생리학(physiology)의 이해 <요점 정리>

CHAPTER 1. 생리학의 서론

1. 항상성(Homeostasis)이란 끊임없이 변하는 외부 환경에서 내부 환경을 비교적 일정하게, 안정적으로 유지하려는 특성을 의미한다.

2. 항상성과 조절

• 음성피드백(Negative feedback:음성되먹임) 정상에서 벗어나는 어떤 변화가 있으면 그 변화가 다시 정상으로 돌아올 수 있도록 하는 기전을 의미한다.
• 양성피드백(Positive feedback:양성되먹임) 대부분의 조절작용은 음성피드백에 의한 것이지만, 때론 양성피드백에 의해 조절도 일어난다. 양성피드백은 음성비드백과는 반대로 처리 과정의 결과가 다시 결과를 강화시키는 작용을 말한다.

CHAPTER 2. 세포(Cells and tissues)

1. 세포의 구조 기능

사람은 약 100조의 세포로 구성되어있다. 많은 수의 세포가 있는 만큼 다양한 종류의 세포가 있어 각각의 기능과 구조를 가지지만, 기본적인 구조와 기능은 공통점을 가지고 있다. 물은 지방세포를 제외한 대부분의 세포에서 70~85%의 비율을 차지하고 있으며 용매(solvent)로서 중요한 작용을한다. 물질들을 녹이기 때문에 녹아있는 물질들 사이에서 화학 반응이 일어날수있고, 대사(metabolism)가 가능한 것이다. 다음으로 많은 부분을 차지 하는 것은 단백질이다. 10~20%정도의 비율을 차지하고 있다. 지질은 세포에서 주로 인지질(phospholipid)이나 콜레스테롤(cholesterol)의 형태로 존재하며 전체 세포 부피의 2% 정도를 차지한다. 특히 인지질은 세포막을 구성하면서 중요한 구조적 역할을 수행한다.

• 세포막(cell membrane)은 단백질과 인지질로 구성되어 있다. 인지질은 글리세롤에 2개의 지방산과 질소화합물이 결합한 1개의 인산이 결합한 것이다. 인산기에 콜린(choline)이 결합되어 있으며 레시틴(lecithin) 이라 하고 이것이 세포막을 이루는 주성분이다. 레시틴의 콜린이 있는 머리부분은 물과 친한 친수성(hydrophilic)이고, 지방산이 있는 꼬리부분은 소수성(hydrophobic)이다. 세포막 단백질은 세포막을 관통하는 구성 단백질(integral protein)과 세포막을 관통하지 않고 한쪽에만 있는 주변 단백질로 나뉜다.
• 세포질과 세포소기관(cytoplasm and cell organelle) 세포질은(cytoplasm) 핵(nucleus)을 제외한 세포막 내부에 존재하는 모든 물질을 말한다. 세포기관 내에는 사립체(mitochondria:미토콘드리아), 소포체(endoplasmic reticulum:세포질그물), 골지체(golgi apparatus:골지기관), 리소좀(lysosome:용해소체)등이 있다.
  • 사립체(mitochondria:미토콘드리아) 산화효소가 많이 있다. 내부막 안쪽은 바탕질이라고 부르며 에너지 생산에 필요한 많은 효소들을 함유하고있다. 세포내에서 에너지를 생산하는 기능이 있다. 사립체에서 생성된 에너지는 아데노신삼인산(adenosine triphosphate)이라는 형태로 저장된다. 사립체는 스스로 복구가 가능하다. 사립체 내부에서 모성으로부터 유래된 유전정보가 포함되어 있기 때문인데 이 유전자 정보를 통해 자가복제를 이루어낸다.
  • 소포체(endoplasmic reticulum:세포질그물) 역시 이중지질막으로 둘러싸여 있고, 이 지질막에는 많은 단백질을 포함한다. 과립소포체에는 리보솜(ribosome)이 소포체 막의 외부에 부착되어 있다. 리보솜은 단백질을 합성하는 기능을 한다.
  • 골지체(golgi apparatus:골지기관) 납작한 판 모양의 주머니가 겹겹이 쌓여 있는 구조로 소포체와 관련이 깊다. 골지체는 특히 분비기능이 많은 세포에 발달해 있다. 세포막과 결합하지 않는 분비 소포는 리소좀(lysosome:용해소체)이 되거나 리소좀과 결합해 세포 내 소화에 도움을 준다.
  • 리소좀(lysosome:용해소체) 과산화소체는 리소좀과 비슷한 구조물이다. 리소좀과 깉이 가수분해 효소를 가지고 있는 것이 아니라 산화효소(ocidase)와 카탈라아제(catalase:과산화수소분해효소)를 가지고 있다.
  • 섬모와 편모(Cilia and flagella)섬모는 기관지, 편모는 복수이다. 세포의 움직임을 크게 아메바 운동(ameboid locomotion)과 섬모운동(ciliary movement)로 나눌 수 있는데 섬모는 섬모운동에서 중요한 역할을 한다. 섬모운동은 세포를 움직이는 것이 아니라 세포위에 있는 물질을 움직이는 운동이다. 섬모는 상피세포에 주로 분포해 점액을 이동시킨다.

• 핵(Nucleus)은 세포의 중심부에 위치하는 기관으로 내부에서 유전자(gene)를 가지고 있다. 핵은 핵막 이라고 부르는 지질 이중층 막으로 둘러 싸여있다. 핵막 내부에는 핵질, 핵소체, 염색질 이 있다. 핵소체는 주로 리보솜을 만드는 곳으로 단백질과 DNAM RNA로 이루어진 덩어리이다.

2. 유전자에 의한 세포조절

유전자는 DNA라는 유전물질로 구성되어있다. 생명체가 제대로 된 기능을 하기 위해서도 매우 중요한 역할을 한다. DNA는 전사(transcription)되어 RNA(RiboNucleic Acid)가 되고 이 RNA는 다시 번역(translation)되어 단백질(protein)이 된다. 유전물질로서 중요한 부분을 맡고 있는 DNA와 RNA는 핵산(nucleic acid)라 부른다.

• DNA는 염기가 아네딘(adenine, A) 구아닌(guanine, G) 시토신(cytosine, C) 티민(thymine, T)으로 구성되어 있고, RNA는 티민 대신 우라실(uracil, U)을 포함한 네가지의 염기로 구성되어 있다.

3. 세포주기(cell cycle) 세포는 주기를 돌면서 성장하고 분열한다. 사이기(interphase:간기)는 세포분열이 일어나지 않지만 활동적인 시기이다. 사이기는 크게 DNA를 복제하는 S기(synthesis phase)와 다른 구조물을 복제하고 세포성장이 일어나는 G기(gap phase)로 나뉜다. 가장먼저 G1기는 DNA복제가 일어나기 전 단계로서 세포의 물질대사가 활발한 시기이다.

4. 세포막을 통한 물질의 이동 세포는 생명활동을 하기 위하여 세포막을 통해 끊임없이 물질을 교환한다. 나트륨의 경우 세포외액에서 많고, 세포내액에선 적다.

• 수동운반(Passive transport:수동수송)은 크게 단순확산(simple diffusion), 촉진확산(facilitated diffusion), 삼투(osmosis), 여과(filtration)로 나눌 수 있다. 가장 큰 특징은 물질을 운반하는데 있어 별도의 에너지가 필요하지 않는다는 것이다.
  • 단순확산(simple diffusion) 액체 또는 기체 상태에서 분자들이 보이는 이런 운동을 확산(diffusion)이라고 한다. 물질들은 고농도에서 저농도로 움직이게되는데, 이런 상태를 평형(equilibrium)이라고 한다. 지질용해도가 낮은 물이나 전하를 띄고 있는 이온들은 지질 이중층을 쉽게 통과하지 못한다. 이 물질들은 단백질 통로를 통해 이동한다. 단백질 통로는 각각이 특정한 물질들에 대해서만 통과를 허용하는 선택적 투과(selective permeability)을 가지며 대부분이 여닫이 문에 의해 열리거나 닫힌다.
  • 촉진확산(facilitated diffusion) 단순확산과는 달리 세포막에 있는 운반체(carrier)가 매개체로 작용한다. 촉진확산을 통해 이동되는 물질은 대표적으로 포도당과 아미노산이 있다.- 삼투(osmosis) 반투과성막을 경계로 서로 농도가 다른 두 용액이 있을 때 용액에 녹아있는 용질이 반투과 성막을 통과하지 못한다면 삼투압이 발생해 낮은 농도의 용액에서 높은 용액으로 용매이동이 일어난다. 세포막은 반투과성막의 특성을 가진다. 세포보다 높은 삼투압농도를 가진 용액을 고장액이 라고 한다. 반대로 세포보다 낮은 삼투압 농도를 가진 용액을 저장액이라고 한다. 그리고 세포와 용액의 삼투압농도가 같은 경우 이 용액을 등장액 이라고 한다.
  • 여과(filtration) 높은곳에서 낮은곳으로 용액이 이동하는 현상이다. 원하지 않는 물질을 걸러낼 때 여과를 이용한다. 모세혈관의 정수압(hydrostatic pressure)가 조직의 정수압보다 높아 모세혈관에서 조직쪽으로 여과가 일어날 것이 대표적이다

• 능동운반(Active transport:능동수송) 어떤 물질들은 세포내외의 농도경사를 역행해서 운반되어야 할 때 가 있다. 즉 세포 안에서 밖으로 농도경사를 거슬러 운반되어야 하는 물질이다. 단순확산이나 촉진확산 같은 수동운반으로는 농도경사를 거스를 수 없기 때문에 에너지 소모하여 물질을 수송하는 능동운반이 이용된다.
  • 일차 능동운반(primary active transport) 이 단백질의 세포 안쪽 부분에는 나트륨이 3개 결합할 수 있는 부분과 ATP를 분해하는 능력을 가진 ATPase가 있고, 세포 바깥 부분에는 칼륨이 2개 결합할 수 있는 부분이 있다.

• 세포내이입과 세포외유출(endocytosis and exocytosis) 세포에서는 세포막을 통한 물질이동 외에도 세포막을 통과하기 어려운 매우 큰 물질이나 극성이 매우 큰 물질, 박테리아 등 을 세포 내로 들여오고 내보내기 위해 세포내이입과 세포외유출이 일어난다.
  • 세포내이입(endocytosis)은 다시 크게 음세포작용과 식장용으로 나뉜다. 식작용은 음세포작용과는 달리 커다란 입자를 세포 내부로 들여오는 과정이다.

• 안정막 전위(Resting membrane potential) 신호를 전달하지 않은 안정된 상태의 막전위를 안정막 전위라 하고 신경세포의 안정막전위는 대략 -90mV가 된다.
• 활동전위는 상태에서 벗어났다 하여 탈분극(depolarization)상태라 한다. 탈분극이 일어나기 위해서는 첫 자극의 크기가 양성피드백을 일으키기에 충분해야 하는데 그 값을 역치(threshold)라 부르고 보통 막전위가 -65mV가 되면 활동전위가 유발되기에 충분한 값이라고 한다. 이 과정에서 다시 막전위는 음의 값을 가지게 되며 다시 분극 되었다 하여 재분극(repolarization) 상태라 한다. 막전압은 분극 상태인 -90mV 보다도 더 아래로 떨어지게 되고 이 상태를 과분극(hyperpolarization)이라 한다.

CHAPTER 3. 심장 (Heart Physiology)

• 사람의 심장은 2방 2심실로(더크다) 구성되어 있다. 주로 펌프작용을 하는 곳은 심실(centricle)이고, 심방(atrium)은 심장으로 들어오는 혈액을 심실로 들어가게 해준다. 순환계에서 심장 뿐 아니라 혈관도 중요한 역할을 한다.

1. 심장근육(myocardium:심근)은 심방에 존해하는 심방근(atrial muscle) 심실근(ventricular muscle) 흥분성과 전도성이 있는 근육 섬유가 있다. 골격근(skeletal muscle)과 비슷한 구조를 가지고 불수의적으로 수축하는 심방근과 심실근을 고유 심근이라 한다.

[고유심근의 생리학적 구조]

• 세포들이 거의 붙어 있어 사이원판을 이루고 사이원판에는 세포막이 결합되거나 이온이 통과할 수 있는 간극결합을 형성하여 흥분이 세포막 밖을 통한 경우보보다 1/400이나 쉽게전달된다 따라서 심근세포들을 기능적 융합체(funcrional synscytium:합포체)를 이루고 있다고 한다.
• 심방와 심실사이에는 판막(valve)과 섬유조직이 있어 전기적 흥분이 잘 전달되지 않는다. 대신 심방과 심실을 이어주는 전도계가 있어 이를 통해 전기적 신호가 전달된다

[심장근육의 활동전위]

• 고유심근의 안정막위(resting membrane potential)는 -85mv로 골격근과 큰 차이가 없다. 오랫동안 분극 상태를 유지하기 때문에 심장근육은 골격근보다 오랫동안 수축을 유지한다.
• 심장근융에서는 골격근에서 탈분극(depolarization)을 일으키는 나트룸 통로 외에도 칼숨-나트륨 통로가 탈분극에 기여한다. 나트륨통로는 빠르게 열리고 닫히며 칼숨-나트륨통로는 상대적으로 느리게 열리고 닫혀 각각 빠른 나트륨 통로(fast sodium channel)와 느린 칼슘통로(slow calcium channel)라고 부른다

[심장근육의 수축]

• 심근세포의 세포질로 칼슘이온이 유입되는 방법만 제외하면 심근세포가 수축하는 기전을 골격근의 그것과 크게 다를 바가 없다.
• 횡세관에서는 칼슘과 잘 결합할 수 잇는 음전하를 띈 점액다당류(mucopolysaccharide)가 있고 전압의존성 칼슘통로(voltage-gated clacium channel)이 다수 분포하고있다.
• 세포외액의 칼슘이온농도가 낮다면 수축력이 떨어질것이다.

2. 심장의흥분전도계 : 심장은 자발적으로 활동전위를 만들어 전기신호를 전달할수있다. 앞서 심장에는 고유심근 외에도 흥분성과 전도성을 가지는 근육섬유가 있다.

• 동방결절(sinoatrial node, sa node:동굴심방결절)에서 율동적인 흥분파를 발생
• 이 신호는 결절간 경로(internodal pathway)를 통해 방실결절(atrioventicular node)로 전달
• 이후 전기신호는 방실다발(AV bundle)을 통해 심실세포로 전달
• 푸르킨예 섬유(purkinje fiber)를 통해 심실 곳곳으로 퍼져나감

• 동방결절(sinoatrial node, sa node:동굴심방결절)이 자동적으로 흥분해 전도성을 가진 근육섬유로 활동전위를 전달심장은 스스로 생성해낸 리듬에 맞춰 박동할 수 있게 되고 이런 특성을 자동율동성(auto rhythmicity)라 한다.
• 동방결절외에도 방실결절, 푸르킨예 섬유들은 모두 스스로 흥분하여 활동전위를 생산하고 전달 할 수 있지만, 동방결절이 가장 빈번하게 흥분하여 박동조율기(pacemaker: 심장길잡이)역할
• 동방결절은 보통 분당 70~80회 박동을 하고, 방실결절은 40~60회, 푸르킨예섬유는 15~40회
• 동방결절은 -55~-60Mv의 안정막전위를 갖는다.
• 막전위가 상승하다가 역치인 -40Mv에 도달하게 되면 칼슘-나트륨통로가 열려 칼슘이온과 나트륨이온이 유입되고 활동전위가 발생
• 방실결절(atrioventicular node)은 우심방과 우심실 사이에 있는 삼천판막(tricuspid valve)바로 뒤쪽, 관상정맥동(coronary sinus:심장정맥굴)이 들어오는 곳 근처에 위치하고 있다.
• 방실결절은 상대적으로 다른 흥분전도계보다 느린 전파속도
• 푸르킨예섬유(purkinje fiber)와 결절간경로는 섬유들 사이의 간극결합이 잘 발달해 있어 저항이 적고 전도 속도가 빠르다.

3. 심장주기(cardiac cycle) : 심장이 한번 수축(systole)해서 이완(diastole)한 후 다시 수축하는 과정을 심장주기라고 한다. 심장주기는 동방결절에서 흥분파가 발생하면서 시작된다. 실제심장의 중요한 기능은 심실에서 이루어진다.

• 일회박출량(stroke volume)은 심장이 한 주기 동안 뿜어낸 혈액의 양이다 보통 70ml정도이다.

4. 심장판막(cardiac valve)

– 방실 판막은 심방과 심실 사이

– 승모 판막(mitral valve)는 좌심방과 좌심실 사이

– 삼첨 판막(tricuspid valve)는 우심방과 우심실 사이

– 반월 판막(semilunar valve)은 심실과 대 혈관 사이

– 대동맥 판막(aortic valve)은 좌심실과 대 동맥 사이

– 폐동맥판막(pulmonary valve)은 우심실과 폐동맥 사이

5. 심장의 혈류순환 : 심장 스스로도 혈류를 공급받아야 영양분과 산소를 얻을 수 있다. 심장조직을 관류하는 혈관을 관상동맥(coronary artery)이 라고 한다.

• 관상동맥을 통해서 전체 심박출량의 5% 정도가 흐른다.

6. 심장기능의 조절

• Frank-staring 심장으로 들어오는 혈액량인 정맥 환류랑이 많아지면 어느 정도 범위까지는 심장이 더 많은 일을 해서 많이 들어온 만큼 많이 내보내게 된다.

심장의 기능은 교감신경(sympathetic nerve)과 부교감신경(parasympathetic nerve)에 의해서 조절된다. 뇌신경(cranial nerve)인 미주신경(vagus nerve)이 심장에서 부교감신경으로 작용한다.

8. 심전도(electrocardiogram:ECG, EKG)는 심장의 전기적 활동을 신체 여러 부위에서 측정

• 심전도는 네덜란드의 빌렘 에인트 호벤이 처음 고안하여 사용

9. 심실세동과 심방세동(ventricular fibrillation and atrial fibrillation)

• 심방세동은 흥분파가 어떤 회로(circuit)를 그리면서 돌아다니는 것이 아니라 여러 갈래로 나뉘기도 하면서 무작위적으로 심실세포를 돌아다닌다. 매우 불규칙한 모양의 극파가 계속해서 형성되고 심근은 적절한 수축을 하지 못해 피를 짜내지 못한다.

CHAPTER 4. 순환 (The Circulation)

심장과 연결된 혈관, 모세혈관들을 통칭해 순환계통이라고 한다. 순환계는 조직의 각 세포들이 살아남고 나아가서 기능을 할 수 있도록 세포 외 환경을 만들어준다.

1. 혈압과 혈류, 혈류저항

• 혈류(blood flow)는 어떤 구간을 지나던 시간당 혈액의 양으로 정의할 수 있다. 심장이 1분당 짜내는 혈액량을 심박출량 이라고 하고 보통 5000ml/min이다.
• 층류에서는 중심부분의 혈액이 가장자리부분의 혈액보다 더 빠르게 흐르는데 가장자리일수록 혈관벽에 의한 영향을 많이 받아 속도가 느려지기 때문이다. 중심부분이 빠르게 앞으로 나가고 가장자리일수록 뒤로 쳐지는 포물선 모양으로 혈액이 흐르게 된다. 반대로 혈관이 구불구불하거나 좁은 경우, 장애물이 있는 경우는 와류(turvulent flow:소용돌이 흐름)을 형성하게 된다.
• 혈압(blood pressure)은 혈관내에서 흐르는 혈액이 단위면적당 누르는 힘을 의미하는 용어이다. 100mm 높이의 수은이 중력에 의해 받는 단위 면적당 힘과 혈관속의 혈액이 내는 단위면적당 힘이 같다.
• 혈류저항 은 혈액이 압력을 받아 혈류를 만들 떄 필연적으로 저항(resistance)이 생겨 혈류를 방해한다.
• 포아세유 법칙 혈관의 반지름의 네제곱에 저항이 반비례함을 알 수 있다.
• 혈관(blood vessel)혈관은 혈액을 실어 나르는 통로가 되는 관이다.
  • – 동맥(Artery)은 심장에서 바로 나온 이 높은 압력의 혈액을 받아 전달해야 하기 때문에 탄력조직(elastic tissue), 평활근(smooth muscle), 결합조직(connective tissue)이 잘 발달한 강한 혈관벽을 가지고 있다.
  • 세동맥(Arteriole)은 큰 동맥들이 분지해서 만들어진 작은 동맥이다.
  • 모세혈관(Capillary)은 조직과 혈액간의 영양소, 전해질, 기체교환이 일어나는 곳이다. 모세혈관의 직경은 4~9um로 적혈구가 겨우 지나갈 수 있고 혈관벽은 0.5um밖에 되지 않는다.
  • 정맥(Vein)은 모세혈관을 지난 혈액이 세정맥(venule)로 모인다. 또 정맥은 확장성(distensibility)이 높아 적은 압력의 변화에도 잘 늘어난다. 확장성을 다른 말로 순응도(compliance)라고 한다.