본문내용
1. 서론
1.1. 생리학의 개념
생리학(physiology)은 생명체가 생명을 유지하기 위해 필수적인 활동을 어떻게 수행하는지를 연구하는 학문이다"". 생명체의 기본적인 특성인 움직임, 반응, 소화, 대사, 배설, 생식, 성장 등을 연구하여 생명현상을 이해하고자 한다"". 또한 인체를 화학수준, 세포, 조직, 기관, 계통 등 다양한 구조적 수준에서 분석하여 통합적인 기능을 설명하고자 한다"". 특히 항상성은 생명체가 외부환경의 변화에도 불구하고 내부환경을 일정하게 유지하는 중요한 생리학적 개념이다"". 이를 위해 음성되먹임과 양성되먹임 기전을 통해 항상성을 조절한다"".
1.2. 생명체의 특성
생명체의 특성은 다음과 같다.
모든 생명체는 생명현상을 유지하기 위하여 성장, 생식, 반응, 움직임, 대사라는 기본적인 특성을 가지고 있다. 성장은 생명체의 부피와 무게가 커지는 현상이며, 생식은 자신의 유전자를 후대에 전달하려는 강한 본능이다. 반응은 외부 자극에 대한 생명체의 반응을 의미하고, 움직임은 내적 움직임과 외적 움직임으로 구분된다. 대사는 생명을 유지하는데 필요한 열과 에너지 및 부산물로 전환시키는 과정이다.
생명체는 생식기능을 제외한 구조와 기능은 모두 생명유지에 관여하며, 물, 음식물, 산소, 열, 압력 등을 필요로 한다. 특히 여러 계통의 상호협력을 통하여 항상성을 유지함으로써 건강한 몸을 영위해 나갈 수 있다. 항상성은 생물이 외부의 자극을 받아들이고 그에 반응하며 외부환경이 변하더라도 몸 내부의 상태를 일정하게 유지하려는 성질이다. 항상성은 음성되먹임기전과 양성되먹임기전으로 조절된다.
1.3. 인체의 구조적 특징
인체는 화학수준, 세포, 조직, 기관, 계통의 다섯 가지 구조적 특징을 가지고 있다.
화학수준에서는 원자가 결합하여 분자를 형성하고, 분자는 다음 수준인 세포를 구성한다. 인체는 약 75조 이상의 세포로 이루어져 있다. 세포는 유사한 세포들의 집단인 조직을 이루며, 상피조직, 결합조직, 근육조직, 신경조직의 네 가지 주요 조직이 존재한다. 이러한 조직들이 모여 기관을 형성하고, 유사하거나 관련된 기능을 하는 기관들이 모여 계통을 이루어 특정한 목적을 수행한다.
즉, 인체는 화학, 세포, 조직, 기관, 계통의 다섯 가지 수준으로 구조화되어 있으며, 각 수준에서 고유한 기능을 수행하여 전체적인 생명활동을 영위한다. 이러한 구조적 특징을 통해 인체는 복잡하고 정교한 생명현상을 나타낼 수 있다.
1.4. 항상성
항상성(homeostasis)이란 내부 환경을 비교적 일정하게 유지하는 성질을 말한다. 인체에서는 체온, 체액의 pH, 전해질 농도, 혈압 등이 일정한 수준으로 유지되어야 정상적인 생명활동이 가능하다. 이러한 항상성은 내부 환경의 변화를 감지하고 이를 보정하는 일련의 과정을 통해 이루어진다.
항상성을 유지하기 위한 대표적인 메커니즘으로 음성되먹임(negative feedback) 기전과 양성되먹임(positive feedback) 기전이 있다. 음성되먹임 기전은 항상성이 깨어질 경우 이를 바로잡아 정상 상태로 되돌리는 과정이다. 예를 들어 체온이 상승하면 발한을 통해 체온을 낮추는 메커니즘이 대표적이다. 반면 양성되먹임 기전은 항상성을 파괴하는 방향으로 작용하여 변화를 증폭시키는 기전이다. 출산의 경우 자궁 수축이 증폭되는 양성되먹임 작용이 일어난다.
이처럼 항상성은 내부 환경을 일정하게 유지하는 동적인 과정이며, 이를 위해서는 체내 각 기관과 조직들이 복잡한 신경-내분비 반응을 통해 상호 보완적으로 작용한다. 시상하부-뇌하수체-말초 내분비샘으로 이어지는 내분비계와 자율신경계가 대표적인 예이다. 이들은 체온, 체액의 삼투압, 혈당 농도 등 다양한 내부 환경 요인을 감지하고 이를 조절하는 데 관여한다.
또한 항상성은 단순히 특정 지표를 일정하게 유지하는 것이 아니라, 변화하는 외부 환경에 능동적으로 대응하여 내부 환경을 최적의 상태로 유지하는 것을 의미한다. 예를 들어 운동을 하면 근육의 대사 활동이 증가하여 체온이 상승하지만, 발한과 혈관확장을 통해 체온이 적절하게 조절되는 것이다.
요약하면, 항상성은 생명체가 외부 환경의 변화에도 불구하고 내부 환경을 일정하게 유지함으로써 생명활동을 지속할 수 있게 하는 핵심 기제라고 할 수 있다. 이를 위해 다양한 생리학적 조절 기전이 복합적으로 작용하고 있음을 알 수 있다.
2. 세포생리
2.1. 세포의 구조
세포는 인체를 구성하는 기본적인 단위이며, 그 구조와 기능에 따라 다양한 형태를 지니고 있다. 세포는 세포막, 세포질, 핵으로 이루어져 있으며, 각 부위들은 고유한 기능을 수행한다.
세포막은 세포를 둘러싸고 있는 선택적 투과성의 막으로, 세포 내부와 외부 환경을 구분 지어주는 역할을 한다. 세포막은 주로 지질과 단백질로 구성되어 있으며, 때때로 빠르게 이동할 수 있는 유동성 모자이크 구조를 지니고 있다. 세포막에는 다양한 기능을 수행하는 단백질들이 존재하여 세포 간 연접 및 신호 전달, 물질 수송 등의 역할을 담당한다.
세포질은 세포막에 둘러싸인 세포 내부의 액체 부분으로, 핵을 제외한 모든 부분을 일컫는다. 세포질에는 세포골격, 세포소기관, 세포포함물 등이 포함되어 있다. 세포골격은 세포의 구조적 지지와 움직임을 담당하며, 세포소기관은 각각의 고유한 기능을 수행하는 소기관들로 구성되어 있다. 세포포함물에는 저장된 영양소, 분비과립, 색소 등이 존재한다.
핵은 세포의 중심부에 위치하며, 세포의 유전 정보를 담고 있는 DNA와 RNA가 존재한다. 핵막은 이중층 구조로 되어 있으며, 핵구멍을 통해 핵과 세포질 사이의 물질 교환이 이루어진다. 핵소체는 DNA로부터 리보솜의 하부 단위가 생성되는 곳이다.
이처럼 세포는 세포막, 세포질, 핵의 세 가지 주요 구성 요소를 중심으로 다양한 기능을 수행하며, 인체를 구성하는 기본 단위로서의 역할을 담당한다.
2.2. 세포막을 통한 물질의 이동
세포막을 통한 물질의 이동은 크게 수동운반과 능동운반으로 구분된다. 수동운반은 농도차이나 전기화학적 경사에 따라 물질이 이동하는 것으로, 확산, 삼투, 여과 등이 이에 해당한다. 반면 능동운반은 세포가 에너지를 소모하여 농도경사와 반대로 물질을 이동시키는 과정이다.
확산은 분자의 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 물질이 이동하는 것을 말한다. 이때 분자의 크기, 전하, 지용성 등의 특성에 따라 이동속도가 달라진다. 단순확산은 지용성이며 비극성인 물질이 세포막의 지질층을 자유롭게 통과하는 경우이고, 촉진확산은 운반체 단백질을 이용하여 수용성 물질이 통과하는 경우다.
삼투는 반투막을 사이에 두고 농도차이에 따라 물이 이동하는 현상이다. 농도가 낮은 쪽으로 물이 이동하여 두 용액의 농도가 평형을 이루게 된다. 적혈구에서 볼 수 있듯이 삼투압의 변화에 따라 세포가 팽창하거나 수축할 수 있다.
여과는 막을 사이에 두고 압력차에 따라 용액이 이동하는 물리적인 현상이다. 모세혈관이나 신장의 사구체에서 여과에 의한 물질이동이 일어난다.
이와 달리 능동운반은 ATP 등 세포의 에너지를 소모하면서 물질을 농도경사와 반대 방향으로 이동시키는 과정이다. 일차능동운반은 Na+/K+ 펌프에 의해 Na+와 K+의 농도차를 유지하는 것이 대표적이다. 이차능동운반은 일차능동운반에 의해 만들어진 Na+ 농도차를 이용하여 다른 용질을 이동시키는 것이다.
세포 내외부로의 물질이동은 단백질 매개성 세포 내이입과 세포외유출을 통해서도 이루어진다. 세포 내로 들여오거나 밖으로 내보내는 것으로, 이때에도 에너지가 소모된다.
이처럼 세포막을 통해 다양한 방식으로 물질이동이 일어나며, 이는 세포의 항상성 유지와 생명활동에 매우 중요한 역할을 한다.
3. 신경생리
3.1. 신경조직
신경조직은 형태적, 기능적, 최소 단위인 신경세포를 지지하고 보호하는 신경교세포로 구분된다. 신경세포를 뉴런이라고 하며 신경세포체, 축삭, 수상돌기로 이루어져 있다.
축삭은 신경세포에서 발생한 신호를 전도하는 부분으로, 신경세포의 길고 가는 돌기이며 수상돌기는 주변 신경세포나 감각기에서 오는 신호를 신경세포체로 받아들이는 역할을 한다. 신경세포체는 세포핵과 세포질이 있는 부분이다.
신경세포는 형태에 따라 운동신경세포에 해당되는 다극신경세포, 특수감각기에 해당되는 두극신경세포, 단극신경세포로 구분된다. 또한 기능에 따라서는 신호를 뇌 또는 척수로 전달하는 들신경세포, 뇌와 척수에서 말초의 효과기로 신호를 전달하는 날신경세포, 유입된 정보를 통합 분석하는 사이신경세포로 구분된다. 사람의 신경계통을 이루고 있는 대부분의 신경세포들은 이 사이신경세포가 차지하고 있다.
신경아교세포는 신경세포를 보호하고 지지하는 역할을 하는데, 중추신경계통의 경우 뇌실막세포, 별아교세포, 희소돌기아교세포, 미세아교세포가 여기에 해당한다. 말초신경계통에는 위성세포와 신경집세포가 있다.
신경종말은 운동신경종말과 감각신경종말로 나뉘며, 감각신경종말 중 통각수용기는 가지돌기가 아무런 피막도 없이 끝나는 단순한 자유신경종말이고 나머지는 복잡한 소체 형태를 이루고 있다.
신경세포는 질병이나 외상 및 노화 등에 의하여 변성을 일으키며, 축삭이 절단되거나 손상된 경우 왈러변성, 역행변성, 시냅스횡단변성 등이 일어난다. 변성된 신경세포는 재생능력이 있는데, 특히 말초신경은 재생능력이 있다.
3.2. 신경세포의 흥분 전도
신경세포의 흥분 전도는 신경세포 내부의 자극 전달 과정을 의미한다. 신경세포는 안정 상태에서 세포 안쪽이 음(-)전하, 세포 밖이 양(+)전하를 띠고 있는데, 이를 '안정막전위'라고 한다. 신경세포에 자극이 가해지면 세포막의 나트륨 통로가 열려 나트륨 이온이 세포 안으로 유입되어 세포 내부가 양(+)전하로 전환되는데, 이를 '탈분극'이라고 한다.
탈분극이 일어나면 활동전위가 발생하며, 이어서 칼륨 통로가 열려 칼륨 이온이 세포 밖으로 유출되면서 세포 안이 다시 음(-)전하로 전환되는데, 이를 '재분극'이라고 한다. 재분극 과정이 끝나면 세포막의 나트륨-칼륨 펌프가 작동하여 나트륨 이온은 세포 밖으로, 칼륨 이온은 세포 안으로 능동적으로 이동하여 안정막전위로 되돌아간다. 이렇게 활동전위가 발생하고 전도되는 과정을 통해 신경세포는 자극을 다른 세포로 전달할 수 있다.
활동전위는 역치 이상의 자극에 의해 발생하며, 모든 활동전위의 크기는 일정하다. 이를 '실무율'이라고 한다. 또한 활동전위는 축삭을 따라 한 방향으로만 전도되는데, 이는 축삭이 전기적으로 비대칭적이기 때문이다. 활동전위는 축삭을 따라 오래 지속되지 않으며, 약 1-2ms 동안 새로운 활동전위가 발생하지 않는 '불응기'가 있다.
수초화된 축삭에서는 활동전위가 일정한 속도로 '도약전도'하며, 이는 활동전위가 랑비에 결절(수초가 없는 부위)에서 발생하고 다음 결절로 건너뛰어 전도되기 때문이다. 이에 따라 수초화된 축삭에서의 전도속도가 수초화되지 않은 축삭에 비해 20배 이상 빨라진다.
시냅스에서는 신경전달물질이 분비되어 시냅스 후 세포막의 수용체와 결합, 시냅스 후 전위를 발생시킨다. 이 시냅스 후 전위가 활동전위의 발생을 유발하거나 억제하는 것이다. 시냅스에서는 일방향성 전도, 시냅스 지연, 퍼짐, 시냅스 전달의 차단 등의 특성이 나타난다.
이처럼 신경세포의 흥분 전도 과정은 신경계의 기본적인 신호 전달 메커니즘으로, 신경세포가 정상적으로 기능할 수 있도록 하는 핵심적인 과정이라고 할 수 있다.
3.3. 시냅스
시냅스는 신경세포들을 서로 연결시키며 신경세포 사이에서 정보를 전달하고 저장하는 기능을 한다. 시냅스에서의 신호전달과정은 다음과 같다.
시냅스전 말단에 활동전위가 도착하면 막전위의존성 Ca2+ 통로가 열리면서 Ca2+이 유입된다. 이로 인해 축삭말단의 신경전달물질이 포함된 소포들이 세포막과 융합되어 시냅스 간극으로 신경전달물질이 유리된다. 유리된 신경전달물질은 시냅스후 신경세포막의 수용기에 결합하여 시냅스후전위를 발생시킨다.
시냅스에는 일방향성전도, 시냅스지연, 퍼짐과 집중, 가중, 전달차단, 후방전이 등의 특성이 있다. 일방향성전도는 시냅스가 시냅스이전신경세포에서 시냅스후신경세포로만 전달되는 특성이다. 시냅스지연은 흥분이 시냅스를 통과할 때 시간지연이 발생하는 것이다. 퍼짐과 집중은 하나의 신경세포가 다수의 신경세포와 시냅스를 형성하거나 다수의 신경세포가 하나의 신경세포와 시냅스를 형성하는 것을 의미한다. 가중은 여러 신경세포의 흥분이 중첩되어 시냅스후신경세포를 더 강하게 흥분시키는 것이고, 전달차단은 시냅스 전도가 차단되는 것이다. 후방전이는 자극이 정지된 후에도 계속해...
