2021년 - 탄수화물, 인슐린, 비만: 탄수화물-인슐린 모델은 왜 충분하지 않은가

배경: 비만의 원인을 탄수화물과 인슐린만으로 설명할 수 있을까요

비만은 현대 의학과 공중보건에서 가장 중요한 문제 가운데 하나이지만, 흔한 인간 비만의 일차 원인이 무엇인지는 여전히 완전히 합의되어 있지 않습니다. 이 논문에서 존 R. 스피크먼과 케빈 D. 홀은 그중 널리 알려진 설명인 탄수화물-인슐린 모델(carbohydrate-insulin model)을 정면으로 검토합니다. 저자들은 인슐린(insulin)이 체지방 조절에 중요한 역할을 한다는 점은 인정하지만, 탄수화물 섭취가 식후 인슐린(postprandial insulin)을 높이고, 이 인슐린이 지방조직에 에너지를 가두며, 그 결과 더 먹고 덜 쓰게 되어 비만이 생긴다는 설명은 실험 결과와 잘 맞지 않는다고 주장합니다.

탄수화물-인슐린 모델의 핵심은 지방세포(adipocyte)를 비만의 중심 무대로 놓는 데 있습니다. 이 모델에 따르면 탄수화물을 먹으면 혈당이 올라가고, 이에 반응해 인슐린이 분비됩니다. 인슐린은 혈중 중성지방(triglyceride)과 같은 연료를 지방조직으로 보내 저장하게 만들고, 동시에 지방조직에서 지방이 빠져나오는 것을 억제합니다. 그러면 근육 같은 비지방조직(nonadipose tissue)은 실제로는 음식을 먹었는데도 사용할 연료가 부족한 상태가 됩니다. 이 상태를 모델 지지자들은 세포 수준의 “에너지 부족, 내부 기아(internal starvation)”로 설명합니다.

이 논리에 따르면 비만은 단순히 많이 먹어서 생기는 것이 아니라, 탄수화물이 먼저 인슐린을 자극하고, 인슐린이 지방 저장을 촉진하며, 그 결과 몸이 에너지를 충분히 쓰지 못한다고 느껴 더 먹게 되면서 생깁니다. 따라서 탄수화물-인슐린 모델이 제시하는 해결책은 비교적 분명합니다. 탄수화물 섭취를 줄이고 지방 섭취를 늘려 식후 인슐린 분비를 낮추는 것입니다. 이것이 흔히 말하는 저탄수화물 고지방 식이(low-carbohydrate high-fat diet), 또는 케톤 생성 식이(ketogenic diet)의 이론적 배경입니다.

그러나 이 논문의 저자들은 바로 이 지점에서 질문을 던집니다. 탄수화물 섭취가 식후 인슐린을 높이는 것은 맞지만, 그것이 실제로 더 많은 음식 섭취, 더 낮은 에너지 소비, 더 큰 체지방 증가로 이어지는지는 별개의 문제입니다. 생리학적으로 그럴듯한 설명이라도, 엄격한 실험에서 반복적으로 확인되지 않으면 비만의 주된 모델로 보기 어렵기 때문입니다.

탄수화물-인슐린 모델이 예측하는 것

탄수화물-인슐린 모델이 맞다면 몇 가지 뚜렷한 예측이 가능합니다. 첫째, 탄수화물 비율이 높은 식단은 식후 인슐린을 높여야 합니다. 이 부분은 대체로 사실입니다. 둘째, 높아진 인슐린은 섭취한 연료를 지방조직으로 더 많이 보내야 합니다. 셋째, 지방조직으로 에너지가 지나치게 이동하면 근육과 같은 조직은 사용할 에너지가 부족해져 배고픔이 증가해야 합니다. 넷째, 몸은 에너지를 절약하기 위해 에너지 소비(energy expenditure)를 줄여야 합니다. 마지막으로 이러한 변화는 장기적으로 체중과 체지방 증가로 이어져야 합니다.

반대로 저탄수화물 식이는 인슐린 분비를 낮추고, 지방조직에 갇힌 지방을 더 쉽게 동원하게 하며, 비지방조직에 충분한 연료를 공급해 배고픔을 줄이고 에너지 소비를 높여야 합니다. 이 모델이 정확하다면, 같은 열량을 먹더라도 저탄수화물 식이를 하는 사람이 고탄수화물 식이를 하는 사람보다 체지방을 더 많이 잃어야 합니다.

스피크먼과 홀은 이 예측들이 실제 실험 자료와 맞는지 차례로 검토합니다. 논문은 새로운 단일 실험 논문이라기보다 가설과 근거를 종합한 관점 논문(Perspective)에 가깝습니다. 따라서 핵심은 한 가지 실험 결과가 아니라, 동물실험, 인간 대사병동 연구, 장기 임상시험, 인슐린 생리학 자료가 같은 방향을 가리키는지 살펴보는 데 있습니다.

동물실험: 탄수화물을 많이 먹은 생쥐는 더 살쪘을까요

저자들이 먼저 주목한 근거는 생쥐를 대상으로 한 대규모 식이 조작 연구입니다. 이 연구에서는 생쥐에게 29가지 서로 다른 식단을 제공하여 다량영양소(macronutrient) 구성이 체지방에 어떤 영향을 주는지 살폈습니다. 그중 16가지 식단은 탄수화물-인슐린 모델을 직접 시험하기에 적합했습니다. 단백질(protein) 비율은 일정하게 유지하고, 지방(fat)과 탄수화물(carbohydrate)의 비율만 서로 반대로 조절했기 때문입니다.

이 식단에서 탄수화물은 옥수수 전분(corn starch), 말토덱스트린(maltodextrin), 자당(sucrose)으로 구성되었습니다. 이들은 일반적으로 혈당과 인슐린 반응을 크게 일으키는 정제 탄수화물(refined carbohydrate)로 여겨집니다. 탄수화물-인슐린 모델의 예측대로라면, 이런 탄수화물이 많은 식단을 먹은 생쥐는 식후 인슐린이 높아지고, 더 많이 먹고, 더 많은 체지방을 축적해야 합니다.

하지만 결과는 반대였습니다. 탄수화물 비율이 높은 식단을 먹은 생쥐는 식후 인슐린이 더 높았음에도 불구하고 총열량 섭취가 적었고, 체중과 체지방도 덜 증가했습니다. 저자들은 이 결과가 탄수화물-인슐린 모델의 중요한 예측과 정면으로 어긋난다고 봅니다. 다만 생쥐 실험 결과를 인간에게 그대로 적용하는 것은 조심해야 한다고 덧붙입니다. 동물실험은 식단을 엄격하게 통제할 수 있다는 장점이 있지만, 인간의 음식 환경, 심리, 사회적 요인, 장기간 식습관을 모두 반영하지는 못하기 때문입니다.

그럼에도 이 실험은 중요한 의미를 가집니다. 탄수화물 자체가 인슐린을 통해 자동으로 체지방 증가를 유도한다면, 통제된 동물실험에서 적어도 그 방향의 결과가 강하게 나타나야 합니다. 그러나 실험에서는 높은 탄수화물 비율이 더 큰 체지방 증가로 이어지지 않았고, 오히려 지방 비율이 높은 식단에서 더 큰 비만 효과가 관찰되었습니다.

인간 대사병동 연구: 고탄수화물 식이는 정말 더 많이 먹게 만들었을까요

다음으로 저자들은 인간을 대상으로 한 대사병동(metabolic ward) 연구를 검토합니다. 대사병동 연구는 참가자가 실험 시설 안에 머물면서 제공되는 식단을 먹고, 연구자가 음식 섭취량과 에너지 소비를 매우 정밀하게 측정하는 방식입니다. 자유생활(free-living) 환경보다 현실성은 낮지만, 식단 순응도를 훨씬 잘 통제할 수 있다는 장점이 있습니다.

핵심 연구 중 하나는 20명의 성인을 대상으로 한 한 달짜리 입원 교차시험(crossover trial)이었습니다. 참가자들은 약 2주 동안 탄수화물 약 10%, 지방 약 75%의 저탄수화물 고지방 식이를 먹고, 다른 2주 동안은 지방 약 10%, 탄수화물 약 75%의 고탄수화물 저지방 식이를 먹었습니다. 참가자들은 먹고 싶은 만큼 먹을 수 있었고, 연구자는 실제 섭취량을 측정했습니다.

탄수화물-인슐린 모델에 따르면 고탄수화물 식이는 식후 인슐린을 크게 높이므로, 지방 저장을 촉진하고 배고픔을 증가시켜 저탄수화물 식이보다 더 많은 열량 섭취를 유도해야 합니다. 실제로 고탄수화물 식이는 식후 인슐린을 더 높였습니다. 그러나 음식 섭취량은 예측과 달랐습니다. 참가자들은 고탄수화물 저지방 식이를 먹을 때 저탄수화물 고지방 식이보다 하루 약 700킬로칼로리(kcal)를 덜 먹었습니다. 또한 두 식단의 만족감, 즐거움, 배고픔, 포만감에는 뚜렷한 차이가 없었습니다. 고탄수화물 식이에서 인슐린 분비가 더 많았음에도 유의한 체지방 감소는 오히려 고탄수화물 식이에서 나타났습니다.

이 결과는 탄수화물-인슐린 모델의 가장 직관적인 예측을 약하게 만듭니다. 즉, “탄수화물 → 인슐린 → 배고픔 증가 → 더 많은 섭취”라는 연결이 엄격한 실험 환경에서 그대로 나타나지 않았습니다. 물론 이 연구는 2주 단위의 짧은 기간이라는 한계가 있습니다. 하지만 저자들은 다른 연구들도 함께 보면 같은 방향의 결론이 나온다고 설명합니다. 예를 들어 10~15주 동안 고탄수화물 식이를 먹은 사람들이 저탄수화물 식이를 먹은 사람들보다 더 큰 포만감을 보였다는 연구가 있고, 1년짜리 자유생활 무작위 연구에서도 저탄수화물 식이와 고탄수화물 식이 사이에 지속적인 객관적 에너지 섭취 차이가 나타나지 않았습니다.

특히 DIETFITS 무작위 임상시험(randomized clinical trial)은 이 논쟁에서 중요합니다. 이 연구는 건강한 저지방 식이와 건강한 저탄수화물 식이를 12개월 동안 비교했는데, 평균 체중 감소는 두 집단에서 유의하게 다르지 않았습니다. 또한 유전형 패턴(genotype pattern)이나 기저 인슐린 분비(baseline insulin secretion)가 어느 식단에서 더 잘 살이 빠질지를 예측하지 못했습니다.

에너지 소비: 저탄수화물 식이는 대사량을 높였을까요

탄수화물-인슐린 모델은 음식 섭취량뿐 아니라 에너지 소비에 대해서도 예측합니다. 저탄수화물 식이는 인슐린을 낮추고, 지방조직에서 지방을 더 쉽게 꺼내 쓰게 하므로, 비지방조직의 “내부 기아”가 완화되고 에너지 소비가 증가해야 합니다. 만약 이 예측이 맞다면 같은 열량을 먹어도 저탄수화물 식이를 하는 사람이 더 많은 체지방을 잃어야 합니다.

하지만 엄격하게 음식 섭취를 통제한 두 개의 인간 대사병동 연구에서는 다른 결과가 나왔습니다. 과체중 또는 비만 참가자들이 1~2개월 동안 입원해 식단을 통제받았고, 탄수화물 제한은 식후 인슐린 분비를 크게 낮췄습니다. 그러나 두 연구 모두에서 탄수화물을 제한한 식단은 같은 열량의 고탄수화물 식단보다 체지방 감소가 적었습니다. 한 연구에서는 저탄수화물 식이가 에너지 소비를 유의하게 감소시켰고, 다른 연구에서는 케톤 생성 식이가 에너지 소비를 약간 일시적으로 증가시켰지만 몇 주 안에 그 효과가 사라졌습니다.

저자들은 자유생활 환경의 일부 연구가 저탄수화물 식이에서 에너지 소비 증가를 보고했다는 점도 언급합니다. 그러나 그 결과는 에너지 소비 계산 방식의 문제일 가능성이 있다고 해석합니다. 보고된 에너지 소비 증가는 체중 변화, 안정시 대사율(resting metabolic rate), 신체활동(physical activity), 골격근 작업 효율(skeletal muscle work efficiency) 같은 실제 측정 요소와 잘 맞지 않았기 때문입니다. 또한 앞서 언급한 생쥐 29가지 식단 연구에서도 탄수화물 비율 변화가 에너지 소비나 신체활동에 뚜렷한 영향을 주지 않았습니다.

이 부분은 논문의 중심 주장과 연결됩니다. 저자들은 저탄수화물 식이가 어떤 사람에게 체중 감량에 도움이 될 수 있다는 가능성을 부정하지 않습니다. 다만 그 효과가 탄수화물-인슐린 축을 직접 조절해 지방조직에 갇힌 에너지를 풀어내기 때문이라는 설명은 실험 결과로 충분히 뒷받침되지 않는다고 봅니다.

두 모델은 무엇이 다를까요

왼쪽은 탄수화물-인슐린 모델이고, 오른쪽은 저자들이 인슐린의 역할을 더 넓은 에너지 균형 네트워크 안에서 설명하기 위해 제시한 모델입니다. 두 모델은 모두 음식 환경에서 출발하지만, 비만이 진행되는 인과 순서를 다르게 그립니다.

왼쪽 도식에서 출발점은 음식 환경(food environment)입니다. 이 환경이 탄수화물 섭취를 늘리고, 탄수화물이 식후 인슐린을 높이며, 인슐린이 연료를 지방조직으로 보내는 방향으로 작용합니다. 그 결과 비지방조직으로 가는 연료 흐름이 줄어들고, 세포 기아 신호(cellular starvation signal)가 생기며, 이 신호가 에너지 소비를 낮추고 음식 섭취를 늘린다는 구조입니다. 이 모델에서는 인슐린이 비만의 원인 사슬에서 매우 앞쪽에 있고, 탄수화물 섭취가 그 인슐린 반응을 주도합니다.

반면 오른쪽 도식의 에너지 균형 모델에서는 출발점이 더 넓습니다. 비만을 유발하는 음식 환경이 전체 에너지 섭취를 증가시키고, 그 결과 에너지 불균형(energy imbalance)이 생깁니다. 인슐린은 이 과정에서 혈중 연료의 흡수와 저장을 돕지만, 단순히 지방세포에 에너지를 밀어 넣는 호르몬으로만 그려지지 않습니다. 인슐린은 뇌에 음성 되먹임 신호(negative feedback signal)를 제공하고, 지방조직과 다른 호르몬 신호와 함께 에너지 섭취 조절에 참여합니다. 또한 지방조직과 비지방조직의 이소성 지방 축적(ectopic fat deposition)은 인슐린 저항성(insulin resistance)을 만들 수 있고, 인슐린 저항성은 다시 순환 인슐린 농도에 영향을 줍니다.

이 도식의 핵심은 인슐린이 중요하지 않다는 것이 아닙니다. 오히려 인슐린은 중요하지만, 그 역할은 탄수화물 섭취 직후 지방세포에 작용하는 단일 경로로 축소할 수 없다는 것입니다. 인슐린은 뇌, 간, 근육, 지방조직, 에너지 섭취, 에너지 소비, 인슐린 저항성, 지방 축적 상태와 상호작용하는 복합 네트워크 안에서 작용합니다.

인슐린은 중요하지만, 탄수화물만의 문제는 아닙니다

저자들은 탄수화물-인슐린 모델의 실패가 곧 “인슐린은 비만과 무관하다”는 뜻은 아니라고 분명히 말합니다. 인슐린 분비를 유전적으로 조절한 생쥐 연구나, 사람에서 약물로 인슐린 분비를 억제한 연구는 당뇨병이 없는 상황에서도 체지방 감소가 나타날 수 있음을 보여줍니다. 또한 당뇨병 환자는 진단 전 체중 감소를 경험하는 경우가 있고, 인슐린 분비를 늘리는 치료나 외인성 인슐린 치료를 받으면 체중이 다시 증가하는 경우도 있습니다.

그러나 이런 사실은 탄수화물-인슐린 모델 전체를 지지하는 증거와는 다릅니다. 인슐린이 체지방 조절에 관여한다는 명제와, 탄수화물 섭취로 인한 식후 인슐린 상승이 흔한 비만의 주된 원인이라는 명제는 서로 다릅니다. 저자들은 고인슐린혈증(hyperinsulinemia)이 반드시 의미 있는 비만 차이와 연결되는 것은 아니며, 미래의 체중 증가를 안정적으로 예측하지도 못한다고 설명합니다. 또한 체질량과 관련된 전장유전체연관분석(genome-wide association study)에서 지방조직의 인슐린 작용과 직접 연결된 표적이 비만의 주요 원인 변이로 뚜렷하게 나타나지 않는다는 점도 지적합니다.

더 중요한 생리학적 논점은 식후 인슐린보다 기저 인슐린(basal insulin)이 지방 방출 조절에 더 중요할 수 있다는 점입니다. 지방조직에서 지방이 빠져나오는 과정은 기저 인슐린 농도 주변의 작은 변화에는 매우 민감하지만, 식후처럼 인슐린 농도가 이미 높은 범위에서는 효과가 빠르게 포화될 수 있습니다. 따라서 탄수화물을 먹고 식후 인슐린이 크게 증가한다고 해서 지방 저장 조절이 그만큼 선형적으로 더 강해진다고 볼 수 없습니다.

또한 저자들은 식이 지방을 줄여도 탄수화물을 같은 열량만큼 줄였을 때와 비슷하게 기저 인슐린이 낮아질 수 있다고 설명합니다. 이는 기저 인슐린 농도가 식단의 탄수화물 비율 자체보다 에너지 섭취와 에너지 소비 사이의 불균형에 크게 반응할 수 있음을 시사합니다.

이 논문이 말하는 비만의 더 넓은 관점

이 논문의 결론은 비만을 단일 영양소의 문제로 좁히지 말자는 것입니다. 저자들이 이 도식에서 더 무게를 두는 설명은 음식 환경이 에너지 섭취를 늘리고, 그 결과 에너지 불균형이 생긴다는 흐름입니다. 현대 음식 환경은 맛이 강하고, 에너지 밀도가 높고, 쉽게 접근할 수 있으며, 과식을 유도하기 쉽습니다. 이런 환경이 에너지 섭취를 증가시키고, 그 결과 체지방이 늘어나며, 인슐린은 그 과정에서 여러 장기와 호르몬 신호 사이의 조절자로 작용합니다.

따라서 저자들은 저탄수화물 식이가 무의미하다고 말하지 않습니다. 어떤 사람에게는 저탄수화물 식이가 음식 선택을 단순화하고, 단백질 섭취를 늘리거나 초가공식품(ultra-processed food)을 줄이는 방식으로 체중 감량에 도움이 될 수 있습니다. 하지만 그 효과를 “탄수화물을 줄여 인슐린을 낮추었기 때문에 지방세포에 갇힌 에너지가 풀렸다”는 단순한 경로로 설명하는 것은 충분하지 않습니다.

이 논문은 식단 논쟁에서 자주 보이는 이분법을 피합니다. “탄수화물이 나쁘다” 또는 “칼로리만 중요하다”라는 식의 단순한 주장 대신, 저자들은 인슐린이 체지방 조절에 관여하되 그 역할은 음식 환경, 에너지 섭취, 에너지 소비, 지방조직 신호, 뇌의 조절, 인슐린 저항성과 함께 이해해야 한다고 주장합니다. 이 점에서 논문은 탄수화물-인슐린 모델의 반박문이면서 동시에 더 정교한 비만 생리학 모델을 요구하는 글입니다.

결과: 탄수화물-인슐린 모델의 핵심 예측은 반복적으로 약해졌습니다

이 논문에서 검토한 실험들을 종합하면, 탄수화물-인슐린 모델의 핵심 예측은 잘 지지되지 않습니다. 고탄수화물 식이는 식후 인슐린을 높일 수 있지만, 그것이 자동으로 더 많은 음식 섭취를 만들지는 않았습니다. 저탄수화물 식이는 인슐린 분비를 낮출 수 있지만, 같은 열량 조건에서 항상 더 큰 체지방 감소를 만들지도 않았습니다. 또한 저탄수화물 식이가 지속적으로 에너지 소비를 높인다는 주장도 엄격한 대사 측정 연구에서는 일관되게 확인되지 않았습니다.

논문의 중요한 메시지는 “탄수화물 섭취와 인슐린 상승은 생리적으로 실제로 존재하지만, 그것만으로 흔한 인간 비만을 설명하기에는 부족하다”는 것입니다. 저자들은 인슐린을 비만 연구에서 제외하자는 것이 아니라, 인슐린을 더 넓은 조절 체계 안에 다시 배치하자고 제안합니다.

의미: 식이요법 논쟁에서 무엇을 배워야 할까요

이 논문은 체중 감량을 둘러싼 대중적 논쟁에 중요한 균형점을 제공합니다. 저탄수화물 식이는 일부 사람에게 실천 가능한 체중 감량 전략일 수 있습니다. 그러나 그 이유가 반드시 탄수화물-인슐린 모델이 말하는 방식 때문이라고 단정할 수는 없습니다. 체중 감량의 실제 원인은 식단을 바꾸면서 전체 에너지 섭취가 줄고, 음식 선택이 달라지고, 포만감이 변하고, 초가공식품 섭취가 줄고, 장기적으로 지속 가능한 행동 변화가 생기는 데 있을 수 있습니다.

또한 이 논문은 식단 연구에서 짧은 생리학적 변화와 장기 체중 변화를 구분해야 한다는 점을 보여줍니다. 식후 인슐린이 높아졌다는 사실은 하나의 생리 반응입니다. 하지만 비만의 원인을 설명하려면 그 반응이 실제 음식 섭취, 에너지 소비, 체지방 변화로 이어지는지 확인해야 합니다. 스피크먼과 홀은 바로 이 연결고리가 실험적으로 약하다고 지적합니다.

결국 이 논문은 탄수화물과 인슐린을 둘러싼 논쟁을 더 생산적인 방향으로 옮깁니다. 비만을 특정 영양소 하나의 탓으로 돌리기보다, 사람을 둘러싼 음식 환경과 생리적 조절 네트워크를 함께 보아야 한다는 것입니다. 인슐린은 여전히 중요하지만, 비만의 원인을 설명하는 주연이라기보다 여러 조절 경로 가운데 하나로 이해하는 편이 현재 자료와 더 잘 맞습니다.

참고문헌

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Hall, Kevin D., et al. “Effect of a Plant-Based, Low-Fat Diet versus an Animal-Based, Ketogenic Diet on Ad Libitum Energy Intake.” Nature Medicine, vol. 27, 2021, pp. 344-353. https://doi.org/10.1038/s41591-020-01209-1.

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