이 통계적으로 유의하게 높았다. 균등 분배 조건은 불균등 패턴에 비해 평균 FSR이 약 25% 높았으며(p < 0.05; Cohen's d = 0.84), 이는 큰 효과 크기에 해당한다 [1].
구체적으로, 24시간 FSR은 균등 분배 조건에서 0.082 ± 0.010%/h, 불균등 분배 조건에서 0.065 ± 0.011%/h로 나타났다. 두 조건의 하루 총 단백질 섭취량(90 g)과 총 에너지 섭취량은 동일하였다. 이 결과는 단백질 분배 패턴이 식이 단백질에 대한 통합 동화 반응(integrated anabolic response)에 독립적으로 영향을 미친다는 일차 가설을 확인한 것이다.
아미노산 이용 가능성
예상대로, 두 조건 사이에 하루 동안 혈장 필수 아미노산(EAA) 및 류신 이용 가능성이 실질적으로 달랐다. 균등 분배 조건에서는 세 끼 식사에 대응하는 혈장 류신의 뚜렷한 일시적 상승이 세 차례 관찰되었으며, 각 상승은 확립된 용량-반응 자료를 기준으로 mTORC1 활성화가 거의 최대에 이르는 농도에 도달하였다. 불균등 분배 조건에서는 오전과 낮 시간대에 혈장 류신이 비교적 낮게 유지되다가 저녁에 급격히 상승하였으나, 이는 이전의 최소한의 자극을 기반으로 한 것이었다 [2].
이러한 아미노산 이용 가능성 패턴은 관찰된 MPS 차이와 기계론적으로 일치하였다. 균등 분배에 의한 세 차례의 MPS 자극 "펄스(pulse)"는 불균등 분배의 단일 대용량 저녁 식사를 대체하였으며, 각 펄스는 단일 대용량 저녁 식사가 — 근육의 동화 용량을 초과하여 일부가 산화되는 — 재현할 수 없는 방식으로 24시간 누적 MPS에 기여하였다 [1].
신체 구성
단기간의 교차 기간 동안 체중이나 신체 구성의 유의한 변화는 예상대로 검출되지 않았다. 본 연구는 장기적인 신체 구성 결과를 평가하기 위해 설계되지 않았으며, 이를 위해서는 수 주에서 수 개월에 걸쳐 서로 다른 분배 패턴을 유지하는 장기 병렬군 설계가 필요하다.
Discussion 고찰
본 연구의 핵심 결과 — 세 끼 식사에 걸쳐 식이 단백질을 균등하게 분배하면 동일한 총 단백질을 제공하는 불균등 분배보다 24시간 MPS가 25% 더 높다는 것 — 는 근육 동화(muscle anabolism)를 목표로 하는 영양 전략에서 단백질 분배가 독립 변수임을 직접적으로 지지하는 실험적 근거를 제공한다.
기계론적 해석
이 결과는 식사당 단백질 섭취량과 급성 MPS 속도 사이에 확립된 용량-반응 관계와 기계론적으로 일치한다. 이 관계를 검토한 연구들은 젊은 성인에서 고품질 단백질 약 20–40 g에서 MPS 자극이 포화된다는 것을 일관되게 보여주었다. 이 역치를 초과하면 추가 아미노산은 더 많은 MPS로 유도되지 않고 산화적 이화(oxidative catabolism) 경로로 전환된다 [1]. 불균등 분배 조건에서 저녁 식사의 65 g 볼루스는 이 역치를 크게 초과하였으며, 과잉 아미노산의 상당 부분이 근육 단백질에 편입되는 대신 산화되었다.
반면 균등 분배는 각각 MPS 자극의 최적 용량에 근접하는 세 번의 별도 섭식 기회를 제공하였다. 이는 하루 전반에 걸쳐 세 개의 분리된 MPS 상승 기간을 형성하였으며, 그 24시간 통합값은 크기와 무관하게 단일 대용량 볼루스로 달성할 수 있는 것을 실질적으로 초과하였다 [2].
식이 실천에 대한 시사점
이러한 결과는 운동선수 및 일반 성인 인구의 식이 계획에 직접적인 시사점을 제공한다. 단백질이 빈약한 아침, 적당한 점심, 단백질이 풍부한 저녁으로 구성된 서구식 식사 패턴은, 하루 총 단백질 섭취량이 명목상 충분하더라도 근육 동화를 제한하는 식이 단백질 이용의 과소평가된 비효율성을 나타낼 수 있다. 총 음식 섭취량을 늘릴 필요 없이 저녁 식사를 다소 줄이는 대신 단백질을 아침과 점심으로 재분배하면 24시간 MPS를 의미 있게 개선할 수 있다 [3].
한계 및 향후 연구
연구 표본이 소규모(n = 8)였으며 남성으로만 구성되어, 여성 및 다른 인구 집단으로의 일반화에 한계가 있다. 24시간의 관찰 기간은 수 주 동안 서로 다른 분배 패턴이 지속될 때 나타나는 적응적 차이를 포착하지 못할 수 있다. 향후 연구는 저항성 운동 프로그램과 결합하여 장기간 유지된 균등 분배 대 불균등 분배의 신체 구성 결과를 검토해야 한다 [1].