공학도를 위한 생리학 강의노트 – 2 Introduction to human physiology

(1)

공학도를 위한 생리학

강의노트 – 2

(2)

[ 2 ]

KNU

Kangwon National

University Biosystems Engineering Lab

• 생리학이란 생물체 의 기능과 그 조절 기전을 연구하는 학문

생리학이란 ?

(3)

生理學 (life logic study)

Scientific study of the normal functions and

phenomena of living things (Oxford English Dictionary)

• Basis of understanding abnormal function (Pathology) and drug action (Pharmacology)

• For understanding pathophysiology of diseases

• For the future development of diagnosis &

treatment of diseases

PHYSIOLOGY (생리학)

(4)

[ 4 ]

KNU

(5)

• 해부학적으로 보이는 주요 장기들을 나누고 구획화하여 이에 따른 독립적 진료 분야를 구축함.

- 해부학적 장기 중심의 진료체제

- 장기들 간의 유기적 연관성에 대한 고려가 부족함

• 통계적 유의성을 갖는 데이터중심의 진료/치료 개념을 도입한 증거주의 의학(evidence based medicine) 체계.

- 새로운 진단방법이나 치료술이 반드시 거쳐야 하는 과정

- 통계적으로 신빙성이 있는 데이터를 산출할 수 있는 방법만을 인정하여 부작용을 최소화

- 평균적인 사실만을 인정하여 개별 환자의 특성에 대한 고려가 매우 부족함

현대의학 진료체계의 특징

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[ 6 ]

KNU

• 만성다병증(multi-morbidity)

한 사람에게 비만/당뇨, 심장질환, 골절, 정신질환 등 여러 가지 만성 질 환들이 동시에 나타나는 경우를 지칭하며, 노인들에게서 매우 흔함

• 이런 환자들에 대한 현대 의학의 치료 방법은 매우 단순함.

1) 그 사람이 가진 각 질환들에 해당되는 진료분과 의사(심장내과, 정형 외과, 내분비내과, 정신과 등)를 만남

2) 각 분과의 치료지침에 의거한 독립적인 치료와 약 처방을 받음3) 이에 따라 환자는 여러 종류의 치료를 받고 많은 약들을 먹지만, 상호작용에 의한 부작용을 모두 파악하기는 매우 어려움.

4) 이러한 결과, 만성다병증 환자들에 대한 치료는 효과적이지 못할 뿐 아니라 경제적으로도 과도한 부담을 초래함. 실제로 미국의 경우, 65세 이상 인구의 2/3, 80세 이상 인구의 3/4이 다수의 건강문제를 가지고 있고 , 미국 메디케어 총지출의 68%가 5개 이상의 건강문제를 가진 환자들에 게 지출됨

현대의학 진료체계의 문제-만성다병증

한의학 또는 대체의학에 대한 관심 증대

 시스템적이고 전인전으로 생명현상을 보아야 할 필요성 증대

 인체 생리를 시스템적 관점에서 학습할 필요성이 있음.

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• 의용공학의 기초적 학문

• 의료기기 설계, 고안 및 개발을 위한 배경지식

• 의학적 응용분야가 급격히 증대되고 있음 자동차 : 인체상해, Comfort설계

기계 : Man-machine interface

로봇공학 : 휴머노이드 로봇 설계의 기초학문 IT분야: IT융합의료기기

• 모든 학문분야의 경계가 허물어 지고 있는 융합과학 기술시대의 대표적 기초지식 분야

• 이공학자가 생리학을 알면 할 수 있는 일이 많아짐

왜 생리학을 배워야 하는가 ?

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[ 8 ]

KNU

생명체

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생명이란

“저엔트로피를 먹고 사는 존재”

1) “질서가 충만한(저엔트로피 상태)" 생명체의 경우 고도의 저엔트로피 상태에 있음

2) “엔트로피 증가”-열역학 2법칙

3) 저엔트로피 상태의 생명체를 유지를 위해 외부로부터의 저엔트로피 물질을 섭취 그 물질을 고엔트로피로 만드는 대신 자신의 저엔트로피를 유지

참고) 엔트로피 – 무질서도, 혼란도 등을 의미하는 열역학적 개념

Definition of Life (슈뢰딩거)

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A network of negative feedback system

subordinated to positive feedforward regulation !!!

Definition of Life (cybernetic)

The network characteristics

Hierarchical Interactive Purposeful

Reference:

Korzeniewski B. Cybernetic formulation of the definition of life. Journal of Theoretical Biology 2001 Apr 7;209(3):275-86.

Korzeniewski B. Confrontation of the cybernetic definition of a living individual with the real world. Acta Biotheor. 2005;53(1):1-28.

Cybernatics (사이버네틱스): 생물 및 기계를 포함하는 계(系)에서 제어와 통신문제를 종합적으로 연구하는 학문

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Control system

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• Negative feedback ?

• Positive feedforward ?

• 계층적/상호작용적 조절

• 생명과 진화

• 생명의 예 : 프리온? 암? 지능형 로봇?

• 생명현상의 복잡성 및 사회성

* Homepage 참조: 생명의 정의와 로봇 *

참고: 프리온(Prion)

단백질(Protein)과 비리온(Virion:바이러스 입자)의 합성 어로, 바이러스처럼 전염력을 가진 단백질 입자. 미국 UCSF의 Stanley B. Prusiner는 프리온이 광우병 뿐 아니 라 알츠하이머병 등에서도 주요한 역할을 한다는 것을 밝혀냈음(1997년 노벨 생리·의학상)

생명의 특성

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[ 14 ]

KNU

DNA

mRNA

단백질 세포

DNA 이중나선

염색체

효소 호르몬 모습 정신 행동

DNA world

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유전자 단백질

세포내 소기관 세포

조직

생명체 장기

チチチチチチチチチチチチチ

セカンドメッセンジャー

トランスポータ

クロスブリッジ

T管筋小胞体

RyR チャネル リークチャネル Ca ポンプ Na Ca

K Na

K

ATP Ca Na

ミトコンドリア

グルコース解糖系ピルビン酸クエン酸

回路 ATP ATP

酸化的リン酸化 PI PIP2 PIP ATP

ATP

ATP Ca

L型Ca チャネル

RNA

DNA mRNA

転写スプライシング翻訳核

P リン酸化酵素

ATP

생체기능의 계층성 및 복잡성

RNA

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[ 16 ]

KNU

생체기능

Muscle tissue Nerve tissue Epithelial tissue Connective tissue

Hunter, PJ and Borg, TK. Integration from proteins to organs: The

Physiome Project. Nature Reviews Molec & Cell Biol. 4:237-243, 2003

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• 1 m person

• 1 mm electrical length scale of cardiac tissue

•

1 µm

cardiac sarcomere spacing

• 1 nm pore diameter in a membrane protein

Range = 10

⁹

• 10⁹

s (70 yrs)

human lifetime

• 10⁶

s (10 days)

protein turnover

• 10³

s (1 hour)

digest food

• 1 s heart beat

• 1 ms ion channel HH gating

•

1 µs

Brownian motion

Range = 10

¹⁵

The spatial and temporal scales

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[ 18 ]

KNU

Anatomy of the body

Circulatory system Respiratory system

Musculo-skeletal system Skin (integument)

Digestive system Urinary system

Central nervous system Endocrine system

Lymphoid system

Male reproductive system

Female reproductive system

Special sense organs

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생체와 환경

• 생명현상을 이루는 모든 반응은 수용액에서 이루어짐

• 생체의 약 2/3는 물이며, 그 중 60%는 세포 속에 존재하며(세포내액-

intracellular fluid:ICF), 나머지는 세포 밖에 존재한다(세포외액, extracellular fluid: ECF). 세포외액은 다시

혈장(blood plasma, 20%)과

간질액(interstitial fluid: ISF, 80%)으로 나누어짐

• 세포내액: K+가 주된 양이온(cation), 단백질과 인산이 주된 음이온(anion)

• 세포외액은 세포와 세포 사이을

메워주는 용매 또는 세포와 외부환경을 연결하는 매체로 작용하며 Na+가

주양이온, Cl-가 주음이온 임

• 세포외액을 세포의 내환경이라 불렀음(옆의 그림 참조)

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[ 20 ]

KNU

생체와 환경-참고

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항상성(homeostasis)

◎ homeostasis

homeo(G.); like or similar stasis(G.); a condition

a relatively constant internal environment -신체의 모든 조절 과정들 간의 지속적인 상호작용을 통하여 형성되는 신체 내환경의 평형 상태(조건)

◎ Walter Cannon(1875-1945)

the tendency of organisms to maintain relative

stability of their internal conditions even in the face of continuous change in their outside world

외환경의 지속적인 변화에도 불구하고 생체가 내환경을 비교적 안정하게 유지하는 경향

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[ 22 ]

KNU

항상성 기전(homeostatic mechanism)

• 항상성기전이란 세포가 살기 위하여 온도, 삼투압, pH, 세포외액의 조성 등을 일정하게 유지하려는 기능임

• 항상성기전이 일어나기 위해서는 몇 가지 기구와 기전이 있어야 함

1) 특정한 변화를 인지할 감지기(detector)가 있어야 함-감각기관

2) 변화에 대응하여 반응하는

효과기(effector)가 있어야 함-근육, 분비선, 심장순환계, 호흡기, 신장, 소화기 등

3) 감지한 신호를 종합하여 효과기에

전달시키는 작용이 필요하며 이것은 신경계와 내분비계가 담당

• 신경계는 감지기와 효과기를 연결 조절하는 조직으로서 신속한 단기적 반응을 주관함

• 내분비계는 혈류를 통하여 표적세포, 조직, 기관에 정보를 전달하는 역할을 하며

시상하부-뇌하수체(hypothalamus-pituitary gland)를 통하여 신경의 지배를 받음

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[ 24 ]

KNU

항상성을 위한 제어시스템

Homeostatic Control System

• Feedback system - after change

• Feedforward regulation system : adaptation - at sensing change

Homeostatic Control System의 일반적 특징

• 내환경 변수들의 안정성은 input과 output의 균형으로 확보

• Negative feedback은 set point로의 회복에 기여

• Homeostatic control system은 완벽한 항상성을 유지하지 는 않음

• Set point는 새로이 reset 될 수 있음

• Homeostatic control system에 의해서 모든 것이 상대적인 항상성을 유지할 필요는 없음

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항상성을 위한 제어시스템

Reflex arc (반사궁)

자극(stimulus)에 의해서 감각수용기(receptors)에 생긴 흥분이 구심성 뉴런(afferent neuron)에

의해서 반사중추(central nerve system)에

전해지고, 그곳으로부터 원심성 뉴런(efferent neuron)에 의해서 실행기(effector)에

전해지기까지의 경로(pathway) 전체를 말하며, 그 결과 운동 ·긴장 ·분비 등이 일어난다.

Reflex arc

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[ 26 ]

KNU

체온조절을 위한 reflex회로

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• Cell membrane (세포막) –물질전달

– 다른 세포들로부터 오는 화학적 신호를 받음

• Nucleus (핵)

– genetic material (genes, DNA, chromosomes)들을 가짐 – 단백질합성을 위해 ribosomes 생산

• Cytoplasm (세포질)

– contains organelles, ribosomes, complex network of filaments, cytoskeleton, protein enzymes

• Endoplasmic reticulum (소포체) –단백질 합성

• Golgi apparatus (골기체)

–다른 소기관에 단백질을 전달하기 위해 정렬 및 포장

• Endocytotic vesicles (엔도사이토틱 소포) –내부에 있는 물질을 세포 밖으로 이동시킴

• Exocytotic vesicles (엑소사이토틱 소포) –소포 안으로 물질전달

• Lysosomes (리소좀)

–많은 가수분해효소함유

• Cytoskeleton

–단백질 섬유들의 배열로 구성

세포의 구조물

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모든 형태 세포의 공통적인 분자메커니즘

• 핵산에 유전정보를 저장함

• 화학반응을 촉진시키기 위한 단백질이 존재

• 리보솜에서 단백질 합성

• 에너지 통화로서 ATP를 사용함

• pumps, carriers, channel등을 포함하는 인지질

(30)

세포막

• Head is polar portion (친수성)

• Tail is nonpolar portion (소수성) 인지질분자로 구성

(phospholipid molecule)

• Incorporate the head within the water

• Eject the tail

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용질과 물의 이동기전

• Diffusion : The process for transporting oxygen and nutrients from capillary blood vessel to tissues cell

• Bulk flow : Pressure gradient

Contraction of the heart supply the pressure gradient to propel blood

Diffusion (확산) & Bulk flow

Osmosis (삼투) & Ionic current

• Osmotic flow is responsible for swelling

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세포막 단백질

• 수용체 (receptors)

• 효소 (enzymes)

• Transporters: pump(펌프), carrier(운반체),

ion channels(이온통로)

(33)

세포막을 통한 전달 기전

1. 용질이 막에서 용해되어 다른 쪽으로 전도되어 가는 경우. 그러나 대부분의 용질은 지질에

용해되지 않음 (지용성 물질 – Passive or downhill transport)

2. 2. Na+ 와 같은 작은 용질은 ion channel

(이온통로)를 통과함 (Passive transport – ion channel). glucose와 같은 큰 것은 촉진수송 (facilitated diffusion)을 통해 막을 통과함

3. 용질의 농도차이에 의해서 움직이는 경우 (Passive transport - carrier). 막 양쪽의 농도가 같아질 때 까지 용질이동이 일어남

4. 용질이 농도 경사에 거슬러서 일어나는 경우 (Active or uphill transport - Pump). ATP를 소비하여 역방향으로 용질을 이동시킴.

5. cotransport- 다른 용질의 농도차를 에너지로 하여

(34)

Ion channel (이온통로)

정의

Na+, K+, Cl-, Ca2+ 등 무기이온 운반 통로

 농도와 전기적 포테셜 구배에 따른 이온의 선택적 신속 확산 특징

- 고도의 이온 선택성: 특정이온만이 통과할 수 있음 - 통로의 개폐: 1/1000초 내에 개폐

- 최대 반응속도:10⁶ion/sec  운반단백질 보다 1000배 이상 종류

(1) 전압 감지형 통로 (voltage-gated channel: 전위차에 따른 통로개폐 (gating) (2) 리간드 감지형 통로 (ligand-gated channel): 신경전달물질 등 특이 조절분자 (3) 자극 감지형 통로 (stress-activated channel): 기계적 자극

(35)

Na-pump: Na-K ATPase

• 세포가 사용하는 에너지의 20-45%

• 3분자의 Na을 퍼내며, 2분자의 K 유입: electrogenic

• 포화현상을 보임: Km for [Na]i = 20 mM Km for [K]o = 2 mM

• 이온 분포의 유지: 막전압 발생에 가장 큰 역할을 하는 것은 이온

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촉진 수송

특징:

• Saturation kinetics

• Substrate specificity

- 포도당이나 아미노산: 지방용해도로 예측한 속도보다 빠르게 세포막 통과.

- 운반체가 low resistance pathway 만듬: carrier-mediated diffusion - 농도경사에 반하여 운반하지는 못함: downhill transport.

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Body Fluid Compartment

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확산, Diffusion

-농도경사 (concentration gradient, dc/dx)에 의한 물질 이동.

- downhill transport : 농도차이가 없어진 상태에서 평형.

(39)

Fick의 법칙

• J = -DA(dc/dx)

J: mole/sec, Flow (

cf

. Flux: 단위시간, 단위면적당 이동한 입자수)

dc/dx: 확산이 일어나는 물질의 농도 경사 A: 확산면적

D: 확산 계수(diffusion coefficient), cm²/sec -분자 크기가 크고, 용액의 점성이 클수록 작아짐.

-1cm²의 면적을 통하여 1mole/cm³/cm의 농도 경사가 있을 때 1초 동안 확산되는 분자의 몰수.

• 확산거리: σ(t) = 2Dt -- 시간의 제곱근에 비례; 거리가 짧을수록 빠른 확산

• 생명체의 지혜: 확산을 용이하게 하기 위한 장치.

(40)

K +

K + K + K + K +

K +

K⁺

세포막을 통한 이온의 이동: Selective permeability

K +

K + K + K + K +

K +

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^- Cl^-

Cl^-

Cl^- Cl^-

Q=CV

C=1µF/cm²으로 일정.

Em이 형성되는 데 필요한 전하량 Q를 계산할 수 있음.

K+

Cl^-

(41)

Electrochemical Equilibrium

• Electrical potential : zFE

• Chemical potential : RT ln[X]

z: 원자가

F: Faraday constant R: gas constant T: 절대온도

Electrochemical potential for ion X

⁺

W

_i

= RT ln [X]

_i

+ zE

_i

F

W

_o

= RT ln[X]

_o

+ zE

_o

F

At equilibrium, W

_i

= W

_o

RT ln [X]

_i

+ zE

_i

F = RT ln[X]

_o

+ zE

_o

F E

_m

= E

_i

- E

_o

= (RT/zF)ln [X]

_o

/ [X]

_i

Nernst equation

(42)

세포내외의 이온 농도

K

⁺

Na

⁺

Ca

²⁺

Cl

^-

HCO

₃^-

Pr

^-

PO

₄^-3

155 12

<0.0002 4

8 64 90

5 145

2 110

27 15

2 (in mM)

In Out

If membrane is selectively permeable to K

⁺

,

E

_m

= 61 log (5/155) = 61 x (–1.493) = -91 mV If membrane is selectively permeable to Na

⁺

E

_m

= 61 log (145/12) = 61 x 1.08 = +66 mV

실제 막전압

-60 ~ -90 mV

(43)

세포막을 통한 물의 이동: 삼투

• 물의 이동

1. lipid bilayer 통과: 속도 느림 2. Water channel

• Driving force

1. 정수압이 높은 곳에서 낮은 곳으로: filtration

2. 농도 경사: 용질 농도가 낮은 곳에서 높은 곳으로: osmosis

Semi-permeable membrane

hydrostatic osmotic

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삼투압, 삼투질 농도

• Osmotic pressure : ∆π= RT ∆C : van’t Hoff 식

- concentration과 activity의 차이 교정: activity coefficient, γ - 막의 투과 정도 보정: reflection coefficient, σ

(전혀 통과 못 할 때 1; 자유통과: 0)

Effective osmotic pressure: ∆π= σ RT γ ∆C

• Osmolarity, Osm : 1 Osm

– 22.4 기압의 삼투압을 나타낼 때의 용질 농도 - 비전해질의 경우는 몰농도 = 삼투질 농도

- 전해질의 경우 해리된 이온수와 해리 안된 용질 수를 합한 농도: 해리상수가 1 이라면 1 M NaCl은 2 Osm.

- isosmotic: 동일 삼투질 농도 (hyposmotic/hyperosmotic)

• Tonicity

- isotonic (등장성); 세포 volume에 변화 없는 농도

- 삼투질 농도는 동일하더라도 (isosmotic) 용질이 세포막에 대해 투과성이 있으 면 유효 삼투압은 작아짐-- 물 이동으로 세포부피 증가– hypotonic (저장성)

(45)

모세혈관벽:

- endothelial cell(혈관내피세포)의 단층으로 구성되어 있음.

-뇌를 제외한 대부분의 조직에서는 세포사이에 간격이 있어 크기가 작은 물질의 이동이 자유로움. (뇌: tight junction으로 blood-brain barrier)

혈장내:

-분자량 70,000 이상인 혈장단백질은 모세혈관벽을 통과 못하므로 삼투압 발생

모세혈관을 통한 물질이동

혈장단백질

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Starling의 가설

모세혈관에서의 용액 이동의 원동력: 정수압과 삼투압 동맥단: 정수압 > 삼투압: 여과

정맥단: 정수압 < 삼투압: 흡수

양쪽이 균형을 이룰 때, 간질액과 혈장이 일정한 volume유지됨.

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공학도를 위한 생리학 강의노트 – 2 Introduction to human physiology