Characteristics of "Living Systems“
A. Responsiveness
B. Movement
D. Growth
E. Differentiation
A. Metabolism
F. Reproduction
A major characteristic of living systems is irritability; the
capacity to react to changes in the environment, internal
or external.
The stimulus is the signal that provokes the response.
A 'living system' is used to refer to any of the various
structural/functional components of an organism.
Vitalism 生氣論
생명 현상은 물질의 기능 이상의 생명 원리에 의한다는 설
Popular at the time.
Vital force directed constant life.
Life was not amenable to scientific analysis.
Bernarde rejected vitalism:
Bernarde rejected vitalism:
1. Constancy: a result of regulatory processes.
2. Processes operate according to physiological principles that
can be analyzed.
3. Constancy is maintained by responding to factors that upset
constancy.
4. Maintenance of a stable steady state of the internal milieu is a
prerequisite for survival.
5. The regulating mechanisms of higher animals were developed
from simpler mechanisms through natural selection.
W. B. Cannon (1929) reintroduced Bernarde's theories, further developed the concept, and
coined the term
homeostasis. This embodied the principles put forth by Bernarde.
생리학의 목표는 무엇인가?
생명체의 근원, 발생, 변화에 대한 물리화학적 요인들을 설명함
생명체는 매우 다양하다, virus에서부터 큰 나무, 그리고 인간.
따라서 생리학에는 여러 분야가 있다.
-->viral, bacterial, cellular, plant, human physiologies
인체생리학에서는 뭘 공부하는가?
인체의 살아있는 특성들과 그 기전을 배움
인체는 자동체로 변화하는 환경에서 감각하고 인식하면서 생명을 유
지한다
예: 배고픔-->음식, 두려움-->안전을 찾음, 차거움-->따듯함, 만
남-->생식
Levels of Biological Organization
A. Chemical
B. Cellular
C. Tissue
D. Organ E. Organ System
F. Organismic
(G. Community)
[몸의 살아있는 기본단위로서 세포]
몸에는 100조의 세포가 있다.
각 기관은 다양한 세포들이 모여있으며 세포들 사이는 지지물로 되
어있다.
각 세포는 하나 또는 몇 가지 기능을 한다.
예를 들어 생체에는 적혈구가 25조 개가 있는데 폐로부터 조
직으로 산소를 운반한다.
similar specialized cells associate together--Tissues--4 types
a. epithelial: boundary, may be
absorptive
b. connective: strength, rigidity - fat,
bones, cartilage, blood
c. muscle: movement
d. nervous: rapid communication
세포들의 기본 특성들은 무엇인가?.
1) 탄수화물, 단백질, 지방의 대사-->에너지 생성
2) 화학작용의 마지막 산물은 세포외로 운반
3) 재생능력이 있다
A single cell easily obtains what it needs from the environment.
When a cell is surrounded by other cells (trillions) the opportunity to derive nutrients and
eliminate wastes is reduced--diffusion distances are greater.
In order for cells to grow in number and still remain together, a system for moving fluids
around the cells is required. The larger the mass of cells the more elaborate the system
required.
Development of system - in order for the cells of the
body to survive there must be:
Muscular System, Skeletal System,
Circulatory system -to circulate nutrients and waste
products. 16 days after fertilization blood begins to
circulate-embryo.
Neural system--rapid communication between
systems and control of the organism by the brain.
Immune System, Integumentary (skin) sytem
Respiratory system - The circulatory system cannot come
into direct contact with a dry environment, therefore, need
additional systems to interface circ. system with air. i.e.
lungs.
Gastrointestinal system -connect nutrient supply and
circulation.
Urinary system--allows organized evacuation of waste
products into environment.
Endocrine system--communication between systems and
control of the organism.
Reproductive system--allows perpetuation of the organism.
Physiology is concerned of the how these organisms
interact. (Prokaryotic Fission)
[세포외액-내적인 환경]
세포외액은 항상이동, 순
환, difussion
세포외액에는 ion과 영양
분(산소, glucose, amino
acids, 지방, 기타)이 있어
서 세포들이 살고,크고,특
정기능을 수행하게 하는
생체의 내적인 환경을 이
룬다.
세포외액과 세포내액의 차
이:
세포내액: K+, Mg++,
Phosphate등 이 많다.
세포외액: Na+, Cl-,
Bicarbonate, 영양분,
CO2, 세포배설물
Principle of "Homeostasis"
A. Living systems exist within limits of (for
example) heat, moisture, chemical composition,
etc. True for intact organisms and the individual
cells that make them up.
B. A large, multi-cellular organism expends much
effort (energy) to keep internal environment
relatively constant. That 'Constancy of Internal
Environment' is the condition of Homeostasis
C. Strategies for maintenance of homeostasis
세포외액 수송계-순환계
세포외액은 혈관, 모세혈관의 2단계를 거쳐
온몸으로 이동된다.
세포외액에 있는 대부분의 물질은 (큰 분자
제외) diffusion 이동: 모세혈관의 플라스마
와 세포들 사이의 interstial fluid
대부분의 세포는 모세혈관과 50um 내에 위
치한다.
이렇게 하여 몸 전체의 내적인 환경이 동일
하게 된다.
세포외액의 영양분은 어디에서 오는가?
순환계: 폐로 부터 혈액으로 산소가 온다. 폐
의 aveoli와 모세혈관 사이의 거리는 0.42um로서 산소가 분자운동으로 difussion한
다.
Gastrointestianl(GI) Tract: 혈액이 GI
로 와서 탄수화물,단백질, 지방 등을
세포외액으로 받아들인다.
간과 기타기관
GI에서 흡수된 모든 물질이 그대로 세
포들에 의해 쓰여지지는 않는다.
간: 이들 물질의 구조변형; 다른기관
(지방세포, GI mucosa, 신장,
endocrine glands)에서 저장 및 변조
를 한다.
Two major internal sources of change in
extracellular fluids
Absorption of the products of
digestion (how the liver regulates
blood chemistry).
Production of metabolic waste
products (kidneys and the
elimination of nitrogenous wastes)
근육계
음식을 찾아서 생체가 움직이게, 좋지 않고 위험한 곳을 피해 다님
대사 마지막 물질의 제거
이산화탄소: 폐에서, 대사 끝물 중 제일 많다. Urea, Uric acid, 다량의 이온
들, 물: 신장에서, glomeruli-->tubules로
그 후 필요한 것들은 재흡수(glucose, amino acids, water, ions)
체기능의 조절
신경계
3개 주요 부분:
1) 감각받기(다양한 에너지 변환에 대한 내외의
상황판단)
2) 중추처리 (척수와 뇌)
3) 운동반응 내보내기
자율신경계: 무의식, 내장조절, 심장, GI. glands
호르몬에 의한 조절
8개 주요 내분비 샘에서 호른몬 분비.
세포외액을 통해 세포로 전달되어 세포 기능 조절.
Thyroid hormone--->모든 세포의 화학작용을
상승시킨다.
Insulin---> Glucose 대사 조절
Adrenocortical hormone-->Na+, K+, amino
acids 대사 조절
Parathyroid hormone---> 뼈의 Ca++ 과
Phosphate 조절
생식 生殖
개체 생명의 유한성--->새로운 개체 생성--->생체의 영속화
[몸의 조절계]
체내에는 매우 많은 조절계가 있다.
유전조절: 모든 세포의 내외적인 기능을 조절
기관조절
기관과 기관의 관계 조절
예: 호흡과 신경계(세포외액의 이산화탄소 농
도),
간과 췌장(세포외액의 당 농도)
신장: 세포외액의 H+, Na+, K+, Phosphate,
other ions
세포외액의 O2, CO2의 농도 조절
산소: 적혈구의 hemoglobibn의 화학적 특
성에 의해 폐로 피가 통과 시 산소와 결합.
말초의 모세혈관 산소가 부족할 때만
hemoglobin에서 산소 유리시킴
이산화탄소: 세포의 산화반응의 끝물로서
정상보다 농도가 높으면 호흡센터가 흥분된
다.
동맥압의 조절
목의 carotid artery의 분지와 thorax의
arotic arch에 baroreceptor가 많다.
barorecpetor는 동맥벽이 늘어날 때 자극됨.
-->연수의 vasomotor center가 억제됨
심장과 혈관을 자극하는 자율신경정보의
감소
-->심장박동의 감소, 말초혈관 확장
정상값,범위,최대한도를 넘으면-->죽음
1) 체온이 7도 상승하면 엄청난 세포대사 발생-->세포파괴
2) 산-염기의 균형: pH 0.5 상하로 벗어나면 죽음
3) K+ ion: 정상의 1/3 아래로 되면--> 신경전도가 불가능
-->혼수상태
4) Ca++ 정상의 1/2---> 근육의 계속적인 수축
5) Glucose농도가 정상의 1/2---> 발작
*Homeostatic 조절작용이 중요하다.
조절계의 특성
Negative feedback
예: 세포외액에 이산화탄소 많으면->호흡증가-->CO2농도 줄임
동맥압이 높으면 낮게
Gain은 조절계의 항상성 유지에 중요하다
Gain=Correction/error
예: barorecptor가 기능 안할때 100 mmHg에서 75mmHg주입--->175 mmHg
baroreceptor가 기능시 75 mmHg 주입하면 --->125 mmHg 측정됨
이때 feedback에 의한 correction은 -50 mmHg이고 error는 25 mmHg이다.
따라서 Gain은 -2이다.
체온조절의 Gain은 -33이다. 더 효율적인 조절계
positive feedback이 좋은 경우
혈관파괴-->clot 만들어 짐--->clotting factor활성화--->더 많은 피떡
active heart attack시는 다름
Child birth시: uterine 수축-->cirvix stretch--->uterine 수축-->애기 태어남
신경신호의 생성시: 신경섬유가 자극되면 Na+ 이 세포내로 유입-->Na+ 채널 더
열림 --->옆으로 신경신호의 전도
positive feedback control은 크게 볼 때 negative feedback의 일환이다.
생체의 조절은 대부분 Negative feedback을 채용한다.
positive feedback은 잘못되면 즉사
예:
2l의 피 제거-->동맥압 떨어짐-->심장근육의 피 감소-->심장기능 저하-->펌프
기능저하-->동맥압 또다시 감소: viscious cycle
그러나 1l의 피 제거하면 negative feedback--->정상회복
복잡한 형태의 조절: Adaptive control
신경계의 조절계의 늪이다. feed-forward control, delayed
negative feedback
Transport of Substances through the Cell Membrane
All cells acquire the molecules and ions they need from their
surrounding extracellular fluid (ECF). There is an unceasing traffic of
molecules and ions
In and out of the cell through its plasma membrane
---------Examples: glucose, Na+, Ca2+
In eukaryotic cells, there is also transport in and out of membranebounded intracellular compartments such as the nucleus, endoplasmic
reticulum, and mitochondria.
---------Examples: proteins, mRNA, Ca2+, ATP
EF와 IF 구성분의 농도차이 (Na+, Cl- in EF, Phosphate, Protein, AA in
IF)--->생체에 중요
세포막의 Lipid barrier와 세포막 수송단백질
Lipid bilayers are impermeable to most
essential molecules and ions.
Lipid bilayers are not permeable to:
ions such as
*K+, Na+, Ca2+
(called cations because when
subjected to an electric field they
migrate toward the cathode [the
negatively-charged electrode])
*Cl-, HCO3(called anions because they migrate
toward the anode [the positivelycharged electrode])
*Small hydrophilic molecules like glucose
*macromolecules like proteins and RNA
물과 수용성물질에 대해 세포내외의 장벽으
로 작용, 지용성 물질은 통과
지질막을 관통하는 단백질---transport
protein으로 기능 (selectivity to molecules
and ions)
a. Channel protein (through channel), b.
Carrier protein (conformational change)
Diffusion (molecular movement, energy of normal kinetic
motion) vs. Active Transport (against energy gradient)
Comparison of passive and active transport
Diffusion
체내의 모든 분자, 이온, 물, 녹은 물질은 각자 계속 움직인다
절대온도 0이 아닌 한 모두 움직임
Random motion, 액체, 기체의 이런 운동을 diffusion (확산)
세포막을 통한 확산
1) Simple diffusion: 막의 열린 곳의 수와 크기, 물질의 양, 동역학 속도, 분자,이온 이동 (지질막과 채널
을 통해)
2) Facilitated diffusion: carrier protein과 결합
지질 막을 통한 지용성 물질의 확산, 지용성의 정도가 높을 수록 확산속도 빠름
산소 (지질막이 없는 것 처럼), 질소, 이산화탄소, 알콜
단백질 채널을 통한 비지용성 물질 및 물의 확산
물은 비지용성이지만 단백채널을 통해 매우 쉽게 막을 통과
다른 비지용성이며 수용성인 물질도 크기가 작으면 단백채널을 통해 통과
단백채널을 통한 확산과 채널 게이팅
2가지 특성: 1) 특정물질에 대한 선택성, 2) 채널의 열고 닫기
선택적 투과성
채널의 크기, 모양, 채널 내부의 전하에 따라
Na+ 채널, 0.3x0.5 nm, 내면이 음전하, 물에 녹아있는 Na+을 잡아 끈다
K+ 채널, 0.3x0.3 nm, 음전하 무, smaller hydrate K+ion pass easily, but not the Na+
단백채널의 여닫이 Na+ 채널은 밖에, K+ 채널은 안쪽에
2 방법: voltage gated, chemically (ligand) gated
열린 상태, 닫힌 상태
Ligand-gated ion channels.
Many ion channels open or close in
response to binding a small signaling
molecule or "ligand".
Some ion channels are gated by
extracellular ligands; some by
intracellular ligands.
In both cases, the ligand is not the
substance that is transported when the
channel opens.
ex: Neurotransmitters
Mechanically-gated ion channels
Examples:
Sound waves bending the cilia-like projections on the hair cells of the
inner ear open up ion channels leading to the creation of nerve impulses
that the brain interprets as sound.
Mechanical deformation of the cells of stretch receptors opens ion
channels leading to the creation of nerve impulses.
Voltage-gated ion channels
In so-called "excitable" cells like neurons and muscle cells, some
channels open or close in response to changes in the charge (measured
in volts) across the plasma membrane.
Example:
As an impulse passes down a neuron, the reduction in the voltage opens
sodium channels in the adjacent portion of the membrane. This allows
the influx of Na+ into the neuron and thus the continuation of the nerve
impulse.
Some 7000 sodium ions pass through each channel during the brief
period (about 1 millisecond) that it remains open. This was learned by
use of the patch clamp technique.
Facilitated Diffusion (FD)
Carrier-mediated diffusion
Transmembrane proteins form a water-filled channel through which
the ions (molecules) can pass down its concentration gradient.
채널에 binding point가 있어 물질 결합--->채널 구조 변화-->닫힘
구조 변화 보다 빨리 물질이 이동 못함
Red blood cell의 glucose carrier protein (MW 4.5K, glucose와 비슷
한 다른 단당류도), 대부분의 AA,
Factors that affect net rate of difussion
투과물질의 농도차이
Net diffusion = (Co-Ci)
Membrane electrical potential (막전압)이 이온 확산에 미치는 영향
_Nernst Equation
농도차이가 없더라도 막 사이에 막전압의 경사에 의해 이온 이동
결국 농도경사와 균형을 이룸
Na+ univalent ion, Nernst Eq.
EMF (in mV) = 61 log(C1/C2)
side 1, + value for negative ions, - for positive ions
Pressure의 영향
eg. blood capillary 안쪽이 밖 보다 20mmHg 높다. 막 한쪽의 모든 물질
이 막을 치는 힘
강-->약 으로
1) Osmosis is a special term used for the diffusion of water through cell membranes.
2) Although water is a polar molecule, it is able to pass through the lipid bi-layer of the plasma
membrane. Trans-membrane proteins that form hydrophilic channels accelerate the process, but
even without these, water is still able to get through.
3) Water passes by diffusion from a region of higher to a region of lower concentration. Note that this
refers to the concentration of water, NOT the concentration of any solutes present in the water.
4) Water is never transported actively; that is, it never moves against its concentration gradient.
However, the concentration of water can be altered by the active transport of solutes and in this way
the movement of water in and out of the cell can be controlled.
적혈구의 예, 세포부피보다 100배 부피의 물이 1초에 이동, 양쪽으로의 이동이 균형이 되어 Net
zero 이동--> 세포의 부피가 그대로
어떤 경우 막을 두고 [H2O] 차가 생김--->세포가 swell or shrink
물의 농도차이에 따른 물이동=osmosis
Osmotic pressure
osmosis를 막을 수 있는 힘
Osmotic pressure 결정에 중요한 osmotic particle의 수
용액에서 2개의 이온으로 되면 2 osmole,
용액에 녹지 않으면 1 osmole
1 osmole/kg = 1 osmole of solute dissociated in each kg of water
normal EF & IF: 300 milliosmole per kg of water
Relation of osmolarity to osmotic pressure
at normal body temperature
1 osmole/l ---> 19,300 mmHg osmotic pressure
1 milliosmole/l --->19.3 mmHg
19.3 X 300 milliosmole ===> 5790 mmHg
실제 측정치는 5500mmHg, 이유는 특정 분자들이 못움직이기 때문
Active Transport
막의 농도, 전압, 압력경사에 반해서 분자나 이온을 이동시킴
eg. Na+, K+, Ca++, iron, hydrogen, chloride, iodide, urate, most of the
amino acids, several different sugars
Primary (Direct) and Secondary (Indirect) active transport
Primary active transport (PAT): ATP or other high energy phosphate의
hydrolysis에서 에너지 사용
Secondary active transport: PAT에 의해 형성된 이온 농도경사 에너지 사용
Facilitated diffusion처럼 carrier protein을 활용, 전기화학적인 경사를 거슬러
PAT
Na+-K+ pump
The cytosol of animal cells contains a concentration of potassium ions (K+) as
much as 20 times higher than that in the extracellular fluid.
Conversely, the extracellular fluid contains a concentration of sodium ions
(Na+) as much as 10 times greater than that within the cell.
These concentration gradients are established by the active transport of both
ions.
3 Na+ out, 2 K+ in---> 농도 유지, 막내를 negative charge (resting membrance
potential 유지), nerve signal generation, muscle contraction
Carrier Protein: alpha+beta subunits
alpha subunit: 1) 3 receptor sites for Na+, 2) 2 receptor sites for K+, 3) Na+
binding site부근에 ATPase activity
Mitochondira에서 생성된 에너지의 1/3 소모
Na+-K+ pump가 세포의 부피조절에 중요
이 펌프가 없으면 세포가 부음--->터짐
세포내의 많은 유기물, 단백질은 negative charge를 띄고 + 이온들을 끌어 모음, osmosis유발
이를 막지 않으면 cell burst, 3Na+ pump out, 2K+ pump in, 막은 Na+에 덜 투과 ---> net loss of ions
from cell ---> 물의 osmosis를 세포 밖으로 만듬, 또한 세포내를 negative하게
어떤 이유에서 든 세포가 부으면 곧 펌프 작동
Primay active transport of Ca++
Calcium pump, Ca++은 세포 안이 밖보다 만 배 적다
2 종류: 세포막, 내부 세포막 (근육의 sarcoplasmic reticulum, mitochondria)
Carrier protein이 ATPase 기능
Primary active transport of H+ ions
1) 위의 gastric gland에 깊숙이 있는 parietal cells, 위산 분비의 기전 (3백만
배의 농도)
2) 신장의 late distal tubules, cortical collecting ducts에 있는 intercalated
cells
피로 부터 urine으로 H+ 방출 (900배의 농도경사를 이겨내고)
Energitics of Active Transport
Energy (in calories/osmole)= 1400log(C1/C2)
1 osmole 물질을 10배 농도 증가하려면 1400 calories, 100배 --> 2800 칼
로리
Secondary Active Transport-Co-transport (Symport)& Counter-transport
PAT에 의해 Na+이 세포밖에 많음-->항상 세포 안으로 들어갈 에너지 상태
A와 B가 carrier protein에 붙으면 구조변화--->세포 안으로
Na+이 안으로 이때 세포내의 다른 물질이 carrier protein에 붙어서 밖으로
나옴
Co-transport of glucose and amino acids along
with Na+ ions
농도경사에 반해서 Glucose와 AA가 세포 내로 수송됨
transport carrier protein
세포 밖의 많은 Na+이 수송에너지가 됨, 세포 밖 막에 Na+과
glucose 결합지점이 있다.
Glucose가 붙으면 구조 변화
AA co-transport, 5개의 aa transport protein이 발견됨
aa, glucose의 Na+과의 co-transport는 intestinal tract의
epithelial cell과 신장의 renal tubule에서 이들 물질들을 피로 흡
수하기 위함
다른 co-transport: Cl-, iron, urate, iodine
Sodium Counter-transport of Calcium & H+ ions
Na+ in Ca++ out by same transport protein, 대부분의 세포막
에 있다
Na+-H+ counter-transport, 신장의 proximal tubules에서 Na+
은 tubule의 lumen에서 tubular cell내로
Active Transport Through Cellular Sheets
예: intestinal, renal tubule, exocrine glands, gallbladder의 상피
세포, 뇌의 choroid plexus의 막
기전: 세포 한쪽에서는 active transport, 세포의 다른 쪽에서는
simple or facilitated diffusion
Fig. 4.13
대부분의 영양분과 ion, 다른 물질들이 장에서 흡수되는 방법
Na+, H2O가 luminal side에서 쉽게 diffuse in
세포의 basolateral side에서 Na+ active transport, H2O
osmosis