[생리학] 9. 자율신경계 (3) 자율신경계의 기능 -1

9. 자율신경계

 

9.3 자율신경계의 기능 -1

자율신경계(autonomic nervous system)의 교감신경은 주로 신경절후섬유에서 노르에피네프린의 방출과 부신수질에서 에피네프린의 분비를 통해 '격투-도주 반응(fight or flight reaction)'으로 신체를 활성화시킵니다. 부교감신경은 신경절후섬유에서 아세틸콜린을 방출하여 교감신경과 길항적 효과를 입니다. 항상성(homeostasis) 유지하기 위해서는 교감신경과 부교감신경이 균형 있게 작용해야 합니다.

 

 

자율신경계의 교감신경과 부교감신경은 다른 방식으로 내장기관에 영향을 미칩니다. 비상시에는 강력한 신체활동과 심박수 증가, 혈당량 증가 등을 위해 교감신경계를 대량으로 활성화해야 합니다. 결과적으로, 혈액 순환은 내장기관과 피부에서 골격근으로 되돌아갑니다. 교감신경계의 주요 생리적 기능은 '격투-도주 반응'으로 요약할 수 있습니다.

부교감신경자극의 효과는 여러 가지 면에서 교감신경과 반대입니다. 하지만, 부교감신경계는 보통 전체적으로 활성화되지 않습니다. 별도의 독립적인 부교감신경의 자극은 심박수를 느리게 하고, 내장혈관을 이완시키며, 소화기관의 활성을 증가시킵니다. 이 두 신경의 신경절후섬유들이 서로 다른 신경전달물질을 방출하기 때문에 내장기관은 교감신경과 부교감신경 활동에 다르게 반응합니다.

 

(1) 아드레날린과 콜린 작동성시냅스 전달

아세틸콜린(ACh)은 교감신경과 부교감신경에 있는 모든 신경절전섬유의 신경전달물질입니다. 또한 아세틸콜린은 효과기 세포와의 시냅스에서 부교감 신경절후섬유에 의해 방출하는 신경전달물질이며 이 시냅스에서의 전달을 콜린 작동성(chol-inergic)이라고 불립니다.

대부분의 신경절후 교감신경섬유에 의해 방출되는 신경전달물질은 노르에피네프린이며, 이 시냅스에서의 전달은 아드레날린 작동성(adrenergic)이라고 불립니다. 하지만 몇 가지 예외가 있는데 땀샘의 교감신경섬유뿐만 아니라 골격근의 혈관을 신경지배하는 일부 교감신경섬유는 아세틸콜린을 분비합니다.

수질 세포는 약 85%의 에피네프린과 약 15%의 노르에피네프린을 분비하는데 그 이유는 부신수질의 세포가 신경절후 교감뉴런과 발생학적으로 연관되어 있기 때문입니다. 에피네프린과 노르에피네프린의 차이점은 추가적인 메틸기(-CH₃)를 가지고 있다는 것입니다. 에피네프린, 노르에피네프린, 도파민은 모두 아미노산인 티로신에서 유래한 것으로 총칭하여 카테콜아민(catecholamine)이라고 불립니다.

 

(2) 아드레날린 작동성 자극에 대한 반응

혈액의 에피네프린과 교감신경종말에서 분비되는 노르에피네프린에 의한 아드레날린 작동성 자극(adrenergic stimulation)은 흥분성과 억제성 효과를 모두 가지고 있습니다. 자극을 받으면 심장, 홍채의 확장근과 혈관의 평활근이 수축하지만 약간의 혈관과 세기관지의 평활근은 수축이 억제되고, 아드레날린을 작동시키는 화학물질은 이 구조를 확장시킵니다.

흥분성과 억제성 효과는 다른 조직에서 동일한 신경 전달 물질에 의해 야기될 수 있기 때문에, 그 반응은 세포의 특성에 의존해야 합니다. 이 현상은 카테콜아민에 대한 상이한 막 수용체 단백질의 존재로 인해 발생합니다. 이 수용체 단백질의 두 가지 주요 유형은 알파(alpha-, α)와 베타(beta-, β) 아드레날린 작동성 수용체(adrenergic receptor)입니다.

각각의 아드레날린 작동성 수용체에는 α₁과 α₂ 그리고 β₁과 β₂ 두 가지 주요 아류형이 있습니다. 아드레날린 작동성 수용체의 하위 유형에 선택적으로 결합하는 화학물질을 개발하면 에피네프린 또는 노르에피네프린이 수용체와 결합할 때 정상적인 작용을 촉진하는지 또는 억제하는지 알 수 있습니다. 즉, 약물은 아드레날린 작동성 수용체에 결합함으로써 그 효과를 촉진하거나 억제할 수 있습니다. 이러한 약물을 사용하여 각 기관에 아드레날린 작동성 수용체의 아류형이 존재하는지 여부를 확인할 수 있습니다. 그리고 또 다른 아류형인 β₃는 지방조직에 나타나며, 그 생리적 기능은 아직 잘 알려져 있지 않습니다.

모든 아드레날린 작동성 수용체는 G-단백질을 통해 작용합니다. 즉, 에피네프린과 노르에피네프린이 수용체와 결합할 때, 3개의 G-단백질(α, β, γ)의 그룹은 α-소단위와 βγ복합체로 분리됩니다. 다른 경우에, α-소단위 또는 βγ복합체는 원형질막 속의 이온채널 개폐 또는 막효소의 활성화를 유발합니다. 이것은 결국 에피네프린과 노르에피네프린이 표적 세포에 작용하게 합니다.

β-수용체의 모든 아류형은 표적세포에서 cAMP 생성을 촉진함으로써 그 효과를 나타냅니다. 그러나 α₂ 수용체의 활성화는 cAMP 생성이 차단되고 표적세포 내 cAMP 농도가 감소하여 β-아드레날린 작동성-수용체 자극 효과를 억제하는 것과 같은 상반된 효과를 갖습니다. 노르에피네프린이 α₁ 수용체에 결합할 때 표적세포의 반응은 다른 2차 전달자, 즉 세포질 Ca²⁺ 농도 증가에 의해 중재됩니다. 이 Ca²⁺의 2차 전령 시스템은 cAMP 시스템과 매우 유사합니다.

그리고 α-아드레날린 작동성 수용체의 자극은 계속해서 평활근을 수축시킵니다. 교감신경의 혈관수축효과는 α-아드레날린 작동성 수용체의 활성화에서 비롯됩니다. 그러나 β-아드레날린 작동성 활성화 효과는 더 복잡합니다. 즉, β-아드레날린 작동성 수용체는 평활근 이완을 촉진하지만 심근 수축력을 증가시키고 심박수를 촉진합니다.

교감신경부의 활성화에 의한 아드레날린 작동성 자극은 심장펌프(β₁ 효과) 및 혈관수축의 증가를 초래하여 내장기관(α₁ 효과)의 혈류감소 및 폐세관지(pulmonary bronchiole, β₂ 효과) 확장을 유발합니다.

신경전달물질의 수용체에 결합하여 신경전달물질에 의해 자극을 받는 과정을 촉진하는 약물을 신경전달물질의 작동약(agonist)라고 합니다. 반대로 신경전달물질의 작용을 차단하는 약물을 길항제(antagonist)라고 합니다. α₁, β₁, β₂ 수용체들을 선택적으로 촉진 또는 차단하는 특정 약물이 치료 및 의학 응용에 사용됩니다.

 

(3) 콜린 작동성 자극에 대한 반응

모든 체성운동뉴런, 모든 신경절전뉴런(교감신경 및 부교감신경)과 대부분의 신경절후 부교감뉴런은 콜린 작동성이며 신경전달물질로서 ACh를 방출합니다. 체성운동뉴런과 신경절전 자율뉴런에 의해 방출되는 ACh의 효과는 항상 흥분성(exc-itatory)입니다. 신경절후 부교감신경 축삭에 의해 방출되는 ACh 효과는 보통 흥분성이지만 경우에 따라 억제성이기도 합니다. 예를 들어, 심장을 지배하는 신경절후 부교감신경 축삭의 콜린 작동성 효과는 심박수를 늦춥니다. 일반적으로 부교감신경지배의 효과는 교감신경지배 효과와는 정반대입니다.

ACh의 효과는 콜린 작동성 수용체의 성질에 따라 달라지며 니코틴성(nicotinic)과 무스카린성(muscarinic) 두 종류의 수용체가 있습니다. ACh 외에도 니코틴은 니코틴 ACh 수용체를 자극합니다. 이 수용체들은 골격근섬유의 신경근 접합부와 자율신경절 속에 위치하고 니코틴성 수용체는 체성운동뉴런과 신경절전 자율뉴런에 의해 방출되는 ACh에 의해 자극됩니다. 무스카린은 ACh뿐만 아니라 내장기관 속의 ACh 수용체를 자극하며 무스카린성 수용체는 신경절후 부교감신경 축삭에서 방출되는 ACh에 의해 자극을 받아 부교감 효과가 발생합니다. 니코틴성과 무스카린성 수용체는 니코틴성 ACh 수용체를 특이적으로 차단하는 큐라레(curare) 및 무스카린성 ACh 수용체를 특이적으로 차단하는 아트로핀(atropine) 등과(atropine) 같은 작용에 의해 확인됩니다.

니코틴성 ACh 수용체는 리간드-게이트 이온채널이며, ACh와 결합하면 수용체 단백질 내부에서 이온채널이 열리게 됩니다. 이것은 결국 Na⁺가 내부로 확산되도록 함으로써 탈분극을 유발하며 그 결과, 니코틴성 ACh 수용체는 항상 흥분성입니다. 대조적으로, 무스카린성 ACh 수용체는 G-단백질과 관련이 있으며, 이 단백질은 다른 막 채널을 열고 닫을 수 있고 다른 막 효소를 활성화할 수 있습니다. 결과적으로, 무스카린성 수용체는 흥분성 또는 억제성입니다. 최근에 무스카린성 수용체의 다섯 가지 아류형이 확인되었습니다. 이것들 중 일부는 평활근 수축과 선분비를 일으키는 반면, 다른 것들은 심박수를 낮춰줍니다.