항상성
항정상태
신체조절
운동은 외부의 스트레스
인체내부의 환경은 어떻게 조절되는가?
인류의 선배 탐구자들에게 깊은 존경과 감사를 보내며
chapter 2. control of the internal environment. 인체내부의 환경조절
운동, 열, 추위, 단식등과 같은 여러가지 스트레스에도 불구하고 인체가 내부환경을 계속적으로 유지하려는 사실은 우연한 결과가 아니라 복잡하고 많은 조절체계에 의한 결과. 조절기전은 운동 생리학 분야에 있어서 내부환경을 유지하는데 중요한 역할을 하고 있으며 간단한 조절이론으로 인체의 기능을 실험할 수 있음.
항상성(Homeostasis) : 역동적 안정성
항상성이라는 용어는 1932년 월터 캐년에 의해서 만들어졌으며 내부환경의 불변성 또는 계속되는 유지라고 정의하고 있음.
항정상태는 반드시 내부환경이 정상적인 상태라는 것을 의미하지는 않으며 단지 변하지 않는 일정한 상태를 말함. 이는 신체의 요구와 이러한 요구에 따른 신체반응이 균형을 이루고 있다는 뜻임.
submaximal 운동 40분 후 체온이 일정한 상태에 도달하는 항정상태(steady state)
이러한 신체내부 온도의 정체현상은 항정상태를 의미하지만, 안정시 체온보다는 높으므로 항상성 상태는 아님.
Homeostasis is defined as the maintenance of a constant or unchanging “normal” internal environment during unstressed conditions.
The term steady state is also defined as a constant internal environment, but this does not necessarily mean that the internal environment is at rest and normal. When the body is in a steady state, a balance has been achieved between the demands placed on the body and the body's response to those demands.
신체조절체계(control systems of the body)
신체는 수백개의 다양한 조절체계를 가지고 있으며 이러한 조절체계의 전체적인 목적은 생리적 변인들을조절하고 일정하게 유지하는 것. 조절체계의 복잡한 현상은 대부분 세포내에서 이루어지며, 단백질 합성과 분해, 에너지 생산과 영양소의 적정량 유지 등의 세포활동을 조절함. 따라서 신체의 모든 기관은 항상성을 유지하기 위해 작용함.
생물학적 조절체계 3가지 요소
1) 감각기 또는 수용기
2) 반응을 통합하는 조절센터
3) 원하는 효과를 생성하는 기관들인 효과기
negative feedback
대부분의 신체 조절체계는 negative feedback을 이용하는데, 대표적인 사례는 세포외액의 CO2농도와 관련된 호흡계 조절임. 세포외액의 CO2가 정상보다 높으면 수용기를 자극하고 이러한 정보는 통합센터인 호흡조절중추로 보내져 호흡을 증가시킴. 효과기 역할을 하는 호흡근육은 호흡을 증가시켜 세포외액의 CO2를 정상으로 낮추어 항상성을 유지함.
positive feedback
대표적인 사례가 출산. 아기의 머리가 자궁하부로 이동할때 증가한 압력은 자궁경부의 감각수용기를 자극함. 뇌하수체에서 옥시토신 분비, 옥시토신은 자궁으로 전달되어 수축을 더욱 활성화하여 출산이 용이하도록 함.
항상성 조절의 예
1) 체온조절
2) 혈당조절
운동 : 항상성 조절의 예
운동은 다양한 항상성 요인들을 변화시킴으로써 인체의 항상성 조절능력을 가장 효과적으로 검사하는 역할을 함. 예를들어 고강도 운동시 골격근은 많은 양의 젖산을 생산하며 이는 세포 내외의 산도를 증가시키는 원인이 됨. 이러한 산도의 증가는 신체의 기본적인 조절체계에 심각한 위협을 초래함. 더구나 고강도 운동은 근육의 산소요구량을 증가시켜 많은 양의 이산화탄소를 발생시킴. 이러한 변화는 심폐체계의호흡과 혈액순환을 증가시키고 활동근육에 산소전달을 증가시키며 대사적으로 발생한 이산화탄소를 제거함.
항상성 장애가 심각하면 피로가 쌓이고 결국에는 운동을 중단해야 함.
운동은 세포적응을 통하여 항상성을 유지
적응이라는 단어는 외부 스트레스를 계속적으로 받게 되면 항상성을 유지하는 능력이 향상됨에 따라 세포나 기관계의 기능이나 구조가 바뀌게 된다는 것을 의미함. 세포능력은 고정된 것이 아니며, 특정 스트레스에 오랫동안 노출되면 향상될 수 있음. (예 규칙적인 운동).
규칙적인 운동은 운동의 스트레승 중에 항상성을 보존할 수 있도록 능력을 향상시키는 세포적 변화를 촉진시킴. 이러한 항상성을 유지하기 위한 세포와 기관계의 향상된 능력은 세포신호기전으로 인해 발생함.세포신호라는 단어는 세포와 세포간을 조직화하는 세포활동 사이의 커뮤니케이션 시스템을 뜻함. 내부환경의 변화를 감지하고 변화에 대하여 알맞게 반응할 수 있는 세포의 능력은 항상성을 보존하는데 꼭 필요함. 다양한 세포신호 기전이 신체의 여러가지 기능과 조직화하는 것은 그리 놀라운 일이 아님.
5개의 세포기전(cell signaling)
1) intracrine signaling
특정 세포반응을 일으키는 같은 세포안에서 신호전달을 야기하는 화학전달체가 세포에서 생산되면서 신호가 발생함. 운동할때 골격근의 적응과 연관된 세포신호 기전이 대표적인 사례임.
2) juxtacrine signaling
어떤 세포들은 세포끼리 직접 교류함. 두세포막을 연결하는 작은 교차점을 통해 한 세포의 세포질이 다른 세포의 세포질과 접촉함. 이러한 세포신호를 justracrine 신호기전이라고 함. 심장수축이 효율적으로 부드럽게 발생하기 위하여 하나의 심장세포가 다른 세포에게 수축하기 위해 직접 신호를 보내는 방법.
3) autocrine signaling
자가분비신호는 세포가 화학전달체를 생성하여 세포외액으로 신호를 내보내고 다시 그 신호를 받아들일때 발생함. 저항운동중에 근육세포의 자가분비신호는 핵안의 DNA가 근육세포의 크기를 증가시키는 수축성 단백질을 더 많이 생성하게 만듬.
4) paracine signaling
일부 세포들은 통합된 반응을 일으키기 위해 세포근처에서 서로가 조직적으로 행동할 수 있도록 신호를 생성함. 면역세포가 감염이나 부상으로부터 신체를 보호하기 위하여 협조된 공격을 시행할때 어떻게 서로가 교류했는지에 대해여 배울 수 있을 것임. 시냅스 신호는 신경계에서 발생하는 측분비 신호전달의 또 다른 종류임.
5) endocrine signaling
어떤 세포들은 화학적 신호(호르몬)를 방출하고 이러한 호르몬은 신체 전체로 퍼져 나가 효과를 나타냄.이 호르몬에 반응하는 세포들인 이 호르몬만이 받아들 일 수 있는 유일한 특정 수용체에 제한됨. 이를 내분비 신호라고 함.
세포 항상성 조절을 위한 스트레스 단백질의 역할
세포의 항상성 장애는 세포가 특정물질에 대항하는 능력을 벗어나는 스트레스에 직면할때 발생함. 따라서 세포가 조절체계를 사용하여 항상성 장애요인과 대항하여 싸우는 것을 "세포의 스트레스 반응"이라고함. 이는 세포내의 생리적 조절체계로 스트레스를 방어하기 위한 단백질을 만들어 항상성 장애요인과 전쟁을 치름. 세포의 스트레스 조절체계와 항상성 장애요인이 대앙하는 과정은 다음과 같음.
단백질은 세포내 항상성을 유지하는 중요한 요소로서 화학적 작용을 촉진시키는 효소기능과 세포간에 중요 물질들을 이동시키는 역할을 함. 고열, 낮은 수소이온 농도, 자유라디칼과 같은 스트레스로 인하여 세포단백질이 손상되면 항상성 장애를 일으키며, 이러한 장애요인을 제거하기 위해 세포는 방어 단백질을 원상복귀시켜 항상성을 유지함으로써 세포를 보호함.
heat shock protein
스트레스 단백질 중 가장 중요한 것은 열충격단백질임. 훈련된 골격근안에서 운동으로 인하여 열충격 단백질이 엄청나게 증가한다는 것은 널리 알려져 있음. 합성이 진행된 후 열충격 단백질은 손상된 단백질을 수리하고 항상성을 회복시키면서 세포를 보호함.