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1. 서론
1.1. 생리학의 개념
생리학(physiology)은 생명체가 생명을 유지하기 위해 필수적인 활동을 어떻게 수행하는지를 연구하는 학문이다. 생리학은 생명체의 구조와 기능을 체계적으로 연구하여 생명 현상에 대한 과학적 설명을 제공한다. 특히 인체의 각 기관과 조직이 어떻게 작용하여 생명을 유지하는지, 그리고 이들 간의 상호작용을 통해 신체 전체가 어떻게 조절되고 통합되는지를 밝혀내는 것이 주된 연구 대상이다. 생리학은 생명체의 구조-기능 관계를 규명하여 질병의 예방 및 치료에 활용될 뿐만 아니라, 운동 및 스포츠 과학, 환경 생물학, 의학 등 다양한 분야에 응용되고 있다. 따라서 생리학은 생명체에 대한 전반적인 이해를 제공하는 기초 생물학 분야의 핵심 학문이라고 할 수 있다.
1.2. 생명체의 특성
생명체의 특성은 생명체를 구분 짓는 주요 특징으로, 대표적인 특성은 다음과 같다.
첫째, 움직임(movement)이다. 생명체는 자발적으로 이동하거나 움직일 수 있다. 이는 근육계에 의해 이루어지는데, 생물학적 수축과 이완 과정을 통해 이루어진다.
둘째, 반응(response)이다. 생명체는 외부와 내부 환경의 변화를 감지하고 이에 적절히 반응할 수 있다. 생명체는 다양한 수용체를 통해 자극을 감지하고, 신경계와 내분비계를 통해 반응을 조절한다.
셋째, 소화(digestion)이다. 생명체는 섭취한 음식물을 단일 분자 형태로 분해하는 과정을 통해 에너지와 영양분을 얻는다. 이는 소화기관과 소화효소를 통해 이루어진다.
넷째, 대사(metabolism)이다. 생명체는 세포 내에서 일어나는 모든 화학반응을 통해 에너지를 생산하고 물질을 합성 및 분해한다. 이를 통해 생명체는 자신의 생명 활동을 유지한다.
다섯째, 배설(excretion)이다. 생명체는 대사 과정에서 발생한 노폐물을 체외로 배출한다. 이는 주로 신장, 폐, 피부 등의 배설기관을 통해 이루어진다.
여섯째, 생식(reproduction)이다. 생명체는 자신과 유사한 새로운 개체를 생성할 수 있다. 이를 통해 생명체는 자신의 유전정보를 다음 세대에 전달할 수 있다.
일곱째, 성장(growth)이다. 생명체는 세포 분열을 통해 크기와 수가 증가하며, 구조와 기능이 발달한다. 이러한 성장 과정을 통해 생명체는 자신의 생명 활동을 영위할 수 있게 된다.
이와 같은 생명체의 특성은 생명체가 자신의 생존과 번식을 위해 필수적으로 수행해야 하는 활동들이다. 이러한 활동들은 복잡한 생물학적 과정을 통해 이루어지며, 생명체의 생명 유지와 발전에 핵심적인 역할을 한다.
1.3. 인체의 구조적 특징
인체의 구조적 특징은 화학수준, 세포, 조직, 기관, 그리고 계통의 5단계로 구분할 수 있다.
첫째, 화학수준에서는 원자가 결합하여 분자를 형성하고, 분자는 다음 수준인 세포를 형성한다. 둘째, 세포는 인체를 구성하는 가장 기본적인 단위로, 인체에는 약 75조 이상의 세포가 있다. 셋째, 유사한 세포집단이 모여 조직을 이루며, 상피조직, 결합조직, 근육조직, 신경조직의 네 종류로 구분된다. 넷째, 둘 이상의 조직으로 구성되어 특수한 기능을 수행하는 것이 기관이다. 마지막으로, 유사한 또는 관련된 기능을 하는 기관이 모여 한 가지 목적을 수행하는 것이 계통이다. 이와 같이 인체는 화학수준, 세포, 조직, 기관, 계통의 단계를 거쳐 구조적으로 특징지어진다"고 할 수 있다.
1.4. 항상성
항상성은 인체에 의해 유지되는 비교적 일정한 내부상태로, "항상 같게 유지된다"는 의미를 가지고 있다. 인체의 내환경이나 외부환경의 변화에도 불구하고 비교적 일정한 내환경 상태를 유지하는 것을 의미한다.
항상성은 정체된 것이 아니라 들어오고 나가는 물질의 균형이 맞추어지는 역동적 항정상태이다. 이는 음성되먹임기전과 양성되먹임기전을 통해 이루어진다.
음성되먹임기전은 만일 항상성이 유지되지 못하여 정상에서 이탈된 경우 이를 교정하여 정상으로 회복하려는 움직임이다. 반면 양성되먹임기전은 항상성이 유지되도록 하는 음성되먹임기전과 달리 변화를 증폭시키거나 가속화하는 작용을 한다.
이처럼 인체는 환경의 변화에도 불구하고 생리학적 지표들을 일정한 상태로 유지하고자 하는 항상성 기전을 가지고 있다. 이러한 항상성 조절은 항상성을 유지하거나 회복하는데 핵심적인 역할을 한다.
2. 세포의 구조와 기능
2.1. 세포의 구조
세포(cell)는 인체의 구조적·기능적 기본 단위로서, 인체 각 부분의 세포는 그 구조와 기능에 따라 모양과 구성 성분, 크기 등이 다양하다. 세포의 구조는 크게 세포막(cell membrane), 세포질(cytoplasm), 그리고 핵(nucleus)으로 구성된다.
세포막(cell membrane)은 형질막이라고도 하며, 세포질을 둘러싸며 세포의 경계를 이루고 세포내·외 물질이동을 조절하는 선택적 투과막이다. 세포막은 선택적 투과성이 있어 물질이 자유롭게 통과하지 못하도록 조절한다.
세포질(cytoplasm)은 세포를 둘러싸는 세포막 내부에 존재하는 물질 중 핵을 제외한 모든 부분을 지칭하는 용어이다. 세포질은 크게 세포골격, 세포소기관, 세포포함물로 나눌 수 있다.
세포골격은 세포와 세포의 성분을 구조적으로 지지하는 특정한 단백질로 구성되어 있으며, 물리적으로 움직이는 세포와 세포액 내의 세포소기관과 분자의 움직임도 가능하도록 한다. 세포골격은 미세섬유, 중간섬유, 미세관으로 구성된다.
세포소기관은 미토콘드리아, 리보솜, 내형질세망, 골지복합체, 용해소체, 과산화소체, 중심체, 섬모와 편모 등이 있다. 미토콘드리아는 ATP를 생성하며 산소호흡 과정을 담당하고, 리보솜은 단백질을 합성한다. 내형질세망은 생체 분자의 합성, 저장 및 수송에 관여하고, 골지복합체는 단백질 합성의 마지막 단계에서 탄수화물과 단백질의 배열을 결정하여 당단백질 합성을 담당한다. 용해소체는 단백질, 핵산, 탄수화물, 인지질 및 기타 물질들을 파괴하고, 과산화소체는 산화작용에 이용된다. 중심체는 미세관의 생성과 분해를 조정하며, 섬모와 편모는 세포막의 돌출구조 형성에 중요한 역할을 한다.
세포포함물은 저장된 영양소, 분비과립, 색소 등이 있다.
핵(nucleus)은 세포 중심 가까이에 있는 가장 큰 세포소기관이다. 핵막이라 불리는 두 층의 막으로 싸여 있으며, 핵소체는 DNA로부터 rRNA가 만들어지고 리보솜 하부단위가 생성되는 곳이다.
2.2. 단백질 합성
DNA는 아데닌(adenine)-티민(thymine), 구아닌(guanine)-시토신(cytosine)으로 이루어진 이중나선 구조로, 유전 정보를 저장하고 있다. RNA는 아데닌-티민 대신 아데닌-유라실(uracil)로 구성되며, DNA의 유전 정보를 전사하여 단백질 합성의 주형으로 사용된다.
단백질 합성은 DNA에 저장된 유전 정보를 바탕으로 이루어지며, 전사와 해독의 두 과정으로 구분된다. 먼저 전사 과정에서는 DNA의 유전 정보가 mRNA에 복사되고, 이어서 해독 과정에서는 mRNA의 정보가 tRNA를 매개로 하여 아미노산 서열로 번역된다.
전사 과정은 DNA로부터 mRNA로의 유전 정보 전달 과정이다. DNA 이중나선의 한 가닥에서 RNA 중합효소가 작용하여 상보적인 mRNA가 합성된다. 이때 DNA의 아데닌은 uracil로, 구아닌은 cytosine으로 대응된다. 전사가 완료되면 mRNA는 핵 밖으로 이동하여 단백질 합성에 이용된다.
해독 과정은 mRNA의 정보를 토대로 tRNA를 매개로 하여 아미노산 서열을 합성하는 과정이다. 리보솜이라는 세포소기관에서 이루어지며, mRNA의 코돈(3개의 염기로 구성된 유전 암호)에 상보적인 anticodon을 가진 tRNA가 결합하여 아미노산을 연결한다. 이 과정이 반복되면서 폴리펩티드 사슬이 생성되고, 최종적으로 접힘과 가공을 거쳐 기능적인 단백질로 완성된다.
단백질 합성은 유전 정보의 발현 과정으로, 유전자의 지시에 따라 특정 아미노산 서열을 가진 단백질이 합성되는...
