신체 조절체계 Part.2 <인체 내부의 환경 조절>

항상성 조절의 예

보다 확실하게 생리학적 조절체계를 이해하려면 항상성 조절작용의 다음과 같은 예을 살펴보겠습니다.

 

■ 체온 조절

부적피드백을 이용하는 항상성 조절체계의 좋은 예로 치온 조절을 들 수 있습니다. 이 시스템에 있는 감각기들은 신체 여러 부위에 있는 열 수용기입니다. 온도 조절을 위한 조절중추는 뇌에 위치하고 있으며 체온이 정상보다 높게 증가할 때, 온도 센서는 온도가 정상보다 높다는 신경 메시지를 조절중추로 보냅니다. 조절중추는 피부혈관 확장과 땀 배출로 열손실을 유도하여 자극에 반응합니다. 체온이 정상으로 돌아올 때, 조절중추는 비활성화됩니다.

 

체온이 정상보다 아래로 떨어질 때, 온도센서는 뇌의 조절중추로 정보를 보내 피부의 혈관을 수축하여 열손실을 방지하며 이러한 작용이 신체의 열을 보존합니다. 다시 체온이 정상으로 돌아오면, 조절중추는 비활성화가 됩니다.

 

■ 혈당 조절

항상성은 내분비체계(endocrine system)의 기능을 조절하는 역할을 합니다. 신체는 8가지의 중요한 내분비샘을 가지고 있으며 혈액에 의해 운반되는 호르몬이라 칭하는 화학적 기질들을 합성하고 분비합니다. 호르몬은 순화과 대사기능들을 조절하기 위한 보조제로 순환계를 통해 신체 모든 부위에 전달됩니다. 항상성을 유지하기 위한 내분비계 역할 중 하나는 혈당 수준의 조절이며, 건강을 유지하기 위해서는 혈당 수준이 매우 세심하게 조절되어야 합니다. 예를 들어 인슐린 호르몬은 혈당의 대사작용과 세포에서의 혈당 섭취를 조절하므로 혈당의 농도 조절에 매우 중요합니다. 탄수화물 식사를 많이 하면 혈당 수준은 정상보다 증가하며, 혈당의 상승은 췌장에 인슐린을 분비하도록 신호를 보내어 세포에서의 혈당 섭취를 증가시킴으로써 혈당을 낮춥니다. 따라서 혈당 조절의 실패는 당뇨병을 발생시킵니다.

운동 : 항상성 조절의 예

운동은 다양한 항상성 요인들을 변화시킴으로써 인체의 항상성 조절능력을 가장 효과적으로 검사하는 역할을 합니다. 예를 들어 고강도운동 시 골격근은 많은 양의 열을 발산시킴으로써 과도한 체온의 상승을 예방합니다. 더구나 고강도운동은 근육의 산소요구량을 증가시켜 많은 양의 이산화탄소를 발생시킵니다. 이러한 변화는 심폐체계의 호흡과 혈액순환을 증가시키고 활동근육에 산소전달을 증가시키며 대사적으로 발생한 이산화탄소를 제거합니다. 더욱이 고강도 운동 시 활동근육은 많은 양의 열을 생산하므로 체온 증가를 예방하기 위해서는 열은 반드시 제거되어야만 합니다. 따라서 인체 조절체계는 내부 환경의 급격한 변화를 막기 위해 빨리 반응해야 합니다.

 

엄격하게 말하자면, 덥고 습기가 많은 화경에서 고강도운동이나 장기간 운동 시 인체가 지속적으로 항상성을 유지하기는 매우 어렵습니다. 고강도운동이나 장시간 운동은 내부환경을 방해하여 항정상태를 유지할 수 없게 많듭니다. 항상성 장애가 심각하면 피로가 쌓이게 되고 결국에는 운동을 중지해야 합니다. 운동생리학을 전공하는 학생들은 운동에 따른 항상성 장애요인을 감소시키는 인체의 다양한 조절체계를 이해하는 것이 매우 중요합니다.

 

운동은 세포적응을 통하여 항상성을 개선한다.

적응(adaptation)이라는 단어는 외부 스트레스를 계속적으로 받게 되면, 항상성을 유지하는 능력이 향상됨에 따라 세포나 기관계의 기능이나 구조가 바뀌게 된다는 것을 의미합니다. 사실 세포의 적응 능력은 고정된 것이 아니며 특정 스트레스에 오랫동안 노출되어 있다면 향상될 수 있습니다(예:규칙적인 운동). 또한, 세포는 뜨거운 환경에서의 열 스트레스와 같은 환경적인 스트레스에 적응할 수도 있습니다. 이러한 환경적응 -기존의 항상성 시스템에 대한 향상된 기능-응 '순응(acclimation)'이라 합니다.

 

규칙적인 운동은 운동의 '스트레스' 중에 항상성을 보존할 수 있도록 능력을 향상시키는 세포적 변화를 촉진시킵니다. 이러한 항상성을 유지하기 위한 세포와 기관계의 향상된 능력은 세포신호 메커니즘으로 인해 발생합니다. 세포신호(cell signaling)라는 단어는 세포와 세포 간을 조직화하는 세포활동 사이의 커뮤니케이션 시스템을 뜻합니다. 내부환경의 변화를 감지하고 변화에 대하여 알맞게 반응할 수 있는 세포의 능력은 항상성을 보존하는 데 꼭 필요합니다. 다양한 세포신호 메커니즘이 신체의 여러 가지 기능과 조직화하는 것은 그리 놀라운 사실이 아닙니다. 총 다섯 가지의 세포신호 메커니즘이 있으며, 메커니즘에 대한 설명을 하겠습니다.

• 인트라분비신호(imtracrine signaling) : 특정 세포반응을 일으키는 같은 세포 안에서의 신호전달을 야기하는 화학전달체가 세포에서 생산되면서 신호가 발생합니다.
• 저스트라분비신호(juxtacrine signaling) : 어떤 세포들은 세포끼리 직접 교류합니다. 두 세포막을 연결하는 작은 교차점을 통해 한 세포의 세포질이 다른 세포의 세포질과 접촉합니다. 이러한 세포신호를 저스트라분비신호라 합니다. 심장수축이 효율적으로 부드럽게 발생하기 위하여 하나의 심장세포가 다른 세포에게 수축하기 위해 직접 신호를 보내는 방법입니다.
• 자가분비신호(autocrine signaling) : 자가분비신호는 세포가 화학전달체를 생성하여 세포외액으로 신호를 내보내고 다시 그 신호를 받아들일 때 발생합니다. 예를 들어, 저항성운동 중에 근육 세포의 자가분비신호는 핵 안의 DNA가 근육세포의 크기를 증가시키는 수축성 단백질을 더 많이 생성하게 만듭니다.
• 주변분비신호(paracrine signaling) : 일부 세포들은 통합된 반응을 일으키기 위하여 세포 근처(주변부피신호)에서 서로가 조직적으로 행동할 수 있도록 하는 신호를 생성합니다. 예를 들어, 면역세포가 감염이나 부상으로부터 신페를 보호하기 위하여 협조된 공격을 시행할 때 어떻게 서로가 교류했는지에 대하여 배울 수 있을 겁니다. 더 나아가, 시냅스 신호는 신경계에서 발생하는 주변분비신호의 또 다른 종류입니다.
• 내분비신호(endocrine signaling) : 마지막으로 어떤 세포들은 화학적 신호(호르몬)를 방출하고, 이러한 호르몬은 신체 전체로 퍼져 나가게 됩니다. 하지만 호르몬은 신체 전체로 퍼져 나가게 됩니다. 하지만 호르몬에 반응하는 세포들은 이 호르몬만을 받아들일 수 있는 유일한 특정 수용체에 제한됩니다. 이것은 내분비신호라 불립니다.

세포 항상성 조절을 위한 스트레스 단백질의 역할

세포의 항상성 장애는 세포가 특정 물질에 대항하는 능력을 벗어나는 스트레스에 직면할 때 발생합니다. 따라서 세포가 조절체계를 사용하여 항상성 장애요인과 대항 하여 싸우는 것을 '세포의 스트레스 반응'이라 합니다. 이는 세포 내의 생리적 조절체계로 스트레스를 방어하기 위한 단백질을 만들어 항상성 장애요인과 전쟁을 치릅니다. 세포의 스트레스 조절체계와 항상성 장애요인이 대항하는 대략적인 과정은 다음과 같습니다.

 

단백질은 세포내 항상성을 유지하는 중요한 요소로서 화학적 작용을 촉진시키는 효소기능과 세포 간의 중요 물질들을 이동시키는 역할을 합니다. 고열, 낮은 수소 이온 농도, 자유라디칼(free eadical)과 같은 스트레스로 인하여 세포 단백질이 손상되면 항상성 장애를 일으키며, 이러한 장애요인을 제거하기 위해서 세포는 방어 단백질인 스트레스 단백질(stress protein)을 빨리 합성하여 손상된 단백질을 원상복귀시켜 항상성을 유지함으로써 세포를 보호합니다. 스트레스 단백질은 다양한 스트레스에 반응하여 세포 안에서 생성되는 단백질들의 그룹이름을 뜻합니다. 스트레스 단백질 그룹 중 가장 중요한 것은 열충격 단백질(heat shock protein)입니다. 심장과 훈련된 골격근 안에서 운동으로 인하여 열충격 단백질이 엄청나게 증가한다는 것은 널리 알려져 있습니다.

 

열충격 단백질은 이탈리아 과학자가 열 스트레스에 노출된 파리가 파리세포의 엄선된 단백질을 합성하는 것을 관찰함으로써 발견되었습니다. 자유라디칼 생성, 낮은 pH, 그리고 염증과 같은 다른 종류의 스트레스에 의해서도 열충격 단백질 생산이 생성될 수 있다는 것을 유념해야 합니다. 결과적으로 열충격 단백질은 스트레스 단백질이라고도 언급됩니다.

 

단백질 손상을 촉진시키는 스트레스 요인과 함께 열충격 단백질의 합성과정이 시작됩니다. 합성이 진행된 후, 열충격 단백질은 손상된 단백질을 수리하고 항상성을 회복시키면서 세포를 보호합니다. 많은 종류의 열충격 단백질이 존재하고 각 종류는 세포를 보호하고 항상성을 유지하는데 각자의 특정 역할을 수행합니다.

요약

• 운동은 항상성을 유지하기 위한 인체 조절체계의 도전하는 것이며 일반적으로 시원한 환경에서의 최대하운동은 인체의 많은 조절체계를 이용하여 항정상태를 유지할 수 있다. 그러나 덥고 습한 환경에서의 고강도 운동이나 장시간의 운동은 인체의 조절체계 능력을 초과하여 항상성 조절에 심각한 불균형을 초래할 수 있다.
• 환경 순응은 반복적인 스트레스에 반응하여 발생하고, 존재하는 항상성 시스템의 기능을 향상한다.
• 세포신호는 세포활동을 지배하고 세포동작을 조작하는 커뮤니케이션체계이다.
• 다양한 세포신호 메커니즘은 항상성의 조절에 관여하고, 세포적응을 조절하도록 요구된다. 중요한 세포신호 메커니즘은 1. 인트라분비신호, 2. 저스트라분비신호, 3. 자가분비신호, 4. 주변분비신호, 5. 내분비신호이다.
• 운동으로 인한 단백질 합성은 유전자 활성화로 이어지는 세포신호를 통하여 발생하는데, 이는 단백질 합성과 운동 스트레스에 따른 항상성 유지능력을 향상 시킵니다.