신체의 세포와, 조직, 기관들의 활동은 서로 어떠한 변화라도 바로잡기 위해 서로 반응을 일으키고 조절되어 통합되어야 한다. 이러한 반응을 중재하는 기능은 항상성 조절계(homeostatic control system)에 의해 수행이 된다. 항상성 조절계의 특징과 구성요소를 알아보도록 하겠다.
항상성 조절계(homeostatic control system)의 특징
신체 내부에서 일어나는 조절과 통합 작용을 중재하는 것이 항상성 조절계이다. 체온 조절을 예로 들어 생각해 보자. 온도가 20℃인 실내에서 휴식을 취하고 있는 가벼운 옷차림을 한 건강한 남성이 있다. 남성의 체온은 37℃로, 온도가 낮은 실내 환경에 열을 빼앗기고 있지만 신체 내부에서 화학반응이 일어나 열 손실률과 동일한 비율로 열을 발생시킨다. 이러한 경우 신체 내부의 전체적인 열의 증감은 일어나지 않으며 체온은 일정하게 유지가 될 수 있다. 이러한 체계를 정상 상태(steady state)라고 하며, 정상 상태일 경우 20℃인 온도라는 변수가 유지가 되고 열에너지가 지속적으로 추가되어야 안정적인 상태를 유지할 수 있다고 정의된다. 정상상태는 정상 체온을 기준으로 하여 지속적으로 열의 손실과 발생이 일어나지만, 변수의 변화(온도의 변화)가 일어나지 않는 상태에서 항상성을 유지하기 위해 추가적인 에너지의 투입이 필요하지 않는 평형 상태(equilibrium state)와는 다르다는 것을 인지해야 한다. 체온 조절의 예시에서 정상 상태의 온도는 체온을 조절하는 조절계의 설정점(set point)으로 볼 수 있다.
되먹임 시스템(음성되먹임과 양성되먹임 시스템)
앞서 이야기한 체온의 조절계는 되먹임 시스템 중 음성되먹임(negative feedback)의 예로 볼 수 있다. 조절하려는 대상 변수의 변화(증감)가 일어나면 원래의 변화 방향과 반대쪽으로 이동시키려는 반응을 나타낸다. 즉, 체온이 떨어지면 체온을 올리려는 반응이 일어나 체온을 원래 값(설정점)으로 이동시키는 반응을 나타낸 것이다. 음성되먹임은 생리학적 변수에 대한 확인과 균형에 있어 중요한 부분을 차지하며 기관과 세포, 분자 수준에서 발생한다. 아래의 그림처럼 음성되먹임은 효소적인 과정을 조절한다. 효소는 화학 반응의 촉매 역할을 하는 단백질로, 음성되먹임을 효소적 과정을 통해 예를 들어보겠다. 세포 내 ATP가 만들어지는 과정을 보면, 포도당 분자는 세포 내에서 효소적으로 분해되면서 분자 결합에 들어있던 화학 에너지의 일부를 방출하게 된다. 방출된 에너지는 근육 수축이나 세포의 분비, 분자의 수송 등의 기능을 활성화시키는데, ATP가 축적됨에 따라 포도당을 분해하는 과정의 일부 효소 활성을 억제한다. 즉, 세포 내의 ATP 농도가 증가하여 음성되먹임 시스템이 발동되고 ATP의 추가적인 생산이 느려지게 된다. 만약 세포 내 ATP 농도가 감소하면 음성되먹임 시스템이 비활성화되어 ATP 생산이 활발하게 이루어질 것이다.
되먹임 시스템의 일부는 양성되먹임(positive feedback)의 형태로 나타난다. 양성되먹임 시스템은 어떠한 과정을 가속화시키는데, 폭발적인 결과로 이어지는 경우가 있다. 양성되먹임을 중지하는 명확한 수단이 없기 때문에 항상성이라는 생리학적 원리에 반하는 형태이다. 그래서 자연계에서 양성되먹임은 음성되먹임보다 훨씬 적게 일어난다. 이런 양성되먹임 시스템이 중요한 역할을 할 때가 있는데, 혈액의 응고 과정이 그 예시이다. 혈소판은 세포의 절편으로 서로 달라붙어 상처 부위를 봉합하도록 응고하는 역할을 한다. 혈관에 상처가 생기게 되면 상처가 생긴 혈관벽의 손상된 세포가 혈소판을 끌어당기는 화학물질을 혈액으로 방출해 혈소판의 작용을 활성화시킨다. 이 혈소판이 자체적으로 활성화되면 보다 더 많은 혈소판들을 활성화시키는 화학물질을 추가적으로 방출하게 되고, 손상된 부위가 응고로 인해 완전히 봉합되면 이러한 주기는 멈추게 된다.
요약
항상성은 보상적 성격의 항상성 조절계에 의해 발생하는 신체 내부 환경의 안정 상태이다.
-음성되먹임 시스템에서 조절되는 요소의 변화는 본래 변화와 반대의 방향으로 요소를 밀어내는 경향의 반응을 가져온다.
-음성되먹임 시스템은 설정점으로부터의 변화를 최소화하여 항상성으로 연결된다.
-항상성 조절계는 신체 내부 환경의 변화를 최소화한다. 하지만 완벽한 항상성을 유지할 수는 없다.
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