생리학 physiology의 개념
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- 자연 physio(nature) + 학문 logy(science)
자연의 성질이나 기능을 연구하는 학문
- 연구대상에 따라 → 사람human,
식물plant · 동물animal,
미생물(세균bacterial, 바이러스viral)
- 연구 조직 · 기관에 따라 → 신경neuro, 근육myo, 뇌cranial 생리학
- 기능에 따라 → 호흡, 감각, 운동생리학
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- 사람(인체) 생리학
(인체 현상의 원리와 조절작용 → 항상성 유지 기전 mechanism이해하는 학문)
· 기능적 공통부분 특성 연구 → 일반general 생리학
· 세포특성 연구 → 세포cellular생리학
· 기관별 기능 연구 → 기관organic(뇌, 심장, 간, 신장)생리학
- 생리학과 관련 분야
원자 + 분자 → 화학
분자 + 세포 → 분자생물학
세포 + 조직 → 세포생물학
분자 + 세포 + 조직 + 기관 + 기관계 + 개체 + 한 종의 군집 → 생리학
개체 + 한종의 군집 + 여러가지 종의 생태계 + 생물권 → 생태학
- 선행 학문 → 물리학, 화학, 해부학
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*"내부환경은 (외부환경의 변화에도 불구하고) 놀라울 정도의 불변성을 유지한다"
근대 생리학의 아버지 프랑스 생리학자 베르나르Claude Bernard 1813-1878
생명체의 특성(생명유지) - 고등동물 세포수, 기능 세분화 ↑
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- 성장 growth · 세포의 수 증가,
· 세포 크기 커짐 · 분화 - differentiation 세포기능의 특수화,
· 자기수선
- 움직임 movement · 체내 움직임 - 음식물 소화, 혈액 흐름, 호흡, 근육의 긴장
· 활력징후vital sign(대사활동 징후)
체온 - 36,5도℃
혈압 - 수축기 90 - 140, 이완기 60 - 90mmHg
고혈압 수축기 150 ↑
저혈압 수축기 90 ↓, 이완기 60 ↓
맥박 - 72회(60 - 100회 / 분),
호흡 - 15 - 20회 / 분 - 마시고 내뱉기
· 체외 움직임 - 이동(동물 / 식물), 일부 위치 변화
- 대사 metabolism 물질의 체내 분해와 합성
→ 에너지 + 열 + 부산물(물리적, 화학적 반응)
- 생식 repeoduction 자신 유전자 후세에 전달
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- 기초대사량 → 생물체가 생명유지에 필요한 최소한의 에너지량 - 무의식적인 생리작용
(30세 정도부터 쇠퇴 - 체력저하 동반)
한국 성인 남성 약 1,500kcal, 여성 1,200kcal(골밀도와 근육량 차이)
기초대사량 ↑ → 에너지소비량 ↑ (운동), 근육량 ↑ (단백질 충분섭취 필요)
총 소모 대사량 / 일 = 기초대사량 + 활동 대사량 (미플린 공식에 의해 추정)
항상성homoeostasis
- 외부자극 수용 + 반응(동적), 외부환경 변화 - 몸 상태 일정 유지
- 동적불변성dynamic constancy(한계점 위와 아래에서 안정화)
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1. 항상성 조절기전
· 신경 / 호르몬(신호전달 물질) → 신체기능 조절
· 체액 수송(확산, 여과, 삼투압, 능동 운반)
· 외부물질 흡입(음식물, 산소 등) / 대사(체내 흡수) / 배설
· 배출(이산화탄소, 땀, 소변, 대변 ← 대사산물)
· 생식에 의한 조절
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2. 움직임 기전(음성되먹임기전, 양성되먹임기전, 반사)
1) 음성되먹임기전negative feedback mechanism - 일반적인 항상성 조절
· 감각기sensor → 조절 중추 → 효과기effector (반사궁 reflex arc)
· 체온 조절기전
체온감소(피부혈류량감소, 떨림)
→체온조절중추(시상하부37˚) → 체온상승(체열저장, 열생산증가)
체온상승 → 체온조절중추→ (피부혈류량증가, 땀 분비)
→ 피부온도 ↓, 체온 하강(정상체온)
· 인슐린insulin 분비와 혈중 포도당 glucose 농도(75-110 mg / 100ml)
식사(탄수화물 → 소장 흡수 → 간 (다듬어 혈액 내 분비)
→ 혈중 포도당증가 - 당 ↑
→ 인슐린(이자pancreas-랑게한스섬 분비) - 혈관내분비(혈중 포도당 세포 이동저장)
→ 혈당 ↓ → (대응작용) 이자 글루카곤glucagon 분비
→ 간 자극 - 포도당 혈액내 분비
→ 혈중 포도당농도 ↑ → 정상 혈당 회복 · 유지
2) 양성되먹임기전positive feedback mechanism - 몇 가지 제한적 생리기능, 병적 상태
· 처음 자극 → 자극 강화 → 반응 유발
· 분만 과정 분만 수축(기계 + 화학적 - 호르몬 상호작용)
→ 추가 자극물질 분비(수축 강화) → 분만
자궁근육 수축 → 에스트로젠, 옥시토신, 프로스타글란딘 호르몬
· 지혈 과정 혈관 손상(화학신호물질 분비)
→ 지혈기전 시작 → 지혈(혈액응고 패치 형성) 완성
3) 반사reflex (좁은의미)
· 특정 자극에 대해 특이한, 불수의적인, 계획되지 않은, 학습되지 않은 짜맞춘 반응
· 뜨거운 물체 손떼기, 물체 갑자기 얼굴에 날아오면 눈감기
· 학습반사(습득반사)
→ 학습과 연습 - 무의식적 복잡한 행동(숙련 운전자의 자동적, 계획되지 않은 행동)
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4) 항상성에 관련된 과정
- 적응adaptation 유전적인 생물학적 적응 → 특정한 환경에서의 생존에 유리한 특성
- 순응acclimatization 항상성 시스템의 향상된 기능 형태의 적응(땀에 의한 체온조절의 정도)
- 생체리듬의 주기 변화 → 하루 주기 리듬 circadian rhythm
· 내재 리듬대로 자유진행 → 수면, 혈중 호르몬 농도, 배설 등 (환경변화하면 변경)
· 실내등 점등 - 체온↑, 소등 - 체온↓(가장 효율적, 즉각작동위해 - 대사작용의 체온 의존)
- 체내 화학물질의 항상성에 따른 균형
· (체외 획득 + 체내 합성) → (풀pool + 저장고, 가역적 합병) → (체내 손실 = 대사 + 배설)
· Ca2+균형 음식 흡수(장) → 뼛속 → 체외 배출 량의 균형(소변 콩팥)
유아기(어린이) Ca2+균형 (양성) → 풀이 커짐 → Ca2+ 생장하는 뼈에 축적
폐경 이후 Ca2+균형 (음성) → 풀 작아짐
→ Ca2+ (뼈 축적보다) 소변 배출 ↑ (손실속도>획득량)
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생리학에 이용되는 단위
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1. 기본단위
1) 길이length meter m
- micrometer 10 -6 m = 1㎛
- nanometer 10 -9 m = 1㎚
- angstrom (Å) 10 -10 m = 0.1 ㎚
2) 면적area m × m = m2
부피volume m × m × m = m3
- 1L = 1,000mL
- 1mL = 1cm3 = 1cc
3) 힘과 압력pressure단위
- 1mmHg = 1torr = 1.33.3Pa + 0.133kPa
- 1bar = 100kPa
4) 질량 kilogram kg
- 물질의 양quantity = gram, gram 분자량, mole(mol)
- 농도 concentration 질량/용적=g/L 양/용적 mol/L = M
- 1ppm = 1part/million parts
5) 시간 seconds s
6) 전류 current (시간당 한 지점을 지나가는 전자의 수) ampere A
전압 volt V (전압차 있어야 전류 흐름)
저항 resistance (전류흐름) ohm Ω
7) 온도 temperature Kelvin K
- 섭씨 ℃ = K - 273.15(절대온도 0˚)
- 섭씨온도Celsius / 화씨Fahrenheit 환산 ℃=5/9(˚F - 32) ˚F=(9/5) ℃ +32
8) 광도 candela cd
9) 물질의 양 mole mol
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2. 용액(용매 = 물 + 용질) 특성
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- 아보가드로법칙Avogadro's low
· 표준상태 온도, 압력에서 동일 용적의 기체나 액체는 동일한 수의 분자로 구성된다
· 아보가드로수 (물질 1 mol 표준상태에서 → 용적 22.4L → 분자수 6.02 × 10 23)
1 mole NaCl = 58g(1 mol 물질은 gram으로 표시하면 그물질의 분자량과 같다)
- 용액의 속일성(총괄성)colligative properties
· 용액은 용질의 화학적 특성과 상관없이 용질의 수(농도)에 의해 변화한다
(용질 농도 증가 → 용액 증기압 ↓, 끓는점(비등점) ↑, 빙점(어는점) ↓, 삼투압 ↑)
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3. 산acid과 염기base (인체 → 평형)
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- 산acid
수소이온(H+)의 량 → 산성도 결정 신맛, 리트머스시험지 붉은색 변화
- 염기base
수산이온(OH-, 수소이온과 결합)의 량 → 미끄러운 쓴맛
- 중화
산(수소이온H+) + 염기(수산이온OH-) 결합 = 물(H2O)
산(HCl) + 염기(NaOH) → 소금(NaCl) + 물H2O
- pH 지수pH scale
· 용액에 수소이온의 용해정도 측정단위( = 산성 · 알카리성의 정도 나타내는 척도)
· 0 - 14( 7 중간 - 산 염기 농도 동일)
· 7 순수한 물(H+, OH- 농도 동일).
소변 5.8-8.0. 위 내용물 1- 4.
혈액 7.35 - 7.45. 장 내용물 8 - 10
· 수소이온 농도의 변화
1 단위 변화 (7 → 6) = 수소이온 10배 변화,
2 단위 변화 (7 → 5) = 수소이온 100배 변화
· 낮은 숫자 = 산성(6 ↓ - 수소 H+이온 ↑ (염기 이온 대비),
염산HCl (0, 위에서 분비, (화학적) 분자구조 마구잡이 자름, 오염물질 분해)
위 내용물(1 - 4), 소변(5 - 8)
· 높은 숫자 = 염기성(알칼리성) 8 ↑ - 염기 OH-이온 ↑ (수소이온 대비)
수산화나트륨NaOH (14)
장 내용물(8 - 10, 쓸개즙, 이자즙 첨가 → 내용물 부패 · 발효 방지,
(효소적) 분자 구조 분해 - 흡수 위해
혈액(7.35 - 7.45)
산증( < 7.35)
알칼리증( > 7.45) - 호흡성, 대사성. 효소작용에 영향)
- 콜라 pH 2.8(인산, 구연산) + 설탕 18%
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몸의 구성 원소(element - 화학적으로 가장 작은 물질)
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1) 4 원소(CHON)
- 탄소(C) - 모든 유기분자 구성요소
- 수소(H) - 원자수 비 62% 가장 많음
- 산소(O) - 무게비 65% 가장 많음
- 질소(N) - 단백질, 핵산 기타 유기화합물 구성물질
- 3대 영양소의 4원소 구성
탄수화물, 지방 →C + H + O, 단백질 → C + H + O + N
2) 미량원소
- Ca → 뼈 · 치아 구성, 근육 수축, 혈액응고, 호르몬 생산 관여
- K, Na → 신경전도와 근육수축,
- Fe → (호흡) 산소 수송 관여 (헤모글로빈 구성)
- Mg → 효소, 보조인자 성분
- 요오드(I) → 갑상샘 호르몬 성분(해조류 많이 함유)
3) 물(체중의 60 - 70%) (마심, 음식물, 체내 대사)
- 체내 화학반응에 필요 (고분자 분해 - 가수분해효소 공유결합 분해 → 운반, 흡수 가능해짐)
- 체온 일정 유지(정온동물 ↔ 변온동물)
· 비열 ↑, 기화열 ↑ ← 수소결합 때문,
· 외기온도↑ ↓ 온도 변화 적응 = 생명체 보호
- 수소결합(응집력 ↑, 표면장력 ↑) → 고체 (얼음 수소결합 견고, 결정구조 → 비중 ↓ - 물에 뜸)
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4) 인체 구성 고분자(탄수화물, 지질, 단백질, 핵산 분자량 10,000개↑)
- 탄수화물carbohydrate (C+H+O, CH2O)n
에너지 근원(4Kcal) → 시동 에너지, 지질 에너지 대사의 (소량으로) 촉진작용
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· 단mono당류 - 가장 작은 형태 (탄소 3개 = 3탄당, 4개 = 4탄당, 5개 5탄당, 6개 6탄당)
6탄당 - 포도당glucose, 과당fructose, 갈락토오스galactose
포도당glucose(6탄당) - (인체 흡수 단위) 세포 에너지 자원, 탄수화물 대사물질
· 이di당류 - 단당류 + 단당류
엿당maltose(맥아당) (포도당 + 포도당),
설탕sucrose(자당) (포도당 + 과당),
젖당lactose(유당) (포도당 + 갈락토오스galactose)
· 다poly당류(단당류 + + + n.) 자연속의 탄수화물 존재 상태
식물세포 → 녹말(전분),
동물세포 → 글리코겐glycogen
셀룰로오스cellulose → 가장 흔한, 식물 세포벽 구성, 인체 소화기관 흡수 ×
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· 당단백질 → 당 + 단백질 결합(특수기능)
· 당지질 → 당 + 지질 결합 (특수기능)
- 지질lipid (상온 고체 = 지방fat, 상온 액체 = 기름oil, C+H+O(O 아주 적음) 3종
에너지 근원(9Kcal) → 인체 가동(운전) 에너지, 남는 에너지 비축물
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· 지방산fatty acid(한쪽 끝에 카르복실산 (-COOH, 친수성) 붙어있는 비극성 탄화수소 화합물)
포화지방saturated fat(각 탄소원자 - 2개 수소원자와 단일 공유결합)
융점 ↑, 실온에서 고체, 반고체, 주로 동물성 지방
포화지방 함량 유채6%, 팜유51%, 쇠고기지방52%, 버터66%, 코코넛오일77%
바람직한 일일 섭취량 총지방 30% 이하, 포화지방 10% 미만 ← (동맥경화 유발)
불포화지방unsaturated fat(포화지방 + 탄화수소 간 이중결합 어쩌다 있음)
융점 ↓, 상온 액체(올리브유, 콩기름) - 식물성 지방
트랜스지방 → 식물 지방 + 수소첨가 = 고체(저장성 ↑, 수송 편리) - (팜유) 튀김, 제빵
LDL 콜레스테롤 ↑, 심장동맥질환 위험 ↑
미국 FDA - 모든 트랜스지방 함량 표기 규정(침묵의 살인자 - 비만)
· 글리세롤glycerol(수산기) 포함 지질(글리세롤 화합물)
글리세롤(지방산 + 수산기 -OH 3개 함유)
과잉 탄수화물 + 단백질 섭취
→ 지방산(트리아실글리세롤 triacylglycerol) 전환 저장
당뇨, 단식
→ 지방 급속 분해(탄수화물 부족시 당으로 전환시켜 에너지용으로 사용)
(지방분해 중간대사산물) 혈액내 케톤체 증가 - pH 감소
→ 케톤산증 ketoacidosis - 혈액 산성화
인지질(지방산 분자 2개 + 글리세롤 + 인산기)
극성(친수성), 비극성(소수성) 이중성
→ 세포막 형성 성질, 표면장력 ↓ - 허파꽈리 세포벽
· 비 글리세롤 지질(글리세롤 불포함 지질)
스테로이드 steroid (6탄소 환상구조 3개 + 5탄소 환상구조 1)
비극성 불용성(지질 분류 이유)
알도스테론aldosterone(부신겉질 H.) 구성성분
콜레스테롤cholesterol(생식샘, 부신겉질 스테로이드성 H 합성 전구물질 역할) 성분
코티솔cortisol, 에스트로겐estrogen, 테스토스테론testosterone
프로스타글란딘prostaglandin(고리모양 탄화수소 - 생체기능 조절 담당)
거의 모든 조직에서 생성 ( 전립샘prostate gland에서 최초 분리)
역할 - 민무늬 근육 수축, 배란, 혈액응고 연관
- 염증반응 전달
(아스피린 - 프로스타글란딘 합성 억제 → 발열 ↓, 염증 ↓, 진통 ↓)
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내장지방 ↑ 합병증
1. 인슐린 저항성 ↑
(인슐린 호르몬이 제대로 작용하지 못하는 상태 = 인체 인슐린 수치 ↑ → 공복감)
2. LDL · 중성지방 ↑, HDL ↓ → 고지혈증 → 혈압 ↑, 심근경색, 뇌졸중의 원인
3. 암 발생 원인 → (비만세포) 아드포카인(만성염증물질 - 세포변성, 유전자변형) 혈중 분비
→ 간 · 신장 · 대장 · 이자 · 유방 · 자궁내막 · 난소암
- 단백질protein C+H+O+N
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· 아미노기(-NH2), 카르복실기(-COOH) 함유, 20여 종
protein(peptide 사슬 100개 ↑ 고분자)
→ peptide → amino acid(aa) - 인체 흡수
· 성인 필수 aa(체내 합성 × → 섭취 필요. 8)
리신lysine, 트립토판tryptophan, 페닐알라닌phenylalanine,
트레오닌threonine, 발린valine, 메티오닌methionine,
류신leucine, 이소류신isoleucine
· 어린이 필수 aa(10) 성인 필수 aa + 아르기닌argine, 히스티딘histidine
· 단백질 구조(1차구조 - 단순단백질) → 2차구조 → 3차구조 → 4차구조 (고분자 단백질)
1차 구조 (aa 서열) 이웃 아미노산과 펩티드 결합(사슬구조)
(아미노-N 말단 - 사슬 시작, 카르복실 - C 말단 끝)
2차 구조 (사슬 규칙적으로 감기거나 꺾임 - 알파 나선구조, 베타 병풍 구조 - ∵ 수소결합)
3차 구조 겹치고 굽어져 입체구조 - 구형(대부분 약한 결합 - 열, pH 변화 - 쉽게 변성)
4차 구조 (구형 2개 이상의 사슬구조 - 생물학적 활성 단백질 역할 수준)
혈색소hemoglobin Fe - 산소 결합, 운반 → 574개 aa(4개 펩티드 사슬)
미오글로빈 - 산소 저장(근육)
1개 aa 순서 바뀌어도 정상 작용 ×
· 영양소로서의 단백질 절약작용
· 낫 적혈구 빈혈 sickle cell anemia( = herrick's anemia 흑인 유전질환)
(산소민감) 산소 ↓ - 적혈구 낫처럼 꼬임, 파괴 → 모세혈관 막음
(베타 사슬에서 N 말단 6번째 aa - 글루탐산 → 발린 valine으로 치환 ← 발병)
말라리아 저항력 ↑ = 적혈구 파괴 - (적혈구 속) 말라리아 기생충 파괴
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