제22강 운동성의 기원 2

제22강  운동성의 기원 2

1.사람은 무엇으로 사는가?

한국 우주인 고산씨의 열다섯번째 훈련일기 중

우주선에 탑승할 우주인이라면 사람은 무엇으로 사는가라는 질문에 다음과 같이 대답할 것이다. “하루 600리터의 산소와 2.5리터의 물, 3000kcal의 식량 그리고 300mmHg이상의 기압과 이산화탄소를 제거해주는 장치가 필요합니다.”

산소, 영양분, 물, 이산화탄소의 제거 등은 지구상의 거의 모든 생명에게 필요한 생명현상의 필수 요소

2.생명현상의 주 무대는 결국 막(세포의 위대한 춤) - 박문호님의 시

막 간 막

생명의 꽃을 만드는 경계
세포막 공부를 합니다.

RNA 가닥이 나오는 핵막
ATP를 생성하는 미토콘드리아 내막

웃음과 허망함과 서글픔을 자아내는 시냅스 전후 막

막이 사라지고
춤꾼과 관객 모두 떠난 자리에

말간 시공이
본래 그 자리였음을

연극 막간에
잠시 생각해봅니다.

경계의 꽃
시냅스 막이

⇒생명현상을 떠받치는 모든 에너지흐름은 생체내막에서 생기고, 그 두 주역은 미토콘드리아 내막과 엽록체 틸라코이드막, 거기서 형성된 ATP가 결국은 생명의 흐름을 만들어 왔다.

3.ATP가 어떻게 쓰이는가?


 

;수소이온(양성자) 농도차를 이용해서 박테리아의 편모가 움직인다.

4.A brief history of ATP synthase reserch

1929  ATP was discovered by German chemist Karl Lohmann.

1937  Herman Kalckar established that ATP synthase is linked with cell respiration. ATP had been considered to be the final product of catabolyc reactions.(Kalckar,H(1937) Enzymologia 2, 47-52)

1939  Term oxidative phosphorylation introduced(Belitser,V.A. & Tsibakova,E.T.(1939) Biokhimiia 4, 516-535)

1948 Alexander Todd synthesised ATP chemically.

1961 R.J.P Williams suggests that there was no energy-rich intermediate, but protons served to deliver energy from respiration chain enzymes and photosynthetic proteins to ATP synthase. (Williams, R.J.P(1961) Nature 199, 144-148)

Peter Mitchell published his chemiosmotic hypothesis, postulating the primary role of membranes that separate two compartments, and, therfore, maintain a gradient of proton activity generated by respiration chain enzymes and used by ATP synthase.(Mitchell,P.(1961) Nature 199,144-148) Soluble adenosine triphosphotase(F1) was isolated by Ephraim Racker.

2004  Mechanically driven ATO synthesis by F1-ATPase was demonstrated by H.Itoh et al.
-the first accomplishment of an endergonic chemical reaction being driven by direct precise input of mechanical energy.

1997  M.Yoshida's lab: direct observation of the rotation in F1 during ATP hydrolysis. The Nobel prize in chemistry awarded to Paul D.Boyer and John E. Walker "for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate(ATP)" and to Jens C. Skou "for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na⁺, K^--ATPase"

5. ATP(Energy Currency of cells)와 ATP synthase

How Much ATP do we Synthesize (and use) per day?

50kilograms!

ATP합성효소가 많게는 초당 ATP를 100개 정도 합성, 수분내로 ADP로 분해되면서 에너지 생성

3개의 수소이온이 통과하면 하나의 ATP 분자가 합성된다고 알려져 있다.

양성자가 들어오면서 축이 돌아가고 ADP가 Pi와 합해져서 ATP를 합성(터빈과 같다)
생명현상 초기에 나온 머신이며 지금도 이보다 복잡한 나노머신은 없다.

6. 지구의 역사와 생명의 진화
36억년전 최초의 생명, 그 이후 최초의 광합성 생물이 생김(물을 분해하여 high energy electron을 얻어내서 전자전달계를 통해 ATP합성, 탄소동화작용을 통해 산소가 유리)
산소의 농축으로 20억년전 산소호흡이 보편화됨
5억4천만년전에 캄프리아기의 생명 빅뱅
이러한 일련의 변화의 시작이 시아노박테리아의 탄소동화작용으로 인한 산소의 유리와 농축

7.활성산소와 노화

노화된 미토콘드리아에서는 활성산소가 많이 나와electron을 탈취, 예컨대 DNA 같은 곳에 쓰일 electron을 탈취시켜 DNA 손상되어 생체조직이

노화

8.엽록체에서 빛을 흡수하는 부위 : 엽록소 


 포르피린 고리 주위에 교대로 단일결합과 이중결합이 존재한다. 이중결합에 있는 여분의 전자는 자유롭게 링 주위를 이동하고 있으며 이러한 분자적 특징에 의해 빛을 흡수할 수 있게 된다.

C, H, O, N, Mg로 구성된 화합물로서 주로 엽록소 a와 b의 두 종류가 존재하며 이 두 분자는 분자구조에서만 약간 다를 뿐이다. 둘 다 헤모글로빈의 헴기와 유사한 복잡한 고리구조를 가진다. 엽록소의 각 고리의 중심에 마그네슘 원자 한 개가 존재하며, 고리의 외부에는 엽록소를 틸라코이드막의 소수성 부위에 부착시키는 긴 탄화수소 '꼬리'가 붙어 있다.

9.광합성 명반응의 요약

photosystem2에서 electron이 photon을 흡수하여 high energy electron이 되고 에너지를 잃으면서 낙차하여 터빈(ATP합성효소)을 돌리게 되어 ATP합성, photosystem1에서 photon을 흡수해서 high energy electron이 되어 NADPH에 담기어 NADPH가 포도당의 원료가 된다.

10.미토콘드리아의 세가지 효소 복합체

NADH 탈수소화 효소 복합체

시토크롬 b-c1 효소 복합체

시토크롬 산화효소 복합체

11.대승기신론의 심생멸문이 ATP가 만들어 온 생명의 복잡한 흐름을 말하는 것이다. 
 

심진여문 - 양자역학, 상대성 이론
심생멸문 - 생명현상은 無明의 훈습(無明의 바람, Spontaneous symmetry broken) → 不覺 → 心, 意, 意識
⇒ 대승기신론의 핵심은 심진여문과 심생멸문이 연계되어 있다. 일심이 총섭한다.

진여에서 무명으로는(眞如의 薰習) 연속적(無始無終)이고 무명에서 진여로는(無明의 薰習) 단속적, 불연속적 ⇒ 진여의 훈습이 언제가 우리를 본래 자리로 인도한다.

심진여문의 예 - 시간에 대해
“모든 사건들은 ‘과거에 일어났고 현재 일어나고 있고 미래에 일어날 예정’이 아니라, 하나의 시공간 안에서 ‘한꺼번에 존재한다’ 이들은 시공간의 한 점을 점유한 채 영원히 그곳에 있을 것이다. 시간의 속성을 자세히 살펴보면, 끊임없이 흐르는 강물이라기보다 모든 순간들이 한꺼번에 꽁꽁 얼어붙어 있는 거대한 얼음 덩어리에 가깝다.”
- 브라이언 그린의 <우주의 구조>

아인슈타인이 임종시 했던 말
The Lasr Word
Death signifies nothing...
the distinction between past, present, and future is only a stubbornly persistent illusion. -Albert Einstein, April 18, 1955

심진여문의 대표적 서적
<물리학과 대승기신론소>, <사이먼싱의 빅뱅>, <오리진>, <최초의 3분>, <우주의 구멍>, <우주의 구조>, <블랙홀과 시간굴절>, <물리학을 뒤흔든 30년>, <엘리건트 유니버스> 

12.물리학과 대승기신론소(소광섭)
물체중심의 사고에서 사건중심의 사고로 전환해야 한다.(상대성이론)

                 물  체 (기본구성요소,3차원공간상 위치점유)의 집합

   세    계  =     ⇓

                 사  건 (물체가 일으키는 부차적인 현상, 4차원적 표현)

                 사  건 (4차원시공간을 구성하는 점, 기본요소)의 집합

    세   계  =     ⇓

                 물  체 (특정한 사건의 연속을 물체로 인식, 생멸함)

  상대성 이론에 의하면 우주에 존재하는 것은 EVENT밖에 없다.

13.The entire Universe in one  line
G^μν(Geometry of spacetime (Einstein tensor), 공간의 곡률)
= 8πG/c⁴T^μν(Distribution of mass and energy in the universe)

블랙홀 내에서의 시공간
물에 젖은 통나무를 예로 들면 통나무는 공간, 물은 시간이다.
블랙홀 안, 임계점 내로 들어가면 물(시간)이 증발되고, 통나무(공간)는 조각조각 분해된다.(확률의 흐름으로 남는다)

제21강 운동성의 기원

제18강  운동성의 기원

1.사고는 운동성의 진화적 내면화이다(이나스)
의식과 사고를 궁극적으로 공부하려면 세포부터(특히 세포막, 이온채널(단백질))

미토콘드리아는 우리 몸의 모든 세포에 있다.

운동성을 추적하다보면 미토콘드리아에 귀착하게 되고, 또 그 쌍인 엽록체를 보게 되며 결국 ATP(모든 생명체의 통화량)를 알아야 한다.

모든 생명 시스템의 궁극적인 운동성, 에너지 흐름은 ATP로 귀결
생명현상의 주역 : DNA와 ATP
“복제자(DNA)가 생명드라마의 주인공이라면 효소(ATP)는 조연이 아니라 공동 주연이다.” 
                                                          -조상이야기(리처드 도킨스)
“다세포체란 한 종의 개체발생이 거치는 특정의 순간일 뿐이며, 그 종의 변이는 변함없이 세포수준에서 일어난다.“                                         -인식의 나무-

고향의 강
눈감으면 떠오르는 고향의 강 → DNA강 또는 양성자 강(빅뱅이후 찰라적 순간에 양성자 형성)

지금도 흘러가는 가슴 속의 강

“우리 관점에서 생물들을 보면, 당신네 진핵생물들은 곧 그런 젠체하는 태도를 버릴 것이다. 당신네 두발 유인원들, 꼬리 잘린 나무땃쥐, 물기가 빠진 육기어류, 척추를 가진 벌레들, 혹스유전자를 늘린 해면동물들, 한꺼번에 무더기로 등장한 것들, 진핵생물들, 단조롭고 비좁은 영역에 옹기종기 모인 거의 구별되지 않은 존재들은 세균들의 표면에 있는 변덕스러운 거품에 다름 아니다. 당신들을 이루는 세포들 자체가 우리 세균들이 10억년 전에 발견한 낡은 기술들을 똑같이 재현하는 세균 군체들이기 때문이다. 우리는 당신들이 오기 전부터 여기에 있었고, 당신들이 떠난 뒤에도 여기에 남을 것이다.”  - 조상 이야기

2.광합성
가.엽록체(Chloroplast)
잎의 엽육조직에 있는 전형적인 식물세포는 50개 이상의 엽록체를 가지고 있다. 엽록체는 3종류의 막으로 이루어져 있다.

-외막 : 매끈하며 분자들이 자유롭게 통과한다.
-내막 : 매끈하며 많은 수송체(transporter)를 가진다. 수송체는 막단백질로 분자들의 출입을 조절한다.
-틸라코이드 막

1) 틸라코이드(Thylakoid)

틸라코이드막은 내강(lumen)을 둘러싸는 일종의 소포계를 만든다. 이들 소포계는 거의가 서로 연결되어 있다. 엽록체에는 여러 곳에서 이들 소포체가 쌓여져 그라나(grana-동전더미모양)를 이룬다.

틸라코이드 막에는 4종류의 단백질이 존재하는데,

- 엽록소와 카로티노이드를 가지는 광계I

- 엽록소와 카로티노이드를 가지는 광계II

- 시토크롬 b와 f

- ATP합성효소(synthetase)

이들 단백질들은 소위 말하는 광합성의 명반응을 수행한다. 틸라코이드 막은 액체물질인 스트로마로 둘러 싸여 있다. 스트로마에는 광합성의 암반응을 수행하는데 필요한 RUBISCO와 같은 효소들이 존재한다.

2) 엽록소(Chlorophyll)

 식물과 녹조류에서 2종류의 엽록소가 발견된다. 엽록소a, 엽록소b가 바로 그것이다. 이 둘의 구조 차이는 왼쪽 그림에서 붉은 원으로 표시되어 있다. 엽록체에서 두 종류의 엽록소는 틸라코이드 막에 내막단백질과 같이 존재한다. 포르피린 고리 주위에 교대로 단일결합과 이중결합이 존재한다. 이중결합에 있는 여분의 전자는 자유롭게 링 주위를 이동하고 있으며 이러한 분자적 특징에 의해 빛을 흡수할 수 있게 된다.

엽록소는 빛의 스펙트럼에서 적색과 자색부위를 가장 강하게 흡수한다. 녹색광은 거의 흡수되지 않고 반사되며 식물 잎의 색깔이 녹색으로 보이는 이유가 바로 여기에 있다.

3) 카로티노이드(Carotenoid)

엽록체는 또한 카로티노이드도 가지고 있다. 이 화학분자들은 적색부터 황색까지의 색을 가지고 있다. 카로티노이드는 스펙트럼의 청색광을 더 강하게 흡수한다. 이들은 엽록소가 잘 흡수하지 못하는 빛을 흡수해주게 된다. 잘 익은 붉은 색 토마토와 당근의 오렌지 색은 바로 카로티노이드의 색이다.

잎에서 카로티노이드는 보통 엽록소에 의해 가려져 있다. 가을에 잎에 존재하는 엽록소의 양이 감소하면서 카로티노이드는 겉으로 드러나게 되어 가을철 단풍의 색깔이 나타나게 된다. 아래 그림은 가장 풍부한 베타-카로틴 구조를 보여 준다. 엽록소에서와 마찬가지로 이중결합과 단일결합이 교대로 존재하는 것을 볼 수 있다. 전체적인 구조는 두 개의 벤젠고리를 탄화수소 사슬이 연결해 주고 있는 모양이다. 많은 동물들은 비타민A의 전구물질로 베타-카로틴을 사용한다. 베타-카로틴을 정확히 이등분하면 바로 비타민A가 되며 벤젠고리에 붙어 있는 측쇄 중 일부가 산화되면 망막의 중요한 분자인 레티날이 만들어 진다. 

나.PHOTOSYNTHESIS(광합성)
1) PHOTOSYNTHESIS : AN OVERVIEW
광합성(photosynthesis) : 태양에너지가 특정 분자들의 결합에 의해 포도당의 생성에 이용되는 과정. 반응물은 CO₂와 H₂O이며, 생성물은 포도당(C₆H₁₂O₆), H₂O ,O₂이다.
6CO₂ +12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O(△G + 686kcal/mole ; 흡열반응)
포도당이 합성되는 과정에서 빛에너지가 ATP나 NADPH와 같은 에너지 물질의 합성에 이용 

1) 광합성의 두 부분
① 명반응(light reaction) : 빛을 요구하는 반응이며, 계에 에너지를 충전시킴
태양에너지는 ADP와 NADP⁺를 각각 ATP와 NADPH로 전환시키는 데에 사용

12H₂O + 18ADP + Pi + 12NADP⁺ → 18ATP +12NADPH + 12H⁺ + 6O₂

※ 명반응의 생성물은 암반응의 반응물로 사용된다.

② 암반응(dark reaction) : 빛을 요구하지 않는 반응이며, 계를 원상태로 되돌림
ATP와 NADPH는 포도당 생성에 사용된 후 원래 상태로 되돌아감
6CO₂ +18ATP + 12NADPH + 12H⁺ ->C₆H₁₂O₆ +18ADP+Pi+12NADP⁺ + 6H₂O

2) CHLOROPLASTS(엽록체)
1) 틸라코이드
그라나 틸라코이드와 스트로마 틸라코이드는 루멘(lumen)으로 알려진 통로로 연속된 내부공간을 갖으며, 루멘과 스트로마는 막에 의해 격리

① 두 광계(two phtosystem)
ㆍ틸라코이드막에 있는 빛을 포획하고 이용하는 특수구조로 광계I(photosystem I ; PS I)과

광계II(photosystem;PS II) 복합체가 있다.
ㆍ광수확안테나(light-harvesting antenna)와 반응중심(reaction center)을 갖으며, 전자전달계 와 밀접하게 연결

② 엽록소와 광수확 안테나
ㆍ광수확안테나 : 빛을 포획하여 에너지를 축적하는 일을 하며 엽록소a, 엽록소b (다른 영역 의 파장 흡수), 카로티노이드(carotenoid)로 구성
ㆍ반응중심(reaction center) : 에너지가 축적되는 지점으로 빛에너지가 화학에너지로 전환되는 부위. 한 분자의 엽록소a와 단백질로 구성. 엽록소a를 한 분자씩 갖고 있는 PS I과 PS II 의 반응중심은 각각 700nm 와 680nm 파장 흡수. 엽록소a가 안테나로부터 충분한 에너지를 흡수하면 엽록소의 전자가 들뜨게 되어 궤도에서 이탈 → 엽록소a에서 궤도를 이탈한 전자는 즉시 에너지를 방출하지 않고 전자전달계에 포획되어서 화학적인 일을 하는데 사용(광합성의 특징)

③ 전자전달계(electron transport system)
ㆍ빛에 의해 활성화된 전자의 에너지를 이용하여 양성자(proton)를 틸라코이드 루멘에 농축 → 자유에너지를 ATP 생성에 사용할 수 있게 함
전자가 NADP⁺를 NADPH+H⁺로 환원시키는데 이용

④ CF₀CF₁복합체 : ADP의 인산화에 의해 ATP 생성과정에 중요한 기능
ㆍCF₀복합체 - 루멘에서 시작해 틸라코이드 막을 가로지르는 단백질에 의해 형성된 통로
ㆍCF₁복합체 - 양성자의 농도기울기에 의해 CF₁ 머리 방향으로 양성자 이동
→ 농축된 양성자의 자유에너지를 이용해 ADP를 인산화(ATP 합성효소)

3) THE LIGHT REACTIONS OF PHOTOSYNTHESIS

 

photosystem Ⅱ(PS Ⅱ) → plastoquinone(PQ) → 시토크롬bf → plastocyanin(PC) →photosystem I(PS I) → ferredoxine(FD) → NADP reductase

-비순환적 광인산화(noncyclic photophosphorylation) : PS I과 PS II가 함께 작용하여 화학삼투기울기를 형성하고 NADP⁺를 NADPH로 환원

-순환적 광인산화(cyclic photophosphorylation) : PS I만 작용하는 경우로 ATP 합성을 위한 화학삼투기울기만 형성

1) 비순환적 과정 : 빛이 PS II의 광수확안테나에 흡수됨으로써 시작
① 물과 P680의 환원
: 엽록소 a - 빛에너지에 이해 P680 반응중심의 엽록소a에선 전자 방출(산화)
산화된 엽록소a는 망간을 함유한 단백질에 의해 환원
→ 망간을 함유한 단백질은 유실된 전자를 루멘에 다량 존재하는 물로부터 얻음.
물분자 하나가 분해되면 두 개의 전자, 양성자 그리고 산소원자가 발생   
H₂O → 2e^- + 2H⁺ + 1/2O₂
물에서 하나의 전자가 분리될 때 동시에 하나의 양성자가 루멘으로 방출되어 양성자 기울기 형성을 돕는다.
⇒ 시아노박테리아가 물에서 전자를 탈취할수 있는 능력을 얻은 것이 생명 역사에서 가장 중요한 사건 중의 하나이다.

② 전자에너지와 양성자 수송
: P680 반응중심에서 방출된 들뜬 전자 : plastoquinone(PQ)으로 전달되어 스트로마의 양성자를 포획해 루멘으로 방출
→ 전자 운반자인 거대 시토크롬 복합체에 전달
→ 낮은 자유에너지 상태인 전자는 plastocyanin(PC)에 의해 PS I로 이동

 

※양성자 농도기울기 형성 : PQ에 의해 스트로마로부터 유입되는 양성자와 물의 분해에 의해 생성되는 양성자에 의해 형성

③PS I : NADP⁺의 환원
-P700은 반응중심의 엽록소가 산화된 상태에서만 P680의 전자를 유입
(P700 반응중심의 환원은 P680 전자에 의해 일어남)
-PS I의 역할 : 들뜬 PS I 전자 에너지를 사용해 NADP⁺를 NADPH로 환원
(P700 반응중심에서 온 2개의 전자와 스트로마로부터 유입된 2개의 양성자가 필요)

 

※ 비순환적 과정 요약

1. P680에 의한 광자 흡수
2. 들뜬 P680 전자가 전자전달계로 이동
3. P680 전자 재충전, 루멘에 양성자 증가, 기체 산소가 방출되는 물의 산화
4. P680 전자의 자유에너지를 이용하여 스트로마의 양성자를 루멘으로 유입
5. P700에 의한 광자 흡수
6. P680 전자가 P700 전자 대체
7. 들뜬 P700 전자의 전자전달계로 이동
8. NADP⁺가 NADPH로 환원될때 P700 전자의 에너지 이용 

2) 순환적 과정
: NADPH를 생성하지 못하는 대신 P700 전자의 에너지를 이용해 스트로마로부터 루멘으로 양성자를 펌프한다. 따라서 ATP의 생성만을 돕는다. 암반응이 산화된 NADP⁺를 명반응으 로 되돌려 보낼때까지 계속...

3) 화학삼투적 인산화
ㆍ양성자가 루멘에 축적되면 스트로마의 염소이온(Cl^-)을 끌어 당겨 루멘에 HCl(염산)이 농축
ㆍ스트로마의 양성자가 루멘으로 방출되면 스트로마는 알칼리성 혹은 염기성을 띠게됨 → 화학삼투계는 농축된 산성용액(pH 4-5)이 되며 틸라코이드막에 의해 스트로마의 알칼리성용액(pH8)과 격리 ⇒ 양성자가 농도기울기에 의해 CF₀ 통로를 따라 ATP합성효소를 포함한 CF₁ 복합체에 도달하여 ATP 합성

 4) THE LIGHT-INDEPENDENT REACTIONS

: 명반응을 통해 엽록체는 상당량의 퍼텐셜에너지를 저장하고 ATP와 NADPH 형태로 환원 력을 쌓아올리기 때문에 CO₂만 유입되면 포도당 생성이 개시될 수 있음
6CO₂ +18ATP + 12NADPH + 12H⁺ ->C₆H₁₂O₆ +18ADP+Pi+12NADP⁺ + 6H₂O

1) 캘빈회로(M. Calvin) 

 
반응1. 카르복시화 반응(carboxylation) : CO₂가 첨가되는 반응
리블로스이인산 카르복시화효소(ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase, Rubisco) ⇒ CO₂를 리블로스이인산(ribulose 1,5-bisphosphate, RuBp)에 결합시켜 불안정한 6탄당 중간대사물을 형성해 2개의 3탄당으로 분해

반응2. 인산화 : ATP의 고에너지 인산기가 2개의 3탄당 탄수화물로 전이(기질의 자유에너 지 증가)

반응3. 환원 : NADPH가 반응2.의 생성물이 갖고있는 인산기 중 하나를 수소로 치환, 떨어진 인산은 NADP⁺ 및 ADP와 함께 명반응으로 되돌아감

반응4. 반응3.의 생성물인 글리세르알데히드-3-인산(glyceraldehyde-3-phosphate,G-3-P)가 포도당(기타 생성물)을 생성하는 경로 또는 재생경로(regeneration pathway ; 캘빈회로 를 계속 유지)를 선택

① 포도당과 기타 생성물
포도당의 생성과정 : G-3-P + G-3-P (지방산, 글리세롤, 아미노산 합성에 이용,
↓ 미토콘드리아로 이동된 후 ATP 생성에도 이용)
과당-1,6-이인산fructose-1,6-disphosphate
↓
포도당-1-인산glucose-1-phosphate
↓
포도당 형성






 

② G3P, 포도당, 캘빈회로의 유지
ㆍ캘빈회로가 5회 돌아 생성된 10분자의 G3P는 재생에 이용되고 6회 돌때 생성된 2분자 의 G3P는 포도당 형성에 이용
ㆍ한 분자의 CO₂ 가 투입되어 회로가 1회전할 때마다 2개의 NADPH, 2개의 H⁺와 3개의 ATP가 소모(포도당 한 분자를 합성하려면 캘빈회로가 6회전을 해야 하므로 6개의 CO₂, 12개의 NADPH와 H⁺ 그리고 18개의 ATP가 필요)
6CO₂ +18ATP + 12NADPH + 12H⁺ ->C₆H₁₂O₆ +18ADP+Pi+12NADP⁺ + 6H₂O

5) PHOTORESPIRATION : TROUBLE IN THE CALVIN CYCLE

캘빈회로를 정상적으로 작동시키는 Rubisco의 CO₂포획능력은 CO₂가 감소하거나 확산 속도보다 더 빠르게 고정되면 효소의 효율이 현저히 감소. CO₂의 농도가 최소 수준 이하로 떨어지면 캘빈회로에서 O₂가 CO₂를 대체하여 광호흡 (photorespiration)을 함 ⇒ 산소와 리블로스 이인산이 결합하여 생성된 물질은 여러 단계를 거쳐 글리콜산(glycolate)이 됨
→ 세포질의 미소체(microbody)로 이동해 글리옥실산으로 전환
→ 미토콘드리아로 들어가 CO₂와 3-PG로 전환 → CO₂는 방출되고 3-PG는 연료로 사용

1) C4 탄소 고정
ㆍC4경로(M.D. Hatch & C.R. Slack) : 4탄소 화합물이 관여하는 새로운 CO₂ 고정 경로
ㆍC3식물 :탄소 고정이 캘빈회로에 의해서만 일어나고 카르복시화에 의한 첫번째 산물이 3탄소 화합물이다.
ㆍC4 식물 :CO₂는 C3 식물에서와 같이 엽육세포(leaf mesophyll cell)의 엽록체로 확산
ㆍPEP카르복시화효소(phosphoenolpyruvate carboxylase)-CO₂가 처음 만나는 효소로 매우 낮은 CO₂ 농도에서도 효율적으로 작용
ㆍ4탄소 대사경로의 최종 산물인 말산(malate)이 엽육세포로부터 인접한 유관속초 세포(bundle sheath cell, 엽맥을 에워싸고 있는 세포)의 엽록체로 이동 → 4탄소 기질은 3탄소 생성물과 CO₂로 분해(3탄소 생성물은 엽육세포로 되돌아 가고 CO₂ 는 Rubisco와 결합하여 갤빈회로로 들어감) C3 식물에 비해 많은 ATP가 요구되나 밝은 조건하에 사는 식물들은 충분한 ATP를 생성할 수 있다.

3.호흡(RESPIRATION)
세포의 연료 분자들 중 포도당의 생성 반응과 분해 반응을 비교해 보자.
생성 : (광합성) 6CO₂ + 6H₂O + 에너지 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
△G = +686 kcal / mole
분해 : (호흡) C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂0 + 에너지
△G = -686 kcal / mole

생명 진화 초기에 세포막 내의 수소이온(양성자) 농도가 높아짐, 수소이온을 퍼내는 역할을 ATP합성효소가 맡음.  세포막내에 많아진 수소이온을 pumping하는데 ATP를 소모.
ATP는 다른 생명현상에도 꼭 필요하기에 ATP를 아끼고 양성자를 pumping하는 다른 메카니즘을 만들어냄. 이온채널들이 양성자 pump역할을 할 수 있게 함 ⇒ 피브르산과 지방산이 해당과정을 통해 Acetyl CoA가 되고 TCA cycle를 돌아서 그 부산물인 NADH를 생성하여 NAD+H⁺+2e^- 가 될 때 high energy electron이 나온다. 전자의 고에너지를 이용해서 양성자를 pumping. 에너지를 잃은 e^-를 담는 그릇이 O₂이다.
O₂ + 4e^- + 4H⁺ → 2H₂O
호흡이 왜 중요한가? 궁극적으로 양성자 pump를 사용하기 위해 high energy electron을 써야하고 에너지를 잃은 electron을 회수하기위해 O₂가 필요하고 부산물로 나온 것이 H₂O. 광합성과 호흡의 주역은 ATP합성효소이다.

1) THREE WAYS OF UTILIZING GLUCOSE
산소호흡aerobic respiration, 무산소호흡anaerobic respiration, 발효fermentation
(1) 해당과정glycolysis : 포도당 대사의 첫번째 단계. 기질수준인산화에 의해 ATP 생성
(2) 산소호흡과 무산소호흡
산소호흡 : 해당과정의 산물들이 산화되고 전자와 양성자는 전자전달계로 이동
→ 전자전달계를 통과한 전자는 산소와 결합(산소가 최종 전자 수용체)
화학삼투적 인산화에 의해 대부분의 ATP가 생성
무산소호흡 : 박테리아 종류(산소에 의해 해를 입는다) 최종 전자 수용체는 황산염 또는 질산염, 이산화탄소 최종 산물 - 아질산염, 아산화질소, 황화수소, 메탄가스
ATP의 대부분은 화학삼투적 인산화에 의해 생성
(3) 발효fermentation : 해당과정의 최종산물이 호흡으로 들어가지 않고 에너지가 풍부한 유기노폐물로 전환 → 전자전달계와 화학삼투적 인산화 없이 ATP 생산
(4) 호흡의 3 단계 

1 단계 : 해당과정(세포질)
- 포도당의 분해와 기질수준 인산화

2 단계 : 시트르산회로(미토콘드리아)
- 전자와 양성자를 생산하면서 연료가 CO₂와 H₂O로 완전히 산화

3 단계 : 전자전달과 화학삼투적 인산화 - 전자의 자유에너지를 이용해 양성자 기울기를 만들고 ATP 생성

2) GLYCOLYSIS

세포질에서 일어나는 호흡의 예비단계로 산소를 필요로하지 않는다.

포도당에서 시작하여 최종산물로 두 개의 피루브산을 만든다.
(조효소인 NAD⁺ 2분자가 NADH로 환원되고, 4분자의 ADP가 인산화되어 4ATP가 생성
→ 포도당 자유에너지의 일부는 NADH와 ATP에 보존)

(1) 해당과정의 핵심 반응
(2) 해당과정의 조절
세포가 빠른 속도로 ATP를 사용하면 해당과정도 빨리 진행
과당인산키나아제phosphofructokinase : 알로스테릭 효소로 해당과정의 반응 3.에서 과당-6-인산fructose-6-phosphate을 과당-1,6-인산fructose-1,6-diphosphate 로 전환시킨다.
세포내의 ATP 농도가 높으면 억제되고, ADP나 AMP 농도가 높으면 활성화
시트르산에 의해서도 억제 : 시트르산의 생성은 해당과정의 피루브산의 양에 달려있음
⇒ 시트르산이 과당인산키나아제를 억제 → 피루브산의 농도가 떨어짐


3) AEROBIC REPIRATION : THE MITOCHONDRION
(1)피루브산에서 아세틸-CoA로, NADH는 미토콘드리아로 들어갈 수 없지만 왕복운반자shuttle carrier에 의해 에너지를 가진 전자를 미토콘드리아로 전달, 미토콘드리아로 들어간 피루브산은 거대효소/조효소 복합체(티아민, 리보플라빈, 판토텐산, 니코틴산)에 의해 에너지가 풍부한 아세틸-CoAacetylcoenzyme A라는 기질의 일부분이 된다.
피루브산 + NAD⁺ + CoA → 아세틸-CoA + NADH + H⁺ + CO₂

(2) 시트르산 회로 Citric acid cycle : H.A. Krebs 

 

산화반응은 NAD⁺와 FAD와 같은 조효소의 환원과 함께 일어남

조효소는 전자와 양성자를 전자전달계로 이동 → 양성자 기울기 형성 → 화학삼투적 인산화에 작용

① 시트르산 회로의 주요 반응 

 

아세틸-CoA의 도입 : 옥살아세트산oxaloacetate과 반응하여 시트르산 생성, 시트르산 합성효소citrate synthesis가 관여하여 시트르산 회로로 들어감, 떨어져 나온 CoA는 다시 피루브산과 결합하여 아세틸-CoA를 생성하도록 재순환

이산화탄소의 방출 : 순환하기 위해 마지막 단계의 옥살아세트산이 형성되어야 하는데 6탄소를 갖는 시트르산이 4탄소의 옥살아세트산으로 전환되기 위해 서 두 번의 탈카르복시화(이산화탄소 제거)가 일어남

시트르산 회로에서의 산화 : 연료의 산화는 조효소 NAD⁺와 FAD가 전자와 양성자를 받아 환원되는 반응과 짝을 이룸, 환원된 조효소는 전자전달계와 양성자 펌프를 활성화시킴

기질수준의 인산화 : 반응 6.에서 해당과정과 마찬가지로 기질수준 인산화substrate-level phosphorylation가 일어남, GDPguanosine diphosphate는 인산화되어 GTPguanosine triphosphate가 생성 → GTP는 다시 ADP를 인산화 하여 ATP를 생성, GTP는 화학적으로 ATP와 유사하지만 질소염기가 아데닌이 아니라 구아닌이다.

② 지금까지의 포도당 이화작용 : 호흡은 포도당에서 시작되고 포도당은 두 분자의 피루브산 생산 ⇒ 2ATP, 2NADH, 6NADH, 2FADH₂ 생성

4) Electron Transport Systems and Chemiosmotic phosphorylation

(1) 미토콘드리아의 구조
외막-외부와 내부로 물질을 능동수송하거나 왕복시키는 수송단백질transport protein이 존재
외막과 내막 사이에 외부구획outer compartment이 존재
내막-내부구획inner compartment인 기질matrix을 둘러싸고 있음
크리스테cristae 형성 - 내막의 표면적을 증가시켜 반응면적을 증가

① 전자전달계와 F₀ F₁ 복합체
내막에 많은 전자전달계가 있어서 전자를 전달
양성자 펌프(양성자를 내부구획에서 외부구획으로 수송)의 운반자는 철을 가진 시토크롬
F₀ 복합체 : 외부구획에서 시작해 내부구획으로 돌출
F₁ 복합체 : ATP 합성효소를 포함하고 있어 화학삼투적 인산화에 중요 

 

(2) NADH의 전자가 화학삼투 기울기 형성
시트르산 회로에서 생성된 NADH와 FADH₂의 화학삼투 기울기 형성 ⇒ NADH가 전자전달계의 첫번째 운반자 FMN에 도착하면서 시작, FADH₂는 CoQ에 작용하여 두번째 단계의 양성자 펌프에서부터 시작.
NADH가 두 개의 전자와 양성자를 막횡단 단백질인 FMN(flavin monomucleotide)에 넘겨주는 순간 전자전달계에서 전자의 흐름 시작(FMN이 첫번째 양성자 펌프)
두 전자가 CoQ(조효소 우비쿼논)로 전달 → CoQ는 내부구획의 두 양성자를 잡아 CoQH₂가 되고 외부구획으로 방출하면서 시토크롬b(cyt b)로 전자를 전달 (FADH₂의 작용은 CoQ에서부터 양성자 펌프 시작) 시토크롬b는 두 개의 양성자를 외부구획으로 수송하며 두 전자를 시토크롬c(막 표면에 위치)로 전달 → 시토크롬a에 의해 전자는 기질의 산소로 전달되어 물 형성 (산소는 마지막 전자수용체)


① 산소의 역할
호흡의 최종단계에서 자유에너지의 대부분을 소모한 전자와 결합.

한 분자의 산소를 환원시키기 위해서는 두 개 조효소로부터 전자가 와야함
O₂ + 4e^- + 4H⁺ → 2H₂O

NADH에서 시작해 산소에까지 이르는 반응 → 발열반응(-53kcal/mole)
⇒초기 상태의 자유에너지는 양성자 기울기의 자유에너지로 축적


② 양성자 생성 개요
미토콘드리아로 들어간 두 분자의 피루브산은 8개의 NADH와 2개의 FADH₂를 생성
NADH의 전자는 6개의 양성자를 펌프하고, FADH₂의 전자는 4개의 양성자를 펌프 ⇒ 두 분자의 피루브산은 56개의 양성자를 외부구획으로 펌프(8×6 + 2×4)

해당과정에서 생성된 세포질에 있는 2개의 NADH는 미토콘드리아 외막에 있는 운반자에 의해 미토콘드리아 조효소(FAD, NAD⁺)를 환원시켜 2개의 FADH₂를 생성 ⇒ 8개의 양성자 펌프 ∴ 64개의 양성자가 펌프됨

(3) 화학삼투 기울기와 ATP 생성의 개요
두 개의 양성자가 F₁복합체를 통과할때 한 분자의 ATP 생성 (포도당이 완전히 산화되면 36개의 ATP 생성)
포도당 한 분자당 생기는 총 ATP 수
- 기질수준 인산화 : 해당과정 2ATP, 시트르산회로 2ATP
- 화학삼투 인산화 : 64 양성자 → 32ATP
- 포도당 한 분자당 총계 : 36 ATP

(4) 양성자 기울기의 다른 사용
인산화에 필요한 인산(Pi)을 미토콘드리아로 이동시키는 데 이용, 미토콘드리아로 칼슘을 이동시키는데 사용되기도 함, 인산과 칼슘은 특별한 공동왕복 운반자에 의해 수송되며 양성자와 함께 이동, 양성자 기울기는 ADP, 인산, 칼슘 수송에 일상적으로 이용

5) Fermentation Pathways
전자전달계와 화학삼투적 인산화가 관여하지 않음
(1) 알콜 발효alcoholic fermentation - 효모와 몇몇 박테리아에서 발생
최종산물 : NAD⁺, 이산화탄소, 에틸알코올
피루브산이 탈카르복시화 효소의 작용으로 아세트알데히드 생성, CO₂방출
→ NADH가 알코올 탈수소효소에 의해 산화
→ 전자와 양성자가 아세트알데히드로 전달되어 에틸알코올을 형성
※ 효모 : 조건 무산소성 생물 facultative anaerobes - 조건에 따라 무산소성 알코올 발효 또는 이산화탄소와 물이 최종 산물인 산소호흡 중 하나를 택해 피루브산 대사

(2) 젖산 발효lactate fementation - 박테리아와 동물 근육세포의 중요한 경로
최종산물 : NAD₊와 젖산
① 근육조직의 해당과정과 젖산 발효
심한 운동으로 인한 많은 양의 ATP 소모와 산소 공급의 부족
(근육세포) ⇒ 1. 근육의 풍부한 크레아틴인산creatin phosphate에 고에너지 인산을 저장.
크레아틴인산은 근육 수축에 필요한 에너지를 직접 제공하지는 않지만 자신의 고에너지 인산기를 ADP에 전달하여 ATP 생성 : 크레아틴인산 + ADP → ATP + 크레아틴

2. 크레아틴인산이 점차 소모되면 사용되는 두번째 방법인 해당과정 시작. 그러나 산소가
공급되지 못하면 NAD⁺의 재생이 일어나지 못해 해당과정이 진행되지 못함
⇒ 임시 방법으로 NAD⁺를 재생산
NADH에서 수소를 받아 피루브산은 젖산으로 환원 → 젖산은 근육에 의 해 직접 사용될 수
없기 때문에 축적(일부는 간으로 보내짐) → 산소가 충분히 공급되면 젖산은 다시 피루브산이되고 산소호흡 경로로 들어감

※ 간으로 보내진 젖산은 피루브산으로 다시 전환된 후 포도당 신생합성 gluconeogenesis 경로로 들어간다 ⇒ 젖산은 포도당으로 전환되고, 포도당의 일부는 다시 근육으로.

② 산소부채oxygen debt : 산소와 크레아틴인산이 부족한 상태
운동하기 전의 상태로 회복되는데 필요한 산소의 양으로 표현

※포도당 대사의 요약 

6) Alternative Fuels for the Call
지방과 단백질, 탄수화물은 중간대사intermediary metobolism 경로에 의해 해당과정과 시트르산 회로에 사용할 수 있도록 소단위로 분해

(1) 지방 대사
지방산이 미토콘드리아 막을 지나 내부구획으로 수송되기 위해서는 조효소A(CoA)에 의해 활성화 ⇒ 지방산은 CoA와 결합하여 기질로 운반

→ 아세틸-CoA(2C)가 떨어져 나와 시트르산 회로로 들어감

→ 다시 지방산과 CoA가 다시 결합하고 아세틸-CoA가 떨어져 나오는 과정 반복하여

지방산이 완전히 분해

(2) 단백질의 준비

소화효소에 의해 20개의 아미노산으로 가수분해

→ 탈아미노화반응deamination에 의해 아미노기 제거, 5개는 피루브산으로 전환 후 다시 아세틸-CoA로 전환, 6개는 피루브산 단계를 건너 뛰어 아세틸-CoA로 시트르산회로에 들어감, 나머지 아미노산은 시트르산회로를 구성하는 특정한 산으로 전환되어 시트르산회로로 들어감

(3) 중간대사 - 생합성 경로

생합성biosynthesis 경로 : 시트르산 회로의 호흡에 대한 중심적 역할 외에 다른 반응에 필요한 원료물질을

제공하는 중간대사의 한 부분

4. 리처드 파인만

(중력과 원자력을 제외하고) 우주에서 일어나는 모든 현상은 3가지로 설명가능

하나. 광자가 여기에서 저기로 움직인다.

둘.   전자가 여기에서 저기로 움직인다.

셋.   전자가 광자를 흡수하거나 방출한다.

대표적 예가 광합성이나 호흡에서의 전자전달계.

⇒ 생명의 출발점은 electron가 photon을 흡수하면서 시작. 빛에너지를 전자가 받아서 그 에너지를 단백질 전달 시스템을 통해 전달되고 그 과정 중 수소이온이 흡입, 다시 수소이온을 pumping하면서 ATP생성

5.ATP 합성효소 - 거대한 나노머신(35억년)

ATP [adenosine triphosphate]
아데노신에 인산기가 3개 달린 유기화합물로 아데노신3인산이라고도 한다. 이는 모든 생물의 세포 내 존재하여 에너지대사에 매우 중요한 역할을 한다. 즉, ATP 한 분자가 가수분해를 통해 다량의 에너지를 방출하며 이는 생물활동에 사용된다.


양성자가 들어오면서 축이 돌아가고 ADP가 Pi와 합해져서 ATP를 합성(터빈과 같다)

생명현상 초기에 나온 머신이며 지금도 이보다 복잡한 나노머신은 없다.

제 20강 꿈

제19강 꿈

꿈은 REM수면 시 세로토닌과 노르아드레날린이 거의 분출되지 않는 상황에서 아세틸콜린이 dominant하게 나와서 아세틸콜린의 강력한 연상작용에 의해 시각연합영역에 기억된 오래된 정보들이 다중으로 인출되는데 배외측전전두엽의 억제가 없기에 인출된 snap 사진들이 시공간상에 의미있게끔 조합되지 않아 기괴하면서 반성적 사고가 결핍, 꿈의 이미지는 80%가 시각적 이미지로 언어가 거의 없다.(진화적으로 시각은 역사가 5억년 되었지만 언어는 100만년도 되지 않는다.) 해마, 편도가 REM 수면시 시각연합영역과 강력하게 연결되어 과잉 연상, 기저핵의 작용으로 과잉 운동되어 정신분열증의 상태와 유사.

1.수면단계
수면연구실은 작은 침실과 연구자가 머무는 관찰실로 구성되어 있다. 따라서 수면 연구자 자신은, 잠을 자고 있는 피험자를 계속 관찰해야 하기 위해 깨어 있어야 하는 어려움이 있다. 이러한 어려움에도 불구하고 평생 동안 잠자고 있는 사람을 관찰하여, 수면에 대한 과학적 현상을 밝히는데 공헌한 과학자는 Nathaniel Kleitman이다. Kleitman과 그의 조교였던 Eugene Aserinsky는 수면중인 피험자의 눈동자가 빨리 움직이는 것(REM: Rapid Eye Movement)을 발견(1955)하였다.

우리가 잠들어 있는 아기를 유심히 관찰해 보면, 가끔씩 감은 눈밑에서 눈동자가 빠르게 움직이면서(REM) 꿈꾸는 듯한 예쁜 미소를 살짝 짓는 모습을 볼 수가 있다.

전기생리적 변화를 측정하기 위해서는 수면자의 머리에 뇌파기록용 전극인 EEG(Electrocephagram)를 부착한다. 턱에는 근전도(electromyogram: EMG)를 측정하는 전극을 부착한다. 아래 그림을 보면 EEG로 뇌파를 검사하기 위해 아동이 머리에 EEG를 쓰고 있는 모습을 볼 수 있다. 과거의 EEG에 비해 성능과 디자인이 훨씬 세련되게 발전했다.
마치 유명 패션 디자이너의 모자를 쓰고 있는 것처럼 보인다.

Kleitman은 후속 연구에서 REM과 뇌파의 유형 사이의 관계를 밝혔다. 수면 단계별로 나타나는 EEG 기록은 다음과 같다. 우리가 정상적으로 깨어 있는 동안은 뇌에서 알파 활동과 베타 활동이 나타난다. 알파활동(alpha activity)은 주파수 8-12Hz의 규칙적인 파형이다. 조용히 쉬거나, 가벼운 정신활동을 할 때 나타나며, 눈을 감으면 더 잘 나타난다. 베타활동(beta activity)은 불규칙적이고 낮은 진폭(13-30 Hz)의 파형이다. 어떤 상황이나 사건에 주목하거나, 활발하게 생각을 할 때 나타난다.

수면은 4단계로 이루어진다.
1단계 수면에서는 쎄타활동(theta activity:3.5-7.5Hz)이 나타난다. 처음 졸리기 시작할 때 나타나는 활동으로 수면과 각성의 과도기적 상태이다. 천천히 눈을 떴다 감았다 하며, 눈동자가 상하로 구른다.

2 단계 수면은 잠든 후 10분이 지나면 나타난다. 쎄타활동, 수면방추(sleep spindle), 날카로운 파형의 K복합(K complex)이 나타난다. K복합은 2단계 수면에서만 1 분당 한번 발생하며, 수면을 유지시키는 기제 역할을 한다. 수면방추는 12-14 Hz로서, 1- 4단계까지의 수면 중에 분당 2-5번 발생한다. 수면방추는 감각입력에 대한 뇌의 민감성을 감소시켜서 수면을 유지시킨다 나이가 들어가면 수면방추가 덜 나타나서 밤에 자다가 더 잘 깬다.

3 단계 수면은 잠든 지 15분 후에 나타나며, 진폭이 큰 델타활동(delta activity: 3.5Hz 이하)이 출현한다. 잠의 단계에서 3단계와 4단계의 구분은 분명치는 않다. 3단계는 델타활동이 20-50%, 4단계는 50% 이상 나타난다. 잠이 든지 90분 후에는 생리적 측정치가 급격히 떨어지고, 쎄타파가 산발적으로 나타난다. 이 때 눈꺼풀 아래 눈동자가 빨리 움직이는 REM 현상이 나타난다. REM수면 동안은 가꿈 움찔하는 외에는 거의 마비상태라고 한다.

1단계에서 4단계 까지의 수면을 비-REM수면이라고 한다.
이 중에서 3-4단계는 서파수면(slow-wave sleep)이라고 한다.

사람들은 REM수면 동안에는 소음에 반응이 없지만, 이름을 부르면 그것은 의미있는 일이기 때문에 반응을 한다. REM수면 상태에서 깬 사람은 기민하고 주의력 있어 보인다. REM수면 중인 피험자를 깨워 무슨 일이 있었냐고 물어보면, 대부분 꿈을 꾸었다고 답한다. EM수면과 비-REM 수면은 주기적으로 교대로 나타난다. 한 주기는 약 90분이며, 주기마다 20-30분이 REM수면이다. REM 수면 동안은 척수신경 및 운동 뉴런이 강하게 억제되기 때문에 몸의 대부분이 거의 마비상태가 된다. 그러나 동시에 뇌는 매우 활동적이 되어 대뇌혈류 및 산소 소모량이 증가한다.

어릴때는 REM수면기가 길다. non REM 수면과 반반이다. 어른이 되면서 REM수면기가 줄어든다.

2.Allan Hobson의 꿈 
3번(전대상회, 해마, 해마방회, 편도)과 11번(시각연합영역)이 강하게 연결-시각적 환상, 시각적 과잉연상

7번(운동영역), 8번(체감각영역), 10번(시각영역)이 봉쇄

4번(배외측전전두엽)이 억제되어 시공간이 뒤범벅되어 있다.

꿈을 꿀 때 활성화 되는 영역
a.교뇌(상행활성계) - 운동신경패턴 발생, 꿈의 시작은 교뇌에서부터

그물형성체 (Reticular Formation)
뇌간의 피개에는 회색질(gray matter)과 백색질(white matter), 어느쪽에도 속하지 않는 부분이 있다. 이 부분은 섬유다발이 신경세포들을 마치 그물처럼 감싸고 있는 형태로 나타나기 때문에 그물형성체(reticular formation)라고 한다. 그물형성체는 뚜렷한 핵을 이루지 않는 신경세포체들과, 이 사이를 주행하는 신경섬유의 다발로 구성되어 있고, 대체적으로 뇌간 피개의 중앙부에 위치해 있다. 계통발생학적으로 뇌에서 가장 오래된 부분이라고 할 수 있으며, 생명의 유지에 직접적으로 관계되는 원시적인 기능을 담당한다고 알려져 있다.

그물형성체 신경원은 대부분 다극신경원(multipolar neuron)으로, 수상돌기(dendrite)는 뇌간의 장축에 직각방향으로 뻗어있으며, 세포체에서 여러 방향으로 방사되어 나간다. 이와 같은 수상돌기의 배열은 뇌간에 평행한 방향으로 주행하는 여러 상행 및 하행신경로와 시냅스를 이루기 쉬운 구조이며, 실제로 신경계의 여러 부분에서 다양한 종류의 구심섬유를 받는다. 하나의 그물형성체 신경원이 4000개가 넘는 다른 세포에서 입력을 받으며, 이들 세포들은 중추신경계의 거의 전역에 걸쳐 있다. 특히 그물형성체의 신경원들은 거의 모든 감각계에서 곁가지(collaterals)를 통해 직접 또는 간접으로 정보를 받는다.

그물형성체 신경원의 축삭은 매우 크고 길며, 곁가지를 많이 분지하여, 중추신경계의 광범위한 부위로 투사된다. 일부 세포는 25,000개가 넘는 다른 신경원과 시냅스를 이루어 중추신경계의 거의 모든 부분에 투사섬유를 보낸다. 이들 원심섬유는 다른 그물형성체 신경원과도 시냅스를 이루며, 척수쪽으로 하행하는 가지와, 간뇌-대뇌피질 쪽으로 상행하는 가지를 모두 내는 것들도 있다. 이들은 모두 하나의 축삭에서 나온 축삭가지들이라고 알려져 있다.

그물형성체는 수면과 각성, 의식 등 대뇌피질 기능의 조절이나, 호흡 및 심장혈관기능과 관계된 내장기능의 조절, 감각전달의 조절, 골격근 운동기능의 조절 등 여러 가지 중요한 기능에 관여한다.

상행(오름)그물활성계 (Ascending Reticular Activating System, ARAS)
그물형성체의 활성은 각성상태(arousal, waking state, alertness)와 밀접한 연관이 있다. 일반적인 수면상태의 경우, 뇌전도(EEG, electroencephalogram)에서는 진폭이 큰 수면파가 낮은 빈도로 나타나는 동조현상(synchronization)이 나타나며(서파수면 slow wave sleep), 각성상태 또는 REM 수면(REM sleep, paradoxical sleep)에서는 비동조현상(desynchronization)이 나타난다. 그물형성체의 자극에 의해 뇌전도의 동조 상태는 비동조 상태로 변화하고, 수면상태에서 각성상태로 변화하게 되며, 이를 각성반응(arousal reaction)이라고 한다. 실험동물에서 이러한 현상은 뇌와 척수의 연결이 끊어진 상태(고립뇌 encephale isole)에서도 나타나지만, 뇌간과 뇌가 끊어진 경우(고립대뇌 cerveaux isole)에는 나타나지 않으며, 고립대뇌의 경우 뇌전도에서는 비동조현상을 계속 보이고 동물은 계속적인 수면 상태에 있게 된다. 또한 뇌간의 중심부분, 즉 그물형성체가 손상된 경우, 뇌전도에서 동조상태는 비동조상태로 변화하지 않고 동물은 각성상태로 활성화되지 않으며, 사람의 경우에는 계속 혼수(coma)상태에 있게 된다. 따라서 뇌간의 중심부분에 위치하는 그물형성체가 상행신경로를 통해 대뇌피질을 활성화시킨다고 생각되며, 이를 상행(오름)그물활성계(ascending reticular activating system, ARAS)라고 한다. 이 상행그물활성계는 시상의 수질판내핵군(intralaminar nuclear group)을 통해 대뇌피질(cerebral cortex)로 이어지며, 그물형성체에서 시상으로 이어지는 신경로는 중심피개로(central tegmental tract)로 생각된다. 이 상행그물활성계(ARAS)에 의해 자극에 대한 정상적인 반응을 할 수 있는 각성상태(arousal)가 유지되고 의식(consciousness)이 있게 된다. 또한 이 계통에 속하는 세 구조인 그물형성체, 시상 수질판내핵군, 대뇌피질과 이들의 연결 부분이 손상되면 의식의 장애가 일어날 수 있다.

각성(arousal)은 망상체 기능들 중 하나로 보인다.  망상체는 “경비견(watchdog)” 기능 제공에 특히 적격인데, 망상체는 뇌간에 있는 감각핵, 운동핵과 통합핵 및 모든 경로들과 광범위하게 연결되어 있기 때문이다. 

  한 개체가 영위하고 있는 의식의 상태는 뇌간과 대뇌피질 사이의 복잡한 상호작용에 의해 결정된다.  가장 중요한 뇌간 요소의 하나는 RAS(reticular activating system; 망상체활성계)로 알려진 망상체 안에 펼쳐져 있는 망이다.  그림 15-12에 도해되어 있는 이 망은 시상하부에서 연수까지 걸쳐있다.  RAS의 출력은 넓은 영역의 대뇌피질에 영향을 끼치는 시상의 핵들로 투사된다.  RAS가 활동하지 않으면, 대뇌피질 역시 활동하지 않는다.  RAS를 자극하면 대뇌피질의 활동이 광범위하게 일어난다.

  RAS의 중뇌 부분이 이 시스템의 중추인 것으로 나타나고 있으며, 이 부분에 대한 자극은 대뇌피질에 가장 두드러지고 오래 지속되는 작용을 일으킨다.  RAS의 다른 부분들에 대한 자극은 단지 중뇌 부분의 활동을 변하게 하는 정도로만 작용하는 것으로 보인다.  RAS의 중뇌 부분에 대한 자극이 크면 클수록, 들어오는 감각 정보를 더욱 경계하고 살피게 된다.  RAS의 시상 부분은 특정한 지적 처리(specific mental processes)에 집중하는 데에도 중요한 역할을 하기도 한다.

  망상체와 RAS를 충분히 활성화시킬 수 있는 자극은 모두 수면이 끝나게 할 수 있다.  각성은 신속하게 일어나지만, RAS에 대한 단일 자극의 효과는 1분도 채 안 되는 동안만 지속된다.  그 후에는 의식이 양성 되먹이에 의해 유지되어질 수 있는데, 대뇌피질과 대뇌핵 및 감각과 운동 경로들의 활동이 RAS를 계속 자극하기 때문이다. 

  많은 시간 활동한 후, 망상체는 자극에 덜 반응하게 된다.  그 사람은 덜 명료해지고 더욱 졸립게 된다.  정확한 기전은 아직 밝혀져 있지 않지만, 신경 피로는 RAS 활동의 저하에 비교적 작은 역할을 하고 있는 것으로 보인다.  증거는 깨어있는 것과 잠든 것이 교대되는 주기의 조절은 서로 다른 신경전달물질을 이용하는 뇌간의 핵들 사이의 상호작용에 의해 이루어진다고 시사하고 있다.  한 무리의 핵들은 노어에피네프린으로 RAS를 자극하여 깨어있는 명료한 상태를 유지시킨다.  세로토닌으로 RAS의 활동을 저하시키는 다른 무리는 깊은 수면을 조장한다.  이 “경쟁하는 핵들(dueling-nuclei)”은 뇌간에 자리잡고 있다.

b.시상하부(본능(식욕,성욕,갈증), 꿈은 본능에 의해 driving - 프로이트학설이 앨런홉슨에게 받아들여지는 유일한 부분)
1. 시각교차전구역(preoptic region)
2. 전시상하부핵(anterior nucleus)
3. 시각교차상핵(supraoptic nucleus)
4. 뇌실옆핵(paraventricular nucleus)
5. 등쪽내측시상하부핵(dorsomedial nucleus)
6. 배쪽내측시상하부핵(ventromedial nucleus)
7. 깔대기핵(infundibular nucleus,
궁상핵 arcuate nucleus)
8. 유두체핵(mammillary nucleus)
9. 후시상하부핵(posterior nucleus)
그림 10-10. 시상하부(hypothalamus)의 핵군. 


편도핵복합체(amygdaloid nuclear complex) 

뇌간(brain stem)  해마형성체(hippocampal formation)
시상하부(hypothalamus)
중뇌변연구역(limbic midbrain area)
후각피질(olfactory cortex)
척수(spinal cord)
중격부(septal region)

그림 10-2. 중격-시상하부-중뇌 연속체(septo-hypothalamo-midbrain continuum)와 변연계(limbic system)에 속하는 구조의 관계.

c.전뇌기저부(마이네르트기저핵 Ach이 가장 많이 분비, 의식과 꿈에 있어 가장 중요한 신경전달물질이 아세틸콜린)

d.해마, 편도(감정), 전대상회(감정이 leveling된다. 꿈을 꿀 때 가장 활성화되는 곳이 전대상회이다), 해마방회 - 정서적 현저성

e.시상(외측슬상체, 꿈에서 우세한 감각은 시각, 언어도 산수도 없지만 시각은 과잉연상, 꿈은 시각으로 구성되어 있다 )

f.시각연합영역(배외측전전두엽의 억제 없이 기억과 시각 연결)
꿈을 측정할 때 항상 PGO(뇌교,시상,시각영역) pulse가 나온다.

g.기저핵(운동시작) - 운동프로그램을 선택

h.소뇌(미세한 운동)

i.하두정엽(다양한 감각신호를 공간상에서 종합) 

뇌교에서 activation되어서 시상침과 시각연합영역으로 input이 들어가고 cortex와 pons, thalamus의 modulation

3.꿈을 꿀 때 억제되는 영역 
a.배외측 전전두엽(비교, 예측, 판단, 작업기억, 주의, 집중)
-꿈의 내용이 지리멸렬, 그러함에도 영상이 보이는 것은 시각연합영역과 기억영역이 강력하게 연결, 배외측전전두엽의 억제없이 임의대로 시각, 기억이 무한대로 인출 → 시각적 연상의 과잉
b.일차운동영역에서 출력에 억제(척수전각에서 off)
c.체감각영역, 청각영역에서 들어오는 정보가 봉쇄
d.일차시각영역으로 들어오는 정보가 봉쇄

4.꿈의 특징
a.시간 공간 뒤섞임
b.반성적 사고의 결핍
c.최근 기억 불러오지 않고 장기기억 불러온다(일상사가 잘 일어나지 않는다)
⇒ 배외측전전두엽이 억제되기 때문, 작업기억이 되지 않는다. 작업기억은 최근 기억을 process한다.)

5.꿈과 신경전달물질

아민계 - 세로토닌, 노르아드레날린 (Non REM 수면 일때 50% 발화율이 떨어지고, REM수면일 때 거의 0)

콜린계 - 아세틸콜린 (꿈을 만든다, 기억의 강한 인출), REM수면일 때 높다
하루에 90분정도 REM수면을 취한다.
초록색이 REM수면, 새벽으로 갈수록 REM수면 시간이 늘어남. REM수면시 아세틸콜린 증가, 노르아드레날린, 세로토닌 감소

6.깨어있을 때나 REM수면일때의 뇌파는 거의 유사하다. 

입력을 배경으로 하지 않을 뿐 꿈은 강력한 뇌의 활동

7.꿈이 왜 꿈일 수밖에 없는가?(5가지 질문으로 요약된다)
a.강력한 감각운동적 특성을 같고 있는가? ex)날아다닌다.
→배외측전전두엽 억제되어 있는데 기저핵의 활동은 과잉, 운동성의 과잉.
b.꿈은 왜 반성적 사고가 안 되나?
c.꿈에서는 왜 기억 활용이 제한되는가?
d.꿈은 왜 기억 안되나?
→진화적으로 꿈은 기억이 잊혀져야 한다. 내부신호(꿈), 외부신호(자극)가 구분 안되면 정신분열 - 노르아드레날린 분출 안된다.(기억 안된다)
e.?

8.꿈의 진화 

어류 3억년 전 출현
원시수면(어류)
1단계 수면시 자극하면 꼬리가 움직인다.
2단계 수면시 자극해도 완전 굳어짐
3단계 수면시 자극에도 완전 이완
조류, 포유류로 오면서 3단계만 진화(Non REM, REM)

단공류인 오리너구리, 바늘두더지(전체 피질에 비해 전두엽이 아주 크다 - REM수면이 없기 때문 모든 학습을 온라인 상태로 현장에서 학습해야)
REM수면이 없다면 인간 정도의 능력을 갖추기 위해 전두엽이 수레 가득 있어야
REM수면 중에 오프라인 상태에서 낮에 있었던 것을 반복 학습한다.

현장에서 예기치 않은 상황에서 현장에서의 회피 상황을 REM수면 중에 simulation(학습하는 곳이 전두엽), 바늘두더지는 REM수면이 없기에 현장 상황 상황마다 다시 process해야 하기에 전두엽이 클 수 밖에 없다.

9.자각몽(스티븐 라버지) - 자기가 꿈꾸는 것을 자각한다. 동시에 여러 사람이 함께 자각몽을 꾸는 것이 가능하다. 꿈을 통한 하나의 세계가 건립된다. 리얼한 세상과 꿈을 통한 세상이 뇌과학적으로 구분되지 않는다. 라버지의 자각몽 연구는 의식과 꿈과 현실을 전체로 아우르는 새로운 이론으로 주목받고 있다.

꿈과 현실이 우리가 흔히 생각하는 것만큼 구분 가능한가? 꿈과 현실을 비교할 때 시간상으로 지금까지 부당하게 견주었다. 꿈과 옛날의 지나간 일을 다 과거의 사건으로 비교해볼 때 본질적으로 다르지 않다는 것을 알 수 있다.

제19강 뇌와 의식

제19강 뇌와 의식
1. 의식 - 인류가 이제 막 발을 디뎌 놓는 미지의 영역

“의식은 마음에 생명을 부여한다. 신경과학자에게 의식은 궁극의 수수께끼이다. 의식이 무엇인지 서서히 드러나고 있으며 기대하는 해답이 어떤 것인지 조금씩 깨닫고 있는 중이다. 1970년대 이후로 놀라운 발전이 이룩되고 있다. 그러나 우리의 몸은 이제 막 시작되었을 뿐이다.”                                                                              수잔 그린필드 

 뇌 활동의 95%는 무의식
의식 - 각성상태. 말이 통하는 상태

생각 - 언어로 매개한 아주 구체적인 추론, 판단, 예측 영역에 작용하는 의식의 극히 일부

뇌과학의 궁극적 대상이 의식

마음이 무엇인가?란 질문에 뇌과학자들은 의식이 무엇인가?로 이해한다.

2.의식에 관한 핵심 이론
Gerald Edelman`s theory of neuronal group selection
Humberto Maturana`s autopoiesis - 자가 생산 개념
Rodolfl Llina`s brain model - 뉴런의 운동일원론으로 의식, 감각질, 언어까지 설명
Allan Hobson`s theory of dreaming -꿈
Richard Dawkins` memes - 진화론

저서
Fodor, Jerry : the Language of thought(1975)
Dawkins, Richard : the Selfish Gene(1976)
Gould, Stephen-Jay : Ever Since Gene(1976)
Gould, Stephen-Jay : Ever Since Darwin(1978)
Margulis, lynn : Symbiosis and cell Evolution(1981)
Edelman, Gerald : Neural Darwinism(1987)
Hobsom, Allan : The Dreaming Brain(1989)
Ridley, Matt : The Red Queen(1994)
Damasio, Antonio : Descartes`s Error(1995)
Mithen, Steven : The Prehistory of the Mind(1996) "마음의 역사“ 일본 대칭의 철학에 있어 중요 이론 기반이 The Prehistory of the Mind에 나오는 인식의 유동성
Diamond, Jared : Gun, Germs, and Steel(1997)

3.의식 상태의 속성들
-일반적 속성
의식상태는 일원적, 통합적이고 뇌에 의해 구성된다.
의식상태는 다양한 감각양식의 결합을 반영한다.
-정보적 속성
의식상태는 광범위한 내용의 지향성을 보여준다.
-주관적 속성


4.요로 다케시가 요약한 의식에 대한 학설
(1994년 아리조나 투손?에서 있었던 제1회 의식학회 개최와 1996년 제2회에 다루어진 다양한 학설)
a.백의군단 - 의식은 뇌의 산물이다.(거의 대부분의 신경생리학자들, 크릭, 처치랜드..)
b.‘문제는 어렵다’는 주장파 - 우리의 마음이란 무엇인가, 그것은 정확하게 어떤 것인가, 그것이 문제라는 것이다.(철학자 찰머스)
c.'큰 문제 없다‘는 주장파 - 백의군단 + 논리행동주의(다니엘 댓닛)
d.플로피 디스크 뇌 파 - 인공지능 주의자들
e.인지학파 - 실험심리학 + 신경과학
f.탄소중심주의자들(철학자 존설)
g.창조적 계층 구조파
h.신비파 - 뇌의 기능에 대해서 어느 정도 알려진 상황에서도 의식이라는 체험은 아직 잘 모르는 채 있다(지금까지의 연구는 그렇지 않다)
i.양자 신비파 -로저 펜로즈(미세소관의 양자 바이브레이션이 의식의 기본 - 뇌신경학자들에게 통열히 공격받고 있다)
j.명상파
k.인문 민속심리파 - 개성이나 건강, 사회에 의식의 이해가 어떤 영향을 주는가(대부분의 일반인)

“일본에서의 상황은 명상파가 약간 있으며, 인문 민속심리파 표면적으로 나타난 것만 봐도 다수이다. 초능력 파는 잠재적으로 가장 많다. 문과계통의 인테리들은 대부분 신비파에 속한다.”                                                                           -요로 다케시

5.의식의 출현(생각의 출현)에 있어 3가지 뇌과학적 조건
a.시상피질계(새로운 피질 system) - 외부 자극을 process 하기위해 진화, 진화상 시상과 대뇌피질간의 강력한 연결, 3cm 밖에 안되는 시상을 통해 많은 감각정보가 피질로 전달. 피질로 전달되는 정보의 대부분이 시상을 통해서
b.가치범주기억(가치(dopamin 배쪽창백핵, 복측피개영역, 중격의지핵(쥐실험에서 쾌감을 자극, 끊임없이 쾌감을 자극하는 영역)에 물든 기억(해마 - 파페츠 회로))
c.재입력연결 - a,b의 상호연결 ⇒ 장면의 출현(1차의식 - 응집된 하나의 장면, 고정된 것)

고차의식 : 장면에 시간이 도입, 장면의 연속, 내면의 흐름, 언어(브로카와 베르니케영역)를 매개로 하는 내적 흐름

brain은 모든 부위가 모든 부위와 연결되어 있다.(피질전체가 상호연결, 시상피질계와 변연뇌간계(해마기억계와 뇌간중심의 가치계)가 진화상으로 연결되어 1차의식 형성)

전두엽은 여러 곳에서 입력을 받지만 뇌간에서 직접입력을 받고 있다. - 운동계와 가치계가 한꺼번에 연결

 
시상

-major interconnections에 보면 시상과 피질간의 강력한 연결을 살펴볼 수 있다. 감각영역, 운동영역에 연결되어 있다. 시상피질계와 감각피질이 long-range cortico-cortico tracts을 통해 만난다.
-감각신경신호를 대뇌피질로 방사하고 대뇌피질신호도 척추로 내보내준다
-4구역 : 시상상부(고삐핵(후각매개) + 송과체(멜라토닌(일주기)와 관계), 배쪽시상, 등쪽시상(크다), 시상하부 
그림 8-1. 사람 시상의 핵군. 후외측에서 본 왼쪽 시상을 입체적으로 나타내었다. 내부구조를 보여주기 위해 뒷부분을 절단하였으며 시상그물핵은 앞의 일부분만을 나타냈다.

길이 3cm 폭 1.5cm

A 시상전핵군(anterior nuclear group)   MG 내측무릎핵(medial geniculate nucleus)
IL 수질판내핵(intralaminar nuclei)  P 시상베개(pulvinar)
LD 외측등쪽핵(lateral dorsal nucleus)  R 시상그물핵(thalamic reticular nucleus)
LG 외측무릎핵(lateral geniculate nucleus)  VA 배쪽전핵(ventral anterior nucleus)
LP 외측후핵(lateral posterior nucleus)  VL 배쪽외측핵ventral lateral nucleus)
MD 내측등쪽핵(mediodorsal nucleus)  VPL 배쪽후외측핵(ventral posterolateral nucleus)  Mid 중간핵(midline nuclei)  VPM 배쪽후내측핵(ventral posteromedial nucleus) 

수질판내핵(intralaminar nuclei) -의식에 관해 주요부위, 뇌간과 수질판내핵을 건드리면 의식이 사라져버린다.

 

시상이 대뇌피질 전체와 일대일로 matching된다

도파민(가치는 욕구에 의해 driving되는 시스템 - 도파민시스템, 배쪽창백핵, 복측피개영역, 중격의지핵) : 카테콜아민세포군 (catecholaminergic cell group)
노에피네프린이나 도파민과 같은 카테콜아민(catecholamine)은 포르말린 증기로 처리하면 녹색의 형광을 낸다. 1964년 스웨덴의 신경과학자인 달스트룀(Dahlstrom)과 푹시(Fuxe)는 이러한 현상을 흰쥐의 뇌에서 발견하였고, 카테콜아민을 함유한 세포군을 A군으로 명명하였다. A군은 여러 개의 작은 세포군으로 구성되어 있으며, 뇌간의 아래쪽에서부터 A1, A2, A3 ---- 의 순으로 번호가 붙어 있다. A1~A7 세포군은 모두 뇌간의 외측핵군에 위치해 있고 노에피네프린을 신경전달물질로 함유하고 있다. A8~A16 세포군은 도파민을 함유하고 있고, 이 중에서 A8~A10 세포군은 중뇌에 위치한다.
A1 세포군은 의문핵의 배쪽 외측에 있는 연수중심핵에 위치하고, A2 세포군은 고립로핵과 미주신경등쪽핵 및 주위의 그물형성체에 있다. A3 세포군은 설치류에만 있으며 사람에서는 뚜렷하지 않다. A4 세포군은 상소뇌각을 따라 존재하는 뇌실막세포 심부에 산재된 신경원이며, A5 세포군은 외측거대세포옆그물핵에 위치한다. A6 세포군은 청색반점핵(nucleus locus ceruleus)이며, A7 세포군은 교뇌 피개의 배쪽 상부에 위치한다. 이 중에서 청색반점핵이 가장 크고 뚜렷하며, A1, A5, A7 은 세로로 길게 연속된 구조로 나타난다. 청색반점핵을 포함한 노에피네프린세포군은 중추신경계의 거의 모든 부분에 원심섬유를 보낸다. 이 신경원의 축삭은 가지를 매우 많이 내며, 상행 및 하행가지로 나누어져 전뇌의 거의 모든 부분과 소뇌, 뇌간, 척수 등에 분포한다.

 

그림 6-11. 청색반점핵(nucleus locus ceruleus) 신경원의 원심성 연결. 이 신경핵의 축삭은 모든 중추신경계에 광범위하게 분포되어 있다. 대뇌피질에는 중계핵을 거치지 않고 직접 원심섬유를 보낸다.

역시 스웨덴의 신경과학자인 획펠트(Hokfelt) 등은 1973년 에피네프린을 신경전달물질로 함유한 세포군을 발견하였으며, 이를 C군으로 명명하였다. 뇌간에는 C1, C2 의 두 세포군이 있다. C1 세포군은 A1 과 같은 부분(의문핵의 배쪽 외측에 있는 연수중심핵)에 있고, C2 세포군은 A2 세포군과 같은 부분(고립로핵과 미주신경등쪽핵를 포함하는 주위의 그물형성체)에 위치한다.

뇌간에서 도파민을 함유한 신경원은 모두 중뇌에 위치하며, A₈세포군은 적색핵(red nucleus)의 뒤쪽 그물형성체에 위치한 적색핵후구역(retrorubral area, A₈)이고, A₁₀세포군은 중뇌피개의 앞쪽에 위치하는 배쪽피개구역(ventral tegmental area of Tsai, VTA)이다. A₉세포군은 그물형성체에 속하지는 않지만 이 중에서 가장 뚜렷한 세포군으로 흑색질 치밀부분(substantia nigra, pars compacta, SNc)에 해당한다. 흑색질 치밀부분(SNc)의 원심섬유는 주로 기저핵(basal ganglia), 특히 선조(striatum)로 투사되며, 이를 선조관련도파민계(mesostriatal dopaminergic system)라고 한다. 배쪽피개구역(VTA)의 원심섬유는 주로 변연계(limbic system)로 투사되며, 이를 변연관련도파민계(mesolimbic dopaminergic system)라 한다. → Hipp-VTA loop, 가치에 물든 기억(가치범주기억)

아세틸콜린(의식에 있어 가장 중요한 신경전달물질 - 기억, 운동에 중요)
뇌에서 Ach 분비하는 곳(6곳) :
세포체에 아세틸콜린(acetylcholine)을 함유한 신경핵을 콜린성핵(cholinergic cell group)이라고 한다. 뇌에는 아세틸콜린을 함유한 여섯 개의 세포군이 있으며, 메술램(Mesulam)은 이를 Ch 세포군으로 명명하였다.

Ch1 - Ch4 세포군은 대뇌기저부(basal forebrain)에 있으며, Ch5 와 Ch6 세포군은 뇌줄기에 위치한다. Ch1~Ch3 세포군은 중격핵에 위치해 있다.
이 중 Ch1 세포군은 내측중격핵에 해당하며,
Ch2와 Ch3는 브로카의 대각선조핵(nucleus of diagonal band of Broca) 내에 있다.
Ch4 세포군은 마이네르트(프로이드의 스승)기저핵으로 Ch 핵군 중에서 가장 크다.(전뇌기저핵에서 많이 분비) - 알츠하이머병과 유관
Ch5 세포군은 그물구성체 외측핵군의 다리교뇌핵(pedunculopontine nucleus)에 해당되며, Ch6 세포군은 교뇌의 중심회색질(pontine central gray)에 위치해 있다.

중뇌보행영역(midbrain locomotor region): 흑색질(substantia nigra)과 연결되어 있는 보행영역(locomotor region)은 대뇌각교뇌핵(pedunculopontine nucleus)이다. 이 핵의 밀집부분에는 아세틸콜린(acetylcholine)을 신경전달물질로 함유한 콜린성신경원(cholinergic neuron)이 있으며 Ch5 세포군이라고도 한다. 또한 이 부분은 중뇌보행영역(mesencephalic locomotor region)이라고도 하는데 그 이유는 유두체(mammillary body) 바로 아래에서 대뇌와 뇌간 사이를 절단한 동물(제뇌동물 decerebrate animal)에서 대뇌각교뇌핵의 콜린성 신경원을 자극하면 사지가 교대로 움직이는 반사적인 보행운동이 일어나기 때문이다.
→PPN에서 시상의 수질판내핵군으로 간다.

“의식에서 결정적인 단일한 신경전달물질이 있다면 그것은 아세틸콜린이 틀림없다. 두 가지 주요 콜린성 경로는 뇌간과 기저전뇌에서 시작된다. 뇌간 세포들은 시상으로 상향투사되고, 시상에서 방출된 아세틸콜린은 감각말초에서 피질로 정보가 중계되도록 돕는다.”

마이네르트기저핵에서 뇌피질 전체로 아세틸콜린이 분출되는 것이 의식의 각성을 일으키는데 가장 중요

시상그물체가 전체에 억제신호를 보내 선별적으로 연결을 형성

마이네르트 기저핵은 학습, 기억, 각성, 수면, 운동 등 여러 가지 기능에 관여한다고 믿어지지만 아직도 명확한 기능에 대해 알려지지는 않고 있다.

수질판내핵군(Intralaminar Nuclear Group)
→major interconnection(점선)에서 감각피질과 연결되어서 전두엽까지 연결된 attentional system, PPn에서 나오는 Ach에 자극받은 수질판내핵 : 의식 이해의 key

내측수질판(internal medullary lamina)의 내부에 있는 핵군을 말하며 뇌간, 척수, 소뇌, 기저핵 등 여러 피질하구조에서 구심섬유를 받고, 대뇌피질의 광범위한 영역으로 투사되는 비특수핵이다.
형태 및 분류: 내측수질판은 전방은 좁고 후방은 넓으며, 상면에서는 좁고 하면에서는 넓어진다. 내측수질판의 전방 즉 부리쪽에는 비교적 구별이 잘 안되는 세개의 핵, 즉 중심외측핵(central lateral nucleus, CL), 중심옆핵(paracentral nucleus, PC)과 중심내측핵(central medial nucleus, CeM) 이 얇은 내측수질판 내에 있으며, 부리쪽수질판내핵(rostral intralaminar nuclei)이라고 한다. 내측수질판의 후방, 즉 꼬리쪽에는 크고 뚜렷한 중심정중핵(central median nucleus, CM, nucleus of Luys)과 굽이후다발(fasciculus retroflexus, 반굴속)의 등쪽내측부를 싸고 있는 다발옆핵(parafascicular nucleus, PF)이 있어 꼬리쪽수질판내핵(caudal intralaminar nuclei) 또는 중심정중핵-다발옆핵 복합체(CM-PF complex)라고 한다.
부리쪽수질판내핵은 크고 짙게 염색되는 다극신경원으로 구성되어 있으며 유수신경섬유다발(myelinated fiber bundle) 사이에 세포가 몇 개씩 군을 이루어 모여 있다. 중심정중핵(CM)은 작고 밀집되어 있는 세포들로 구성되어 있으며 영장류에서 특히 크고 거의 원형이다. 다발옆핵(PF)의 세포는 중간 크기이며 짙게 염색된다.
구심성연결(afferent connection): 부리쪽수질판내핵은 뇌간의 그물형성체, 척수시상로, 소뇌, 대뇌피질 등 여러 부위에서 구심섬유를 받는다.
중뇌, 교뇌, 연수의 그물형성체에서 유래되는 원심섬유가 부리쪽수질판내핵의 전역에 종지된다. 여기에는 척수그물시상로(spino-reticulo-thalamic tract)의 섬유도 포함되어 있다.
척수시상로는 시상에 들어오면서 내측과 외측으로 나누어져 외측은 주로 배쪽후외측핵(VPLc)에 종지하며, 내측은 부리쪽수질판내핵의 중심외측핵(CL)에 주로 종지한다. 부리쪽수질판내핵에 들어오는 척수시상로를 외측으로 들어가는 신척수시상로에 대해 구척수시상로(palaeo-spinothalamic tract)라고 하며 계통발생학적으로 더 오래된 구조이다.
소뇌의 심부핵(deep nuclei of cerebellum)에서 들어오는 구심섬유도 주로 중심외측핵(CL)에 종지된다. 대뇌피질의 광범위한 영역에서 피질시상섬유를 보내며 특히 체감각영역(브로드만영역 3,1,2,5)에서는 중심외측핵(CL)으로, 전전두엽피질(prefrontal cortex)과 대상이랑(cingulate gyrus)에서는 중심내측핵(CeM)과 중심옆핵(PC)으로 원심섬유를 보낸다.
기타 상구(superior colliculus)의 심층, 덮개앞부분(pretectum), 흑색질(substantia nigra)에서도 구심섬유를 받는다.

꼬리쪽수질판내핵(caudal intralaminar nuclei)에서는 주로 기저핵(basal ganglia)과 대뇌피질에서 구심섬유를 받는다.
기저핵의 출력부인 창백핵(globus pallidus)의 내측부(GPi)에서 기원된 구심섬유는 주로 중심정중핵(CM)에 종지된다. 이 섬유는 외측배쪽핵 구부(VLo)와 배쪽전핵 소세포부(VApc)로 투사되는 창백시상섬유(pallido-thalmic fiber)의 곁가지(collateral)라고 알려져 있다.
대뇌피질의 일차운동영역(primary motor area, 브로드만영역 4)에서 기원되는 섬유는 주로 중심정중핵(CM)에서 종지되고, 전운동영역(pre-motor area, 브로드만영역 6)과 전전두엽피질(prefrontal cortex)에서 기원되는 섬유는 다발옆핵(PF)에서 종지된다고 알려져 있다.
원심성연결(efferent connection): 수질판내핵군(intralaminar nuclei)은 광범위한 대뇌피질과 기저핵의 선조체(corpus striatum)에 원심섬유를 보낸다. 수질판내핵군 특히 부리쪽수질판내핵에서는 거의 모든 대뇌피질에 원심섬유를 보낸다. 중계핵에서 기원된 원심섬유와는 달리 대뇌피질의 I층에 종지한다. 그물형성체에서 오는 입력이 이곳을 거쳐 대뇌피질의 광범위한 영역으로 투사되기 때문에 상행그물활성계(ascending reticular activating system)의 형태학적 구조로 여겨지고 있다.

꼬리쪽수질판내핵에서는 선조체의 입력부인 조가비핵(putamen)과 미상핵(caudate nucleus), 즉 신선조체(neostriatum)로 원심섬유를 보낸다. 꼬리쪽수질판내핵에서 대뇌피질로 가는 원심섬유는 이 섬유의 곁가지라고 알려져 있다. 약간의 섬유는 기능적으로 기저핵의 일부인 시상밑핵(subthalamic nucleus)에 종지된다.

기능(function): 일반적으로 수질판내핵군은 상행그물활성계(ascending reticular activating system)의 중계핵이라고 알려져 있다. 수질판내핵군을 낮은 횟수(주파수, 6-12/sec)로 자극하면 대뇌피질의 광범위한 영역에 동원반응(recruiting response)이라고 하는 반복적인 표면전위(surface potential)가 나타난다. 반면 중계핵을 자극하면 한정된 부위에 반응이 곧 나타났다가 없어진다. 또한 이 부분을 낮은 횟수로 자극하면 뇌전도(EEG, electroencephalogram)에서는 이완된 상태에서 나타나는 동조현상(synchronization)을 보이며, 높은 횟수로 자극하면 각성상태(arousal) 또는 REM 수면시 볼 수 있는 비동조현상(desynchronization)이 나타난다. 이러한 뇌전도의 현상은 뇌간 그물형성체(reticular formation)에서 기원되며 뇌간 그물형성체의 자극에 의해 변형된다. 따라서 뇌간 그물형성체에서 기원된 상행그물활성은 시상의 수질판내핵군을 통해 대뇌피질과 선조체로 전해진다고 추측된다.
임상적으로 수질판내핵에 손상이 있을 때 나타나는 상행그물활성계의 장애는 시상성 무관심증후군(syndrome of thalamic neglect)이 대표적인 예이다. 이 증후군은 수질판내핵이 손상된 반대측 몸에 일어난 자극에 주의를 기울이지 않고(hemi-inattention), 이와 같은 증상을 부정 또는 무시하려 하며(anosognosia), 신체 개념과 공간개념이 왜곡되고, 감정의 표현이 줄어드는 것이(emotional flattening) 주 증상이다. 또한 양쪽의 수질판내핵이 파괴되었을 경우에는 감정의 표현이 없고(apathy), 운동의 유발이 안되며(loss of motivation), 따라서 운동이 없는, 무운동무언 증후군(akinetic mutism)이 유발된다고 보고되어 있다(Watson과 Heilman, 1979; Watson 등, 1981).
구시상척수로(palaeo-spinothalamic tract)는 수질판내핵군의 중심내측핵(CL)에 주로 종지하며, 척수그물시상로(spino-reticulo-thalamic tract) 역시 수질판내핵군으로 들어온다고 알려져 있다. 이 부분의 신경원은 유해자극(noxious stimuli)에 반응하며, 감각수용범위(receptive field)가 넓다. 만성통증 질환으로 이완된 환자에서 수질판내핵군을 자극하면 불에 덴 듯한 종류의 통증(burning pain)과 함께 매우 강한 불쾌감이 동반된다. 따라서 이 부위는 위치가 잘 구별되지 않는 불쾌감이 동반된 둔한 통증을 전달하는 것으로 생각된다. 중심정중핵(CM)과 중심외측핵(CL) 부위는 만성통증질환시 수술적으로 파괴하여 가장 좋은 효과를 보는 부위의 하나로 알려져 있다(Albe-Fessard 등, 1985).

수질판내핵군이 손상되었을 때 나타나는 운동기능의 증상은 안구의 운동에 관한 것이 많으며, 주시(gaze)의 조절이 안되고 안구진탕(nystagmus)이 나타날 수 있다.
여러 종류의 행동장애(behavioral disturbances), 즉 공격성향(aggressi veness), 파괴성향(destructiveness), 불안신경증(anxiety), 강박신경증(obssessive-compulsive reaction) 등이 있을 때 수질판내핵을 파괴하면 호전된다는 보고도 있다. 

대상회
내장효과기는 느낌의 기본, 전대상회(ACC)는 의식과 관련되어 운동피질과 연결된 대상회, 후대상회는 감각피질과 연결됨.

감각이 대상회를 매개로 해마로 들어가 기억이 되고 기억정보들이 대상회를 통해 운동영역에 정보 제공



파페츠회로(기억의 형성)
hippocampal formation→fornix→mammillary body→mammilothalamic tract

→thalamic anterior nuclear group→thalamocortical radiation

→cingulate gyrus→cingulum→entorhinal area or cortex

→perforant path→hippocampal formation
해마형성체에서는 뇌궁(fornix)을 통해 유두체로 신경섬유를 보내며 그 곁가지는 시상전핵군에도 종지한다. 유두체에서는 유두시상로(mammillothalamic tract)를 통해 시상전핵군에 신경섬유를 보낸다. 시상전핵군에서 나오는 시상피질섬유(thalamocortical fiber)는 대상이랑에 종지하며 대상이랑에서는 대상다발(cingulum)을 통해 내후각뇌피질(entorhinal area or cortex)로 신경섬유를 보낸다. 내후각뇌피질에서 나오는 섬유는 관통로(perforant path)와 백색로(alveolar path)의 두 경로를 통해 다시 해마형성체로 이어진다.

A. 해마형성체(hippocampal formation)
B. 유두체(mammillary body)
C. 시상전핵군(thalamic anterior nuclear group)
D. 대상이랑(cingulate gyrus)
1. 뇌궁(fornix)
2. 유두시상로(mammillothalamic tract)
3. 시상피질방사(thalamocortical radiation)
4. 대상다발(cingulum)

이 회로는 1937년 파페츠(Papez)에 의해 감정(emotion)이 일어나는 경로일 것이라고 발표된 이후 그 기능에 대해 많은 논란이 있어왔으며, 현재에는 이 회로가 직접 감정을 일으키는 기전이 되는 부분으로는 생각되고 있지는 않지만, 변연계의 또다른 하나의 중요한 기능인 기억(memory)에 작용하는 변연계의 중심회로의 하나로 인정되고 있다.

 
6.의식의 진화를 이해하는데 중요한 두 종류의 신경계 조직

"There are, grossly speaking, two kinds of nervous system organization that are important to understanding how consciousness evolved. These systems are very different in their organization." (에델만)

1)brain stem과 limbic system(뇌간 변연 시스템 ⇒ 쾌락계, A Hedonic Value system)
식욕,성욕,완료행동과 진화된 방어적 행동유형과 관계된 시스템. 일종의 가치계로서 여러 가지 다양한 신체 기관, 호르몬계, 그리고 자율신경계 등에 광범위하게 연결된다. 수면이나 성과 관계된 신체 주기 뿐만 아니라 심박률과 호흡률, 발한, 소화기능 등을 통제. 변연-뇌간시스템의 회로들이 고리모양으로 배열되어 있고, 상대적으로 느리게 반응하면 상세한 지도로 이뤄지지 않았다. 진화의 과정동안 외부세계로부터의 수많은 예기치 않은 신호들에 맞추는 게 아니라 신체에 맞춰 선택된다. 신체 기능들을 돌보기 위해 일찍이 진화했다. 그것들은 내부의 시스템이다.(본능적 욕구(내부 value)를 충족시키기위해서 초기부터 개발된 시스템)

2)thalamocortic system(시상피질시스템 ⇒ 체감각계, A Somatosensory system)
이 시스템은 감각수용판으로부터 신호를 받아드리고 수의근에 신호를 보내는 식으로 진화했다. 시냅스연결은 평생 동안 계속되는 변화를 겪음에도 불구하고 반응이 매우 빠르다. 대뇌피질은 한조의 지도 내에 배열되어 있으며, 시상을 통해 외부 세계로부터 입력을 받아들인다. 변연-뇌간시스템과 달리 대뇌피질은 대규모의 재입력 연결로 이어져 층을 이루고 있는 국소 구조들처럼 고리를 포함하지 않는다. 다양한 감각 양식들을 통해 세계로부터 밀도 있고 빠른 일련의 신호들을 동시에 받아들이기에 적합한 구조를 갖춤. 점점 복잡해지는 운동행위와 세계의 사건들에 대한 범주화를 허용하기 위해 이 대뇌피질이 변연-뇌간체계보다 훨씬 늦게 진화 됐다. 공간은 물론 시간을 다루기 위해, 소뇌와 기저핵, 해마 등의 피질 부속 기관들은 실제운동과 기억 양쪽의 연속을 다루는 피질과 더불어 진화했다.(체감각(외부에서 들어오는 세계상)을 process하기 위해 진화)
⇒이 두시스템이 진화적으로 연결되어 있다.→ 일차의식
⇒피질이 세계의 범주화와 관계가 있고 변연-뇌간시스템이 가치와 관련이 있다면(즉 진화론적으로 선택된 생리학적 유형들에 대해 조정을 가하는 것과 관련이 있다면) 학습은 가치라는 배경위에서 범주화가 가치를 만족시키는 행위에 적응적 변화를 낳게 하는 수단으로서 간주될 수도 있다.

피질 부속 기관
“지각범주화 시스템과는 달리 이런 개념적 기억계는 지각 범주화를 수행하는 상이한 뇌 시스템의 반응들을 범주화 할 수 있으며, 그것도 변연-뇌간가체계의 요구에 따라 그렇게 할 수 있다. 이 가치-범주 기억은 시상피질과 변연-뇌간 시스템들 사이의 쌍방 상호작용에 의해 개념적 반응(개념의 범주화)들이 일어나도록 만든다.

연속기관. 뇌는 시간 조정, 연속 운동, 기억 확립과 관련되는 소뇌와 기저핵과 해마와 같은 구조를 포함한다. 그것들은 대뇌피질과 밀접히 관련되는데, 대뇌피질은 전면적 지도화에 의해 수행되는 종류의 상호 연관과 범주화를 수행한다.

재입력회로는 가치-범주 기억과 실제 시간에서의 지각범주화와 관련이 있는 한창 진행중인 포괄적 지도화 사이에 지속적인 재입력 신호를 허용한다. 그러나 동물은 지각 활동을 한참 진행중인 장면에 연결시키지 못한다.“  (동물들은 기억된 현재만이 있다 - 단순하면서도 절박한)

인간의 의식은 단일하면서 복합적(분산적), 하나의 문맥으로 연결되어 있다. 동물은 문맥이 없다. 의식의 흐름이 가능해진 것은 언어의 발달

전면적 지도화

이 구조는 복합적 지도들로 이루어져 있다. 지도들은 해마와 소뇌같은 뇌 부위에 역시 연결된다. 외부 세계로부터의 신호가 이 지도화에 들어오며, 복합적 출력원들이 운동을 낳는다. 이번에 운동은 감각신호가 선택되는 방식을 바꾼다. 전면적 지도화는 따라서 역동적 구조, 즉 시간과 행위와 더불어 바뀌는 구조다. 특징과 운동을 서로 연결시키는 그 재입력 국소 지도는 지각범주화를 가능하게 한다. 여러 상이한 수준에서의 동요들은 한 전면적 지도화를 재배열 시키고 붕괴시키거나, 혹은 다른 전면적 지도화에 의해 대체되게 만든다.

7.뇌 이해의 중요한 점중 하나가 채워넣기
“눈은 하루에 10만 번 이상, 대략 심장이 뛰는 횟수만큼 움직인다. 도약 안구운동들 간의 간격은 120~130밀리초 정도로 짧다. 이것은 주시기간동안 시각적 정보를 처리하는데 요구되는 최소시간에 해당한다.”

“당신의 눈이 이동하는 동안에는 시각이 부분적으로 차단된다. 이 때문에 저 바깥 세상이 몇 분의 1초마다 흐려지고 제멋대로 날뛰는 느낌을 받지 않는 것이다. 그리고 안구 도약간 통합기제가 도약 안구 운동 직전과 직후의 영상을 합성하여 시각의 빈 구간을 없앤다. 일상생활을 구성하는 활동사진 중에서 도약 안구 운동이나 눈 깜박임 동안의 억압으로 인해 ‘잃어버린’ 작은 조각들을 모두 모으면 자그만치 하루에 60에서 90분에 달한다.”

8.다마지오의 에델만에 대한 평

“나의 제안은, 의식의 신경적 토대에 관한 제랄드 에델만의 관점, 즉 가치가 주입된 생물학적 자아의 인정과 중요한 특징을 같이 하고 있다. 에델만은 동시대의 이론가 가운데 생물학적 체계의 선천적인 가치에 그가 일치시켜 온 중요성에 있어서 실제로 독보적이었다.“

제18강 운 동 출 력

제18강  운 동 출 력

-뇌의 모든 계산결과, 감각입력, 운동출력이 최종적으로 표출되는 것은 우리 몸을 구성하고 있는 골격근이다.

-운동출력이 마음의 출현과 어떤 관련이 있을까? 마음의 출현을 이끄는 전체과정에서 감각입력보다도 운동출력을 중심으로 이해하는 게 더 효율적이다. 근육운동을 통해 마음의 형성을 추적해나갈 때 문제의 본질에 가까워진다.(꿈꾸는 기계의 진화-단세포의 미오닉 운동을 통해 감정이나 언어까지도 유추해 볼 수 있다고 주장)

1.골격근
네 가지 주요 조직유형중 하나인 근조직은 주로 근세포(통상 근섬유(muscle fibers)라 한다)로 구성되어 있으며, 이 세포들은 수축을 위해 고도로 분화되어 있다.  근조직에는 골격근(skeletal muscle), 심근(cardiac muscle), 평활근(smooth muscle)의 세 가지 유형이 있다. 골격근조직은 결합조직, 신경 및 혈관들도 함께 포함되어 있는 기관인 골격근(skeletal muscle)에서 발견된다.  골격근이라는 이름이 암시하듯이, 골격근은 직접 또는 간접적으로 골격의 뼈들에 부착하고 있다.  골격근조직은 골격근에 다음과 같은 기능을 수행할 수 있는 능력을 부여한다.

1.골격 움직임을 일으킨다(Produce skeletal movement).  골격근의 수축은 건을 당겨 골격의 뼈를 움직인다. 이 작용의 범위는 팔을 뻗는 것과 같은 단순한 동작부터  수영, 스키, 타이핑과 같이 고도로 협응된 움직임에 이르기까지 매우 넓다.
2. 자세와 신체의 위치를 유지시킨다(Maintain posture and body position).  골격  근내 장력이 독서시 머리가 한자리에 고정되게 하고 보행시 양 발이 체중을 싣고 균형 잡을 수 있게 하는 등 신체의 자세를 유지시킨다.  지속적인 근육의 활동이 없다면 우리는 무너짖 않고 똑바로 앉을 수 없으며, 비틀거리지 않고 서있을 수도 없다.
3. 연부조직을 지지한다(Support soft tissue). 복벽과 골반강의 바닥은 골격근층으로 이루어져 있다. 이 근육들은 여러 내장의 무게를 지탱하고 내부조직을 상해로부터 보호해준다.
4. 출입을 통제한다(Guard entrances and exits). 소화관과 요로의 출입구는 골격근에 의해 둘러싸여 있다. 이 근육들은 연하, 배변, 배뇨가 수의적으로 제어되게 한다.
5. 체온을 유지한다(Maintain body temperature). 근수축은 에너지를 필요로 하고, 체내에서 에너지가 사용되는 곳에서는 모두 약간의 에너지가 열로 전환된다. 활동중인 근육에서 유리된 열이 정상 기능활동에 필요한 범위내에서 체온을 유지시킨다.


■ 골격근 해부학(Anatomy of Skeletal Muscle)
그림 10-1은 대표적인 골격근의 모양과 체제를 도해하고 있다.  골격근은 결합조직, 혈관, 신경과 함께 골격근조직을 내포하고 있다.

□ 결합조직 체제(Connective Tissue Organization)
세 가지 결합조직층-바깥의 근외막(epimysium), 가운데 근다발막(perimysium), 안의 근내막(endomysium)-은 모든 근육의 한 부분이다. 이 층들과 그들의 관계가 그림 10-1에 도해되어 있다. 근육 전체는 치밀교원섬유층인 근외막(epimysium)으로 둘러싸여 있다. 근외막은 근육을 주위의 조직들 및 기관들과 격리시킨다.

근다발막(perimysium)의 결합조직섬유들은 골격근을 일련의 구획들(compartments)로 나누며, 각각의 구획들은 근다발(fascicle)이라 하는 근섬유 다발을 수용하고 있다.  근다발막은 교원섬유와 탄성섬유와 함께 근다발에 혈류를 유지시키고 신경지배하는 혈관과 신경들을 수용하고 있다.

그림 10-1. 골격근의 체제(Organization of Skeletal Muscles).

골격근은 근외막으로 에워싸여져 있는 근다발들로 구성된다. 근다발들은 결합조직섬유로 된 근다발막에 의해 격리되며, 각각의 근다발내에는 근섬유들이 근내막에 의해 둘러싸여 있다.  각각의 근섬유는 많은 천층 핵들뿐만 아니라 그림 10-2에서 자세하게 나타내진 미토콘드리아 및 기타 세포소기관들도 갖고 있다.

근다발내에서는, 섬세한 결합조직인 근내막(endomysium)이 골격근섬유를 둘러싸며 인접 근섬유들과 묶어 놓는다. 흩어져 있는 성상세포(satellite cells)는 근내막과 근섬유 사이에 위치한다.  이 세포들은 손상된 근조직을 복구하는 기능을 한다.

근내막과 근다발막의 교원섬유들은 서로 얽혀 있으며, 근다발막의 교원섬유들은 근외막의 근외막의 섬유들과 서로 얽혀 있다.  근육의 양끝에서, 근외막의 교원섬유들은 서로 합쳐져 건(tendon)이라 하는 다발이나 건막(aponeurosis)이라 하는 넓은 시트(sheet)를 형성한다. 치밀정형결합조직의 예인 건과 건막은 골격근을 뼈에 부착시킨다. 건의 섬유들은 근외막과 서로 얽혀 있으며 골간질내로 뻗어나가 단단한 부착을 제공한다. 그 결과, 근육의 모든 수축은 건과 건이 부착되어 있는 뼈를 당기는 힘을 발휘한다. 


□ 혈관과 신경(Blood Vessels and Nerves)
근외막과 근다발막의 결합조직은 근섬유들에 공급되는 혈관과 신경을 수용하고 있다.  근수축은 막대한 양의 에너지를 필요로 한다.  대규모의 혈관망이 산소와 양분을 공급하고 활동하는 골격근에 의해 산출된 대사폐기물들을 실어나간다.  대부분의 경우 혈관들은 신경과 함께 근육으로 들어가고, 혈관과 신경은 근다발막까지 동일한 패턴으로 가지를 친다.  일단 근내막안에 들어가면, 소동맥은 개개의 근섬유들을 둘러싸고 있는 모세혈관망에 혈액을 공급한다.

골격근은 오직 중추신경계(CNS)에서 오는 자극에 의해서만 수축한다. 근외막을 관통하는 축색(axon), 즉 신경섬유(nerve fibers)는 근다발막을 통해 가지를 치고 근내막으로 들어가 개개의 근섬유들을 지배한다. 골격근은 종종 수의근(voluntary muscles)이라 불리는데, 이들의 수축을 수의적으로 조절할 수 있기 때문이다. 아울러 이 골격근중 많은 수가 불수의적으로 조절되기도 한다. 예를 들면, 횡격막과 같이 호흡에 관여하는 골격근들은 보통 불수의적인 조절 하에 움직인다.

□ 골격근섬유의 현미경해부학(Microanatomy of Skeletal Muscle Fibers)
골격근섬유는 전형(typical)적인 세포와는 무척 다르다. 확실한 차이의 하나는 크기로, 골격근섬유들은 거대하다. 대퇴근의 근섬유는 직경이 100㎛이고 길이는 전체근육의 길이(30～40㎝)와 같다. 두 번째 명백한 차이점은 골격근 섬유가 다핵이라는 점이다. 즉, 각각의 골격근섬유들은 세포막 바로 밑에 수백개의 핵을 수용하고 있다. 이 핵들 속에 내포된 유전자들은 정상 수축에 필요한 효소와 구조단백질의 생산을 지시하며, 이 유전자들의 복사본들(copies)이 다수로 존재하여 그 과정의 속도를 높인다. 이것은 매우 빠르게 대사전환이 일어나는 골격근섬유에서 특히 중요하다.

독특하게 큰 모습과 다핵이란 특성은 서로 연계되어 있다. 발생기 동안 근원세포(myoblasts)라 하는 배아의 세포군이 서로 융합하여 그림 10-2에 나타내져 있는 것과 같은 개개의 골격근섬유들을 만들어낸다. 골격근섬유의 핵들은 각기 참여한 근원세포들을 반영한다. 어떤 근원세포들은 발생중인 근섬유들에 융합하지 않는다. 이 융합하지 않은 세포들은 그림 10-1에서 보이는 것처럼 성장된 골격근섬유에서 성상세포로 남는다. 손상을 받은 후, 성상세포들은 커지고 분열하여 손상된 근섬유들과 융합함으로써 조직의 재생을 돕는다.

-당신들을 이루는 세포들 자체가 우리 세균들이 10억년전에 발견한 낡은 기술들을 똑같이 재현하는 세균균체들이다.  - 리처드 도킨스의 <조상 이야기>

-근세포는 아주 특이화된 세포. 단백질사슬을 한방향으로 나열, 움직임에 특화된 세포

근초와 T세관(Sarcolemma and Transverse Tubles)
근섬유의 세포막, 즉 근초(sarcolemma)는 세포질, 즉 근형질(sarcoplasm)을 둘러싸고 있다. 다른 세포막과 마찬가지로, 근초는 특징적인 막전위를 갖고 있다. 골격근섬유에서, 갑작스럽게 전도된 막전위의 변화가 수축을 이끌어내는 첫 번째 단계이다. 골격근섬유는 매우 크기 때문에, 수축을 위한 신호는 세포의 안쪽에도 전달되어야 한다. 이것은 횡세관(transverse tubule), 즉 T세관에 의해 일어난다. T세관은 근초에서 시작하여 막표면과 직각으로 근형질 안으로 뻗어 있는 좁은 관이다. T세관은 세포외액으로 채워져 있고, 이들은 산을 관통하는 터널들처럼 근섬유를 관통하는 통로를 형성한다. T세관은 근초에서 열려져있고, 각각의 세관을 이루는 막들은 근초와 전체적으로 동일한 성질을 갖고 있다. 

그림 10-2. 골격근섬유의 형성과 구조(Formation and Structure of a Skeletal Muscle Fiber).


근원섬유(myofibrils)
근섬유내에서, T세관의 가지들은 근원섬유(myofibrils)라 하는 원통형 구조물을 에워싼다. 근원섬유(그림 10-2)는 직경 1～2㎛ 정도이고 길이는 세포 전체의 길이와 같은 원통형 구조이다. 각각의 골격근섬유는 수백～수천 개의 근원섬유를 수용하고 있다.

근원섬유는 주로 액틴(actin)과 미오신(myosin)으로 구성된 단백세사인 근세사(myo- filaments)다발이다. 근원섬유는 능동적으로 짧아질 수 있다. 즉, 이들은 골격근섬유의 수축을 담당하는 세포소기관(organelles)이다. 이 단백질들은 세포막 내면과 결합될 수 있다. 골격근섬유의 양 끝에서, 근세사는 근초에 부착된다. 그 결과, 근세섬유가 수축하면 세포 전체가 짧아진다. 근원섬유 사이에는 미토콘드리아와 포도당의 저장형인 글리코겐 과립들이 흩어져 있다. 포도당은 해당(glycolysis)을 통해 분해되고 미토콘드리아의 활동은 활기찬 근수축에 필요한 ATP를 제공한다.

근형질세망(The Sarcoplasmic Reticulum)
T세관이 근세섬유를 둘러싸는 모든 곳에서, T세관은 근형질세망(sarcoplasmic reticu- lum)의 막과 밀착한다. 근형질세망(SR)은 다른 세포의 활면내형질세망(SER)과 유사한  막 복합체이다. 골격근섬유에서, 근형질세망은 개개의 근원섬유를 덮어씌우는 세관망(tubular network)을 형성한다.(그림 10-2와 10-3). T세관의 양 옆에서, 근형질세망의 관들은 커지고 융합되어 종말소조(terminal cisternae)라 하는 확대된 방을 형성한다.  

한 쌍의 종말소조에 T세관을 더한 조합을 트라이어드(triad)라 한다.  비록 이 트라이어드의 막들은 밀착하고 있어 서로 단단히 결합되어 있지만, 이들 사이의 직접적인 연결은 없고, 이들의 액체 내용물들도 분리되어 별개로 남아있다.

대부분의 세포들은 칼슘이온을 세포막을 통해 세포외액으로 펌프질해낸다. 비록 골격근섬유들도 이런 방식으로 세포 바깥으로 칼슘이온들을 펌프질해 내지만, 아울러 이들은 칼슘이온을 근형질세망(SR)의 소조(cisternae)로도 능동수송하여 세포질에서 칼슘이온을 제거한다.  휴지기의 골격근섬유의 근형질은 약 10-7m㏖/l정도의 매우 낮은 농도로 칼슘이온을 수용한다. 종말소조(terminal cisternae) 내의 유리 칼슘이온 농도는 이보다 약 1000배정도 더 높다. 아울러 소조는 칼슘이온과 가역적으로 결합하는 단백질인 칼세퀘스트린(calsequestrin)이라는 단백질을 수용하고 있다. 유리칼슘과 결합칼슘을 고려한다면, 소조내의 총 칼슘이온 농도는 주위의 근형질내의 농도보다 40,000배정도 더 많을 수도 있다.   

저장된 칼슘이온이 근형질내로 유리될 때 근수축이 시작된다. 그러면 칼슘이온은 근절(sarcomeres)이라 하는 개개의 수축단위내로 확산된다.

근절(Sarcomeres) 
근원섬유는 액틴과 미오신 근세사로 된 다발이다. 액틴은 가는 세사(thin filaments)에서 발견되고, 미오신은 두터운 세사(thick filaments)를 형성한다. 두 근세사는 근절(sarcomeres)이라 하는 반복되는 기능단위로 조직화되어 있으며, 이는 그림 10-3에 상세히 나타내져 있다.


근절의 체제(Sarcomere Organization)
근원섬유는 대략 10,000개의 일직선으로 늘어선 근절들로 구성되어 있으며, 각각의 근절들은 1.6-2.6μm의 휴지기 길이를 가지고 있다. 근절은 근섬유의 가장 작은 기능단위로, 근절의 두터운 세사와 가는 세사의 상호작용이 근수축을 담당한다. 근절은 ⑴두터운 세사, ⑵가는 세사, ⑶두터운 세사와 가는 세사의 위치를 안정시키는 단백질 및 ⑷두터운 세사와 가는 세사 사이의 상호작용을 조절하는 단백질을 내포하고 있다.

그림 10-3은 개개의 근절의 구조를 보여주고 있다. 두터운 세사와 가는 세사의 크기, 밀도 및 분포의 차이가 근절의 띠모양이 나타나게 한다. 어두운 부분, 즉 두터운 세사 전부와 가는 세사 일부를 수용하는 부분을 A대(A-band)라 한다. 가는 세사만을 수용하는 밝은 부분은 I대(I-band)라 한다.  (A-band와 I-band라는 용어는 anisotropic(異方性), isotropic(等方性)에서 유래되었는데, 이는 편광하에서 볼 때 나타나는 이 대들의 형태를 언급한 것이다.)  A대는 dark의 A를 생각해 어둡다, I대는 light의 I를 생각해 밝다고 하면 기억하는데 도움이 될 것이다. 

 그림 10-3. 근절의 구조(Sarcomere Structure). 
  ⒜ 근절(sarcomere)과 트라이어드(triad) 사이의 관계. 
  ⒝ 장딴지에 있는 비복근의 근섬유에서 취한 근원섬유의 근절. (TEM × 64,000) 
  ⒞ 근절내 가는 세사와 두터운 세사의 체제. 
  ⒟ 근절내 여러 부위의 단면.

▪A대(A Band). 두터운 세사는 A대 안에서 근절의 중앙에 위치한다. A대의 길이는 전형적인 두터운 세사의 길이와 동일하다. A대는 다음 몇 가지로 세분되어진다.
1.M선(M line). 각각의 두터운 세사의 중앙부는 M선의 단백질에 의해 양쪽이 연결된다.  이 짙게 염색되는 단백질들은 두터운 세사의 위치를 안정시키는데 도움을 준다.
2.H구역(H zone). 휴지기의 근절에서 H구역, 즉 H대(H band)는 M선 양쪽의 밝은 부분이다. H구역은 두터운 세사만을 수용하고 가는 세사는 수용하지 않는다.
3.겹친 구역(Zone of overlap). 겹친 구역에서는 두터운 세사 사이에 가는 세사가 확인된다. 이 지역에서 각각의 가는 세사는 세 개의 두터운 세사에 의해 형성된 삼 각형 속에 위치하고, 각각의 두터운 세사는 여섯 개의 가는 세사에 의해 둘러싸인다.

▪I대(I Band). I대는 한 근절의 A대부터 다음 근절의 A대까지 펼쳐져 있다. Z선(Z line)는 인접한 근절 사이의 경계선을 표시한다. Z선은 커넥틴(connectins)이라 하는 단백질로 구성되어 있는데, 이것은 인접한 근절들과 연계된 가는 세사들을 서로 연결 시킨다. 가는 세사는 근절의 양끝 Z선부터 M선을 향해 뻗어 겹친 구역내로 들어간다.

각각의 근절마다 두 개의 T세관이 둘러싸고 있고, M선 양쪽 겹친 구역 부위에 트라이어드(triads)가 있다.  그 결과, 근형질세망(SR)에서 유리된 칼슘이온은 두터운 세사와 가는 세사가 상호작용할 수 있는 부위로 들어가게 된다.

근섬유 전체는 인접한 근원섬유의 Z선들이 정렬되어 있기 때문에 띠를 두른 모습으로 나타난다.  아울러 골격근조직을 횡문근(striated muscle)이라고도 하는데,  광학현미경으로 볼 때 이 띠들, 즉 횡문(striations)이 보이기 때문이다.   

 

그림 10-4. 골격근섬유의 기능적 체제 수준(Levels of Functional Organization in a Skeletal Muscle Fiber).

그림 10-4는 이제까지 우리가 논의해왔던 체제 수준들을 다시 보여주고 있다.  이제 이 체제의 분자 수준을 조사하면서 근수축을 담당하는 근세사의 구조를 살펴보기로 하자.

가는 세사(Thin Filaments)

전형적인 가는 세사는 직경이 5-6㎚이고, 길이가 1㎛이다. 하나의 가는 세사는 세 가지 단백질-F 액틴(F actin), 트로포미오신(tropomyosin), 트로포닌(troponin)-을 내포하고 있다.

그림 10-5. 두터운 세사와 가는 세사(Thick and Thin Filaments). 
  ⒜ 가는 세사의 거시 구조, Z선에의 부착을 보여주고 있다. 
  ⒝ F 액틴 가닥내의 G 액틴 아단위들의 체제와 트로포닌-트로포미오신 복합체의 위치. 
  ⒞ 두터운 세사의 구조, 두터운 세사를 따라 미오신 분자들의 방향을 보여주고 있다. 
  ⒟ 미오신 분자의 구조

▪F액틴(F actin)은 구형 분자인 G액틴(G actin) 300～400개로 구성된 비꼬인 가닥이다. 각각의 G 액틴 분자들은 두터운 세사와 결합할 수 있는 활성 부위(active site)를 수용하고 있는데, 이는 기질 분자가 효소의 활성부위에 결합하는 것과 같은 방식이다. 휴지 상태에서는 트로포닌-트로포미오신 복합체(troponin-tropomyosin complex)에 의해 미오신 결합(myosin binding)이 방지된다.

▪트로포미오신(tropomyosin) 가닥은 활성부위를 덮어 액틴-미오신 상호작용을 방지한다. (그림 10-5b) 트로포미오신 한 분자는 7개의 활성부위를 덮고 있는 하나의 단백질 가닥이다. 이것은 전체 길이의 중간에서 트로포닌 한 분자와 결합하고 있다.

▪트로포닌(troponin) 한 분자는 3개의 구형의 아단위로 구성되어 있다.

1.첫 번째 아단위는 트로포미오신과 결합해 이들을 서로 묶어놓는다.
2.두 번째 아단위는 G 액틴과 결합해 트로포닌-트로포미오신 복합체를 제 위치에 고정시킨다.
3.세 번째 아단위는 칼슘이온과 결합하는 수용체를 갖고 있다. 휴지상태의 근육에서는, 세포내 칼슘이온농도는 매우 낮아 결합부위는 비어 있다.

트로포닌-트로포미오신 복합체의 위치가 변하여 F 액틴

( ) 의 활성부위가 노출되지 않는 한 수축은 일어나지 않는다. 칼슘이온이 트로포닌 분자의 수용체에 결합할 때 수축에 필요한 위치 변화가 일어난다.

근절의 양쪽 끝에서, 가는 세사는 Z선에 부착되어 있다. (그림 10-5a)  Z선은 근원섬유의 표면에서 짙은 선으로 보이기 때문에 선(line)이라고 불리우지만, 단면 모습(sectional view)에서의 Z선은 펼쳐진 그물(open meshwork)처럼 보인다. (그림 10-3d).  이런 까닭에 Z선은 종종 Z판(Z disc)이라고도 한다.

두터운 세사(Thick Filaments)
두터운 세사(그림 10-5c)는 직경이 10～12㎚이고, 길이는 1.6㎛이다. 각각의 두터운 세사는 대략 500개의 미오신 분자들로 구성되어 있다. 하나의 미오신 분자는 서로를 휘감고 있는 한 쌍의 미오신 아단위로 구성되어 있다.(그림 10-5d) 길고 부착되어 있는 꼬리(tail)는 두터운 세사 안의 다른 미오신 분자와 결합하고 있다. 부착되지 않은 구형의 미오신 머리(head)는 가장 가까운 가는 세사를 향해 밖으로 돌출되어 있다. 수축시 미오신 머리는 가는 세사와 상호작용하기 때문에, 이들을 연결다리(cross-bridges)라고도 한다. 머리와 꼬리 사이의 연결은 경첩같이 기능하여 머리가 기저부에서 선회할(pivot) 수 있게 해준다. 선회(pivoting)가 일어나면, 머리는 M선을 향하거나 멀어지게 호를 그리며 움직인다(swing). 이 선회가 근수축의 핵심 단계이다.
모든 미오신 분자들은 꼬리가 근절의 중앙을 향하도록 배열되어있다.(그림 10-5c) 휴지상태의 근절의 H구역은 미오신 머리가 없는 부위에 해당한다.  H구역 밖에서 미오신 분자들은 나선형으로 배열되어 있는데, 미오신 머리들은 주위의 가는 세사의 G 액틴 분자들을 향하고 있다. (그림 10-3d, 10-5c).

세사활주 이론(The Sliding Filament Theory) 
골격근섬유의 수축을 지켜보는 동안 몇 가지 중요한 주목할 만한 사항들이 관찰된다.  수축이 일어날 때, H구역과 I대는 작아지고, 겹친 구역(zones of overlap)은 커지며, Z선은 서로 가까워지게 움직인다.  A대의 넓이는 수축하는 동안 일정하게 유지된다.  오직 가는 세사가 근절의 중심을 향해 두터운 세사와 평행선을 유지하며 미끄러져 들어가는 경우만 이 관찰결과와 들어맞는다.  이 활주 작용은 그림 10-6에 도해되어 있다.  근수축 과정 동안 일어나는 생리적 변화에 대한 이 설명을 세사활주 이론이라 한다.

그림 10-6. 골격근 수축시 근절의 형태 변화(Changes in the Appearance of a  Sarcomere). 수축시 A대는 동일한 넓이를 유지하지만, Z선은 서로 가까워지고 I대는 작아진다.

2.골격근의 수축(Contraction of Skeletal Muscle) 

그림 10-7. 골격근 신경지배(Skeletal Muscle Innervation).

⒜이 근다발의 근섬유들에서는 몇 개의 신경근연접들이 보이고 있다. (LM× 253)
⒝신경근연접의 구조를 더욱 상세하게 보여주는 주사현미경 사진(SEM).
⒞주요 기능요소들과 신경근연접을 가로지르는 활동전위의 전달 단계들을 보여주는 도해 그림.

세사활주 이론은 수축시 근절에서 어떤 일이 일어나는지를 설명해준다. 이러한 관점을 갖고, 이제 수축과정을 좀더 상세히 살펴보기로 하자.


□ 골격근 활동의 제어(The Control of Skeletal Muscle Activity)
골격근섬유들은 오직 신경계의 통제하에서만 수축한다. 신경계와 골격근섬유들 사이의 전달은 신경근연접(neuromuscular junctions(NMJs)) 또는 근신경연접(myoneural junction)이라 하는 특화된 세포간 연결부에서 일어난다. 여러 가지 이 연접들이 그림 10-7a,b에 나타내져 있다.

신경근 연접(The Neuromuscular Junction)
각각의 골격근섬유들은 근섬유 길이의 중간에 있는 단 하나의 신경근연접에서 한 신경원(neuron)에 의해 통제된다. 그림 10-7c는 이 구조의 핵심적인 국면들을 요약하고 있다. 하나의 축색이 근다발막(perimysium) 안에서 분지하여 많은 가느다란 가지들을 형성한다. 이 각각의 가지들은 각기 부풀은 시냅스단추(synaptic knob)에서 끝을 맺는다. 시냅스단추의 세포질은 약자로 ACh라 하는 아세틸콜린(acetylcholine) 분자들로 채워진 소포들과 미토콘드리아를 수용하고 있다. 아세틸콜린은 신경전달물질(neurotransmitter)의 하나로, 신경원에서 유리되어 다른 세포들의 막의 성질을 변화시키는 화학물질이다. 시냅스단추에서의 아세틸콜린 유리는 골격근섬유의 수축을 격발하는 근초(sarcolemma)의 변화를 가져온다.
연접간극(synaptic cleft)이라 하는 좁은 공간이 시냅스단추 이와 마주보는 근초의 표면을 격리시킨다. 아세틸콜린이 부착하는 수용체를 내포하고 있는 이 표면을 운동종판(motor end plate)이라 한다. 운동종판에는 연접주름(junctional folds)이라 하는 깊은 주름들이 있는데, 이는 막의 표면적을 넓혀서 이용가능한 아세틸콜린 수용체의 수를 늘려준다. 아울러 연접간극과 근초는 아세틸콜린을 분해하는 효소인 아세틸콜린에스테라제(acetylcholinesterase (AChE) 또는 cholinesterase)를 수용하고 있다.

신경원이 근섬유를 자극하면 다음과 같은 일련의 단계로 수축과정이 일어난다.
1단계(Step 1): 활동전위의 도달(The Arrival of an Action Potential). ACh의 유리를 자극하는 것은 연접종말에 도달한 전기 임펄스, 즉 활동전위(action potential)이다. 활동전위는 축색을 따라 전파되는 막전위(transmembrane potential)의 급격한 변화이다.
2단계(Step 2): 아세틸콜린의 유리(The Release of ACh). 전기 임펄스가 연접종말에 도달하면, 막투과성이 변화되어 연접간극으로 ACh의 엑소시토시스(exocytosis)를 격발한다.
3단계(Step 3): 연접주름에서의 아세틴콜린 결합(ACh Binding at the Junctional Folds).  ACh 분자들을 연접간극을 통해 확산되어 운동종판의 근초 표면의 ACh 수용체와 결합한다.  ACh 결합이 일어나면, 근초의 나트륨이온 투과성이 바뀐다. 나트륨이온은 세포외액에서는 고농도로 수용되어 있지만, 세포내 농도는 매우 낮다. 막의 나트륨 투과성이 높아지면, 나트륨이온들 이 세포질내로 유입된다. 이 유입은 AChE가 수용체로부터 ACh를 제거할 때까지 계속된다.
4단계(Step 4): 근초의 활동전위 출현(Appearance of an Action Potential in the Sarcolemma).  나트륨이온들의 급격한 유입의 결과로 운동종판 주변 근초에 활동전위가 발생된다. 이 전기 임펄스는 막표면 전체로 퍼져나가 각각의 T세관(transverse tubule)들을 따라 전해진다.  따라서 신경종말에 도달한 활동전위가 근초의 활동전위 출현을 유도하게 된다.

흥분-수축 연결(Excitation-Contraction Coupling)
근초의 활동전위 발생과 근수축 시작 사이의 연결을 흥분-수축 연결(excitation- contraction coupling)이라 한다.
이 연결은 트라이어드(triads)에서 일어난다. 활동전위가 트라이어드에 도달하면, 이는 근형질세망(SR) 소조(cisternae)의 칼슘이온의 유리를 격발한다. 근형질세망의 칼슘이온 투과성 변화는 일시적으로, 단지 0.03초 정도만 지속된다. 그러나 근절(sarcomere) 내부와 주위의 칼슘이온 농도는 1/1000초 내에 휴지기 수준의 100배 정도에 이른다. 소조들은 두터운 세사와 가는 세사가 상호작용하는 곳인 겹친 구역(zones of overlap)에 위치하기 때문에, 칼슘 유리가 근절에 미치는 영향은 거의 즉각적이다. 세포질내 칼슘이온 농도 상승은 가는 세사를 따라 있는 활성부위(active site)를 노출시켜 수축을 시작시킨다. 이제 수축 주기(contraction cycle)가 시작된 것이다.

□ 수축 주기(The Contraction Cycle)
그림 10-8은 수축 과정중에 일어나는 분자수준의 사건들을 자세히 보여주고 있다. 과정의 최종 단계인 근절(sarcomere)내 각각의 연결다리(cross-bridge)에는 이미 활기찬 수축에 사용될 에너지가 충전되어 있다. 다리는 ATP를 분해할 수 있는 효소인 ATPase를 병합하고 있다. 수축 주기의 시작 시점에서, 각각의 연결다리들은 이미 ATP 한 분자를 분해해 수축과정에서 유리시킬 에너지를 저장하고 있다. 분해 산물인 ADP와 인산기(phosphate [PO43-])는 연결다리와 결합된 채로 남아있다. 

수축 과정은 다음과 같이 연속된 다섯 단계가 관여한다.
1 단계(Step 1): 활성부위 노출(Active-site exposure). 근형질 안으로 들어온 칼슘이온들은 트로포닌(troponin)과 결합한다. 이 결합은 트로포닌 복합체와 액틴(actin)사이의 결합(bond)을 약화시킨다. 그렇게 되면 트로포닌 분자는 위치가 바뀌어 트로포미오신(tropomyosin) 분자를 활성부위에서 멀어지게 당긴다. (그림 10-8)
2 단계(Step 2): 연결다리 부착(Cross-bridge attachment). 활성부위가 노출되면, 미오신 연결다리가 활성부위와 결합한다. 
3 단계(Step 3): 선회(Pivoting). 휴지 상태의 근절에서 각 연결다리들은 M선(M line)의 반대쪽을 향하고 있다. 이 위치에서 미오신 머리는 쥐덫의 스프링처럼 “장전되어(cocked)” 있다. 미오신 머리를 장전하는데 에너지가 소모되며, 이 에너지는 ATP를 ADP와 인산기로 분해하여 얻는다. 미오신 머리가 장전된 상태에서도 ADP와 인산기는 모두 여전히 미오신 머리에 결합되어 있다. 연결다리 부착이 일어난 뒤, 미오신 머리가 M선쪽으로 제껴지면서 저장되어 있던 에너지는 유리된다. 이것이 일어날 때 ADP와 인산기도 유리된다.
4 단계(Step 4): 연결다리 분리(Cross-bridge detachment). ATP 하나가 미오신 머리와 결합하게 되면, 액틴 분자의 활성부위와 미오신 머리 사이의 연결이 깨진다. 그렇게 되면 활성부위가 다시 노출되어 또 다른 연결다리와 상호작용할 수 있게 된다.
5 단계(Step 5): 미오신 활성화(Myosin activation). 결합에서 풀려난 미오신 머리가 ATP를 ADP와 인산기로 분해하면 미오신이 활성화된다. 이 과정에서 유리된 에너지는 미오신 머리를 재장전하는데 이용된다. 이제 전체 주기를 다시 반복할 수 있는 상태가 된 것이다.  만일 칼슘이온 농도가 여전히 상승되어 있고 ATP 비축량이 충분하다면, 각 미오신 머리는 이 주기를 초당 5회 정도 반복할 수 있다.
총괄적인 작용을 알아보기 위해, 여러분이 커다란 밧줄을 당기고 있다고 가정해 보자. 여러분은 미오신 머리이고, 밧줄은 가는 세사이다. 여러분이 앞으로 손을 뻗어 밧줄을 양손으로 움켜잡고 여러분 쪽으로 당긴다. 이 동작이 연결다리 부착과 선회에 해당한다. 여러분은 이제 밧줄을 놓고 다시 앞으로 손을 뻗어 밧줄을 움켜쥔다. 이 과정을 되풀이함에 따라 여러분은 밧줄을 차츰 당길 수 있게 된다.
이제는 여러 사람이 줄지어 서서 모두 같은 밧줄을 당기고 있는 상황을 생각해 보자. 각 사람마다 앞으로 손을 뻗어 밧줄을 움켜쥐고 당긴다. 다음에는 자기 앞에 있는 사람이 잡았다 놓은 곳을 손을 뻗어 움켜쥔다. 이같은 연속과정이 두터운 세사를 따라 있는 미오신 머리들이 함께 작용하여 한 가닥의 가는 세사를 근절 중앙쪽으로 당기는 방식과 일치한다. 

그림10-8. 수축과정의 분자수준의 사건들(Molecular Events of the Contraction Process)

3.움직임과 생각의 출현(이나스)
가. 운동성의 근원적 단계(myogenic stage)
“일반적인 뇌 구성 전개를 잘 예시하는 사례로 연골어류(상어)의 경우를 생각해보자. 상어의 배아는 산소가 통하는 알껍데기 속에서 발생한다. 발달 중인 배아의 조직에 산소가 골고루 분산되려면 알 안쪽에 있는 액체가 계속해서 움직여야 하므로, 배아는 사인곡선을 그리며 리듬있게 진동한다. 여기서 우리가 알게 되는 아주 중요한 점은 이 발달 단계에서는 운동이 신경계 활동에 의해 이루어지는 게 아니라는 사실이다.
근육조직으로 구성되고 리듬있는 운동을 하는 근육세포들은 아직 각각의 운동뉴런에 의해 자극될 필요가 없다! 그렇다면 근육이 어떻게 작동하는 것일까? 이 발달 단계에서 근육세포들은 모두 전기적으로 결합되어있다. ~이런 방식으로 결합되어 있으므로 한 근육세포의 수축을 일으키는 전기적 신호는 리듬 있는 진동이 완성된다. 이 운동은 순전히 근육세포 자체에서 생겨나므로, 이 사건을 운동성의 근원적 단계라고 한다.“
나. 신경적 운동성(neurogenic motricity)
“다음 발달 단계에서는 아주 중요한 기능적 변형이 일어난다. 척수가 목표 근육을 향해 여행하거나 이주하는 운동뉴런의 축색을 내보내기 시작하는 것이다. 이 시점에서 운동뉴런들도 전기긴장적으로 결합된다. 자라나는 축색이 목표 근육세포에 접촉하여 분포하기 시작하면 전기화학적 시냅스를 형성하고 동시에 근육세포는 전기적으로 결합된 상태를 마감한다. 이것이 근원적으로 유도된 운동성의 종말이다. 여기서 알 수 있는 건 진동운동을 만들어내는 능력이 근육세포에서 척수내부로 옮겨갔다는 사실이다. 근육덩어리의 운동성이 척수 뉴런 회로의 연결망과 본질적인 전기적 성질 안으로 유입되었다는 뜻이다. 이것이 신경적 운동성이라고 알려진 단계이다.”
다. 운동성의 내면화
“따라서 신경적 운동의 임피던스(impedance)는 근육의 성질과 밀접하게 대응된다. 결론은 동물의 외부 성질이 뇌 안에 내면화되기 시작했다는 것이다. 운동뉴런은 체계의 더 윗부분인 뇌간이 운동뉴런과 시냅스 연결을 시작할 때까지 전기긴장적 결합을 유지한다. 그때 운동뉴런의 전기긴장적 결합은 풀리지만 체계의 윗부분은 전기긴장적 결합을 유지한다. 이 발달 단계에서 운동뉴런은 전기긴장적 결합이 풀리게 되는 것 외에도 정해진 근육 집단의 활성화와 특정한 관계가 없는 신경계의 다른 부분들로부터 시냅스 입력을 받기 시작한다. 이렇게 추가된 입력은 동물의 전신 운동에 더 많이 관여하면서 전정계를 끌어들인다. 전정계한 운동성의 전신적 성질들에 관해 운동 신경망에게 정보를 주는 평형기관이다. 내가 똑바로 헤엄치고 있을까, 아니면 거꾸로 헤엄치고 있을까? 그것은 동물이 지구 중력이나 중력에 수직으로 운동하는 관성적 결과와 같이 자신의 몸보다 큰 좌표계를 고려하여 자신의 운동성을 조직하도록 돕는다. 그런 다음 대뇌화가 등장한다.”

a.단백질 사슬(액틴과 미오신)의 운동성
→단백질사슬(세포내 미세소관)들이 운동성을 극대화하기위해 선형으로 연결, 핵과 미토콘드리아는 찌그러든 형태로 존재, 소포체가 전체를 둘러싼다.
→다른 세포(전기적 pulse를 만들 수 있는 세포)의 막의 일부가 접촉, 전기적 충격을 연결시킨다.
→소포체(근형질세망)내의 Ca⁺⁺이 단백질 사슬 사이로 방출, 세포내 액틴과 미오신의 활주가 가능해짐
b.세포의 미오닉 운동이 전기적 신경세포에 의해서 신경조절 형태로 운동이 조절
→ 척수전각에서의 하위운동신경원
“마음은 운동의 내면화이다” - 진화적으로 단세포의 미오닉한 운동성이 신경세포와 연접되면서 척수를 통해 중앙화, 내면화(척수를 통해 감각입력이 들어오고 운동계획, 운동출력이 나간다 - 감각운동이미지)

4.감각운동이미지 = 마음
"마음(mind) 혹은 마음상태(mindness state)란 자지 자각(self-awareness)을 포함해서 감각운동이미지(sensorymotor image)가 발생하는 전역적인(global) 뇌기능상태이다.
감각운동이미지(sensorymotor image)란 행동을 일으키는 하나의 구별되는 기능 상태를 만들어내는 데 관련되는 모든 감각 입력의 결합을 가리킨다.“
“예를 들어 등이 가렵다고 하자. 등은 볼 수 없는 곳에 있지만 가려움은 내부 ‘이미지’를 만들어서 복잡한 몸 안의 한 위치를 알려주고 취할 태도까지 알려준다. 긁어라! 그것이 감각운동 이미지이다. 감각운동 이미지의 발생은 단순한 입출력반응이나 반사가 아니다. 동물이 현재하고 있는 행위의 맥락안에서 일어나기 때문이다. 따라서 감각운동 이미지가 발생하고 운동 직전의 전운동(premotor)이 공식화될 때의 맥락은 내용만큼 중요하다.”


5.다양한 동물들의 운동 양태는 일률적이다. 
 

6.이 강의의 하나의 주제를 말한다면 세포(막)의 무한한 춤
- 세포의 다양한 무한 변형이 전자기적 현상을 드러낸 것이 우리의 의식
세포의 무한한 춤을 가능케 한 것
a.ATP
b.미토콘드리아와 엽록체
c.세포내 골격(액틴, 미오신)- 단세포의 운동이 가능해짐
-a,b,c.를 다 갖춘 것이 진핵세포
마음을 공부하려면 세포를 공부해야, 특히 연결을 위주로 하는 신경세포를 공부하자. 신경세포의 무수한 집합체가 곧 뇌이다.

7.운동과 의식의 유사성
근육운동은 필요에 의해서 (ex 컵을 잡는다) 개별 근육 대신 기능적 협동근육을 소환시켜 “가장 효과적으로 임무를 완수할 수 있는 협동 근육만을 고려함으로써 계산 부담을 더 낮춘다.” 운동은 줄곧 불연속으로, 박동으로 만들어지고 조절된다.
“유사한 방식으로 뇌는 실재 묘사기, 즉 의식 경험 생성기로 작용한다. 외부세계의 재구조물을 이음매 없이 흐르는 꿈과 같은 영화로 건네주기 위해서, 뇌는 영원히 앞을 내다보고 있어야 한다. 불연속적인 시점에 초점의 방향을 조정하면서, 불연속 시간 간격을 건너뛰는 와중에 그 모든 조각을 한데 모아야 한다.”
-의식도 monkey mind, 요동치는 토막 토막의 의식이 흐름을 이룬다. 반복되면서 무수하게 변형되는 소집되고 해산하는 방식이 유사하다.

“그런 의미에서 생각해 볼 때, 뇌는 어느 시점에서나 ‘오직 이 순간에 무엇을 아는 것이 중요한가(What-is-important-to-know-at-this-moment-only)'를 기초로 작용한다는 것이 분명해진다. 실제로 선택의 여지가 없다. 뇌는 다른 것을 할 시간이 없는 것이다!“
“그러므로 예측은 쉽게 해체되는 빠른 초점 재구성의 원동력임을 알 수 있다. 뇌가 무언가 알 혹은 사용할 필요 때문에 협동 근육을 소집하고 부린 다음 해산시키는 방식과, 의식 수준에서 초점이 다시 구성되는 방식은 동일하다. 운동과 인지를 위해 서로 다른 전략을 사용한다면, 그것은 이상한 뇌인 것이다.”

8.칼슘과 인의 위험한 정사
“세포 대 세포 의사소통에서의 위대한 발전은, 세포가 칼슘 이온 농도를 조절하기 위해 발달시킨 능력에서 나왔다. 칼슘은 주기율표에서 가장 반응성이 큰 원소들 중 하나로 극히 다루기 어려운 원소이다. ~칼슘은 돌을 만들지 않고서는 물에서 나트륨이나 칼륨처럼 높은 농도로 있을 수 없다. 돌이나 기타 결정은 생명과 정반대의 것이다. 그럼에도 불구하고 자연은 칼슘을 생명을 위한 필요조건으로 진화시켰고 그것을 매우 정확하게 조절하는 법까지 학습했다. 격렬하게 반응하는 이 원소가 어떻게 진핵 생명체의 구조 안으로 짜여 들어갔을까? 또 다른 원소인 인과 위험한 정사를 벌인 결과이다. 인은 진핵생명체에서 매우 중요하다. 근육 수축이나 신경세포 활동과 같이 에너지 소모가 많은 업무를 지원해야 하는 진핵 유기체에게는 연료 분자로부터 가장 질 좋은 가용에너지를 얻을 수단이 필요하다. 산화적 인산화 과정을 거치는 이 작업에는 산소가 필수적이다. 그러나 진핵 생명체가 산화적 인산화를 위해 인을 계속 싣고 다니려면 반응성이 높은 칼슘을 막아내는 법을 배워야 했다. 그렇지 않으면 칼슘은 세포에서 인을 훔쳐내어 결정화할 것이고 생명까지 훔쳐갈 것이다. ~인간이 불의 통제법을 배운 것처럼, 진핵생물은 칼슘의 통제법을 배웠다. 진화는 칼슘에 calmodulin이라는 단백질의 마구를 채워 극히 유용한 목적을 위해 이 원소의 반응성을 이용하기 시작했다. ~칼모듈린의 개발과 함께 칼슘/칼모듈린 착물은 아주 정교한 신호 체계로 중욯나 세포내 도구가 되었다. 보통 세포 내의 자유 칼슘 농도가 매우 낮은 덕분에 ‘2차 전령 역할’을 할 수 있었다. 이 역할은 정보 전달에 있어서 매우 중요하다. 효소 반응이 빠르고 국지적으로 유발되도록 조절하여 근육세포 수축, 축색연장, 시냅스 전달, 예정된 세포사망과 같은 많은 사건을 유도하기 때문이다. 진핵생물 진화에서 정점을 이루는 이 사건은 세포들이 상호 의사소통하는 공동체의 일부로 조직되기 위한 생물학적 필요조건들을 제공했다.”
세포내 단백질 + P = 단백질의 인산화(무생물과 같은 단백질이 인산화됨으로써 움직인다. 단백질의 에너지, 생화학 작용의 출발점)
칼슘의 농도는 세포내외의 차가 10만배 이상 차이가 난다. 세포내 농도가 낮다. 세포내 칼슘이온을 소포체 내에 가두어 두고 있으나 전기적 pulse를 받으면 Ca⁺⁺가 세포내로 퍼지고 액틴과 미오신이 작동한다. 소포체 밖에 있어 PO₄^-와 만나면 세포가 죽는다. Ca⁺⁺이 PO₄^-를 만나면 인산칼슘, 즉 뼈가 된다. 인산염과 칼슘을 분리시켜 놓는게 세포에 중요하다.
근형질 안으로 들어온 칼슘이온들은 트로포닌(troponin)과 결합한다. 이 결합은 트로포닌 복합체와 액틴(actin)사이의 결합(bond)을 약화시킨다. 그렇게 되면 트로포닌 분자는 위치가 바뀌어 트로포미오신(tropomyosin) 분자를 활성부위에서 멀어지게 당긴다. 활성부위가 노출되면, 미오신 연결다리가 활성부위와 결합한다. 휴지 상태의 근절에서 각 연결다리들은 M선(M line)의 반대쪽을 향하고 있다. 이 위치에서 미오신 머리는 쥐덫의 스프링처럼 “장전되어(cocked)” 있다. 미오신 머리를 장전하는데 에너지가 소모되며, 이 에너지는 ATP를 ADP와 인산기로 분해하여 얻는다. 미오신 머리가 장전된 상태에서도 ADP와 인산기는 모두 여전히 미오신 머리에 결합되어 있다. 연결다리 부착이 일어난 뒤, 미오신 머리가 M선쪽으로 제껴지면서 저장되어 있던 에너지는 유리된다. 이것이 일어날 때 ADP와 인산기도 유리된다.  ATP 하나가 미오신 머리와 결합하게 되면, 액틴 분자의 활성부위와 미오신 머리 사이의 연결이 깨진다. 그렇게 되면 활성부위가 다시 노출되어 또 다른 연결다리와 상호작용할 수 있게 된다. 결합에서 풀려난 미오신 머리가 ATP를 ADP와 인산기로 분해하면 미오신이 활성화된다. 이 과정에서 유리된 에너지는 미오신 머리를 재장전하는데 이용된다. 이제 전체 주기를 다시 반복할 수 있는 상태가 된 것이다.  만일 칼슘이온 농도가 여전히 상승되어 있고 ATP 비축량이 충분하다면, 각 미오신 머리는 이 주기를 초당 5회 정도 반복할 수 있다. 

9.ATP

생명현상에 있어 거의 초기단계에 만들어진 것이 ATP합성 메카니즘

ATP합성이야말로 의식의 출현에 가장 바탕이 되는 생명현상

ATP 나모머신이야말로 생명체의 가장 정교하고 먼저 생긴 머신

생명 현상의 가장 기본이 미토콘드리아고 미토콘드리아가 에너지 생성하는데 가장 기본이 양성자 pump이다. 생명 현상은 아직도 한번도 움직인 적이 없는 듯하다. 우리 몸을 이루는 가장 기본 메카니즘은 빅뱅이후 up quark 두 개와 down quark 하나가 양성자 하나를 만드는데 그것을 지금 그대로 사용하고 있다. 생명 현상에 있어 최소 5억년을 한 순간으로 봐야하고 좀 더 과장하면 생명현상은 35억년 동안 한 발자국도 변화하지 않았다. 생명체가 고등화하여 진화했다고 생각한다면 어처구니 없는 생각이다.

“우리 관점에서 생물들을 보면, 당신네 진핵생물들은 곧 그런 젠체하는 태도를 버릴 것이다. 당신네 두발 유인원들, 꼬리 잘린 나무땃쥐, 물기가 빠진 육기어류, 척추를 가진 벌레들, 혹스유전자를 늘린 해면동물들, 한꺼번에 무더기로 등장한 것들, 진핵생물들, 단조롭고 비좁은 영역에 옹기종기 모인 거의 구별되지 않은 존재들은 세균들의 표면에 있는 변덕스러운 거품에 다름 아니다. 당신들을 이루는 세포들 자체가 우리 세균들이 10억년 전에 발견한 낡은 기술들을 똑같이 재현하는 세균 군체들이기 때문이다. 우리는 당신들이 오기 전부터 여기에 있었고, 당신들이 떠난 뒤에도 여기에 남을 것이다.”  - 조상 이야기

아데노신의 구조

ATP의 구조