1. 세포
세포는 핵과 세포질로 구성되어 있다. 세포는 인간을 포함하여 모든 생물체를 구성하는 구조적 단위이자, 생명 현상을 영위하는 기능적 단위로 여러 가지 기능을 수행한다.
1) 세포막(cell membrane) : 물리적 장벽, 물질을 선택적으로 운반, 표지자, 화학반응
2) 세포질(cytoplasm)
세포질은 핵 이외의 모든 세포성분을 포함하는데, 세포에 따라 그 구조가 다양하다. 세포질에서 작은 기관들을 의미하는 세포소기관(organelle)을 제외한 액체 상태를 세포기질이라 한다.
(1) 세포소기관
- 세포질그물(세포질세망, endoplasmic reticulum, ER)
- 과립세포질그물(rough-ER, rER) : 막의 바깥면에 단백질을 합성하는 리보솜이 붙어 있음
- 무과립세포질그물(smooth-ER, sER) : 지방대사 관여
- 리보솜(ribosome) : 핵 안의 유전정보로 단백질 합성
- 골지체(Golgi apparatus) : 세포질그물에서 생산, 운반해온 물질을 정렬, 수정, 포장하는 역할
- 사립체(미토콘드리아, mitochondria) : ATP(adenosine triphosphate)하고 불리는 세포의 에너지원을 합성, 공급하는 기관이자 세포의 발전소, 괴사와 세포자멸사 과정에 관여한다.
- 용해소체(리소좀, lysozome) : 노폐물 및 섭취한 거대분자를 소화하는 데 필요한 효소를 포함, 세포의 청소부라 불린다.
3) 핵(nuclei)
세포 활동의 핵심인 유전정보를 가진 정보 센터이자 세포 대사를 조절하는 제어 센터이다. 핵막, 핵소체, 염색질 세 가지 기본구조로 이루어진다.
(1) 핵막 : 핵구멍을 통해 RNA가 핵 밖으로 나가는 물질 교환의 통로
(2) 핵소체(nucleolus) : RNA, 효소 및 다른 단백질로 구성, 유전정보에 따라 리보솜을 생성하는 기능(단백질 생산)
(3) 염색질(chromatin) : 세포핵 속에 존재하며 DNA와 핵단백질인 히스톤으로 구성, 각각의 염색체는 세포의 구주와 기능을 결정하는 수천 개의 중요한 유전자를 가진다. 인간의 세포핵에는 23쌍의 염색체가 있고, 500만개의 유전자를 지닌 DNA가 포함되어 있음
4) 세포분열, 세포주기(cell cycle)
(1) 간기, 사이기(interphase) : 유사분열의 한 단계가 아닌 세포가 성장하고 기능을 수행하는 시기
- G1기 : 대사, 단백질 합성, 성장활동
- S기 : DNA가 2배로 복제
- G2기 : 효소와 단백질 합성
(2) 유사분열기(mitosis phase)
- 전기 : 염색체 응축, 방추사 출현
- 중기 : 염색체가 세포중심부 따라 배열
- 후기 : 중심절이 분리
- 말기 : 세포질과 세포소기관 분할
(3) 세포주기의 조절
성장인자(growth factor)와 사이클린(cyclin)은 세포주기의 조절에 관여한다.
2. 세포손상
1) 세포손상의 원인
정상세포는 스트레스와 유해자극에 대해 한정된 범위 내에서 정상적인 안정상태인 항상성(hemostasis)을 유지한다. 적응(adapatation)은 생리적인 상태변화가 있을 때 새로운 구조와 기능의 반응으로 새로운 안정상태를 만든다. 만약 적응의 단계를 넘어서는 스트레스와 유해자극에 노출되거나 영양부족과 돌연변이 등에 상태에 놓을 때 세포손상(cell injury)이 뒤 따른다.
주어진 자극에 의한 세포손상이 초기에는 가역적(reversible)으로 일어나다가, 심각한 자극을 받으면 비가역적(irreversible) 손상을 입어 세포는 회복불능 상태에 도달한다. 그 한계를 넘어서면, 결국 세포는 괴사와 세포자멸사라는 두가지 형태의 세포사 단계에 도달한다.
(1) 저산소증(hypoxia, 산소공급 감소) 및 허혈(ischemia, 혈액공급 감소) : 세포손상을 유발하는 가장 흔하고 중요한 원인 중 하나로 세포에 산소공급을 중단하거나 감소시키면 산화적 인산화가 억제되어 세포 손상이 일어난다. 동맥폐쇄 또는 혈액 소실에 의해 발생하는 데 허혈이 발생하면 세포에 산소와 필수 영양소가 도달하지 못하고 독성 대사산물이 축적된다.
(2) 물리적 인자 : 외상, 자외선, 방사선, 온도, 전기 등
(3) 화학적 인자 : 환경 속의 독소와 술, 담배, 석면, 살충제, 일부 치료약물 등
(4) 생물학적 인자 : 전염성 병원체
(5) 유전성 인자 : 손상된 DNA
(6) 기타 인자 : 알레르기, 영양 불균형 및 노화(aging)
2) 세포손상의 과정
세포에 주어진 자극이 적응상태를 넘으면 세포손상이 일어난다. 가역적 세포손상은 자극이 소멸되면 세포가 다시 안정상태로 돌아올 수 있는 경우를 말하며, 비가역적 손상 중 하나인 세포사는 자극이 매우 강하면 세포가 비가역적 손상을 입고 죽게되는 것을 말한다.
3) 세포손상의 기전
(1) 원인물질의 심각도 및 노출 기간, 손상의 유형 : 같은 독극물이라도 양이 많거나 허혈상태가 길어지면 즉각 세포사를 일으킴
(2) 세포의 종류, 상태 및 세포의 적응 능력 : 세포의 영양 상태 및 호르몬 상태, 대사 요구량 등도 손상의 정도 결정에 중요함. 심장, 뇌, 신경세포는 쉽게 손상 받고 종종 죽음에 이르는데 이들 세포는 재생하지 않음. 혈액공급 중단 시 세포 사망기간은 뇌 신경세포는 3~5분, 간 세포는 1시간, 근육은 3시간 이상임.
(3) 세포에서 손상에 가장 취약한 곳 : 세포막과 세포내막은 구조와 기능의 변화가 쉽게 일어남. 또한 산화적 인산화 그리고 ATP를 생산하는 미토콘드리아 기능도 마찬가지임. 세포를 구성하는 구조 단백질 및 효소의 생산 또는 기능에 장애가 생기고 DNA 손상과 염색질 구조 소실 단계에 이름.
(4) 산소, 자유기 및 세포 내 칼슘 대사장애가 여러 가지 병적 상태에서 세포사의 중요한 매개체로 작용하고 있음
4) 저산소증 시 세포손상
(1) 가역적 변화 : 대부분 세포질 구조에 영향을 주지만 핵 손상을 주지는 않음
- 사립체가 가장 먼저 손상을 받고, 그 결과 에너지 공급원인 ATP 생성이 저하되어 세포 내의 ATP가 고갈된다. 따라서 세포종창, 염색질 뭉침, 단백질 감소 등이 발생한다.
- 세포 내의 당원을 사용하여 에너지원을 만드는데 세포 내의 젖산이 축적되고 세포 내 ph가 저하되어 세포 내 효소의 활성이 감소된다.
- 핵 내에 염색질의 뭉침이 일어난다.
- ATP 에너지의 감소로 세포 내 수분이 축적된다. 세포막의 ATP 의존성 Na, K 펌프의 활동 감소로 Na와 물이 유입된다.
- 리보솜이 내형질세망으로부터 분리된다.
(2) 비가역적 변화 : 저산소증이 지속되면 비가역적 손상이 일어나고 결국 세포가 사망한다.
비가역적 손상의 기전은 크게 ATP의 감소와 세포막의 손상이며 사립체의 심한 수포화, 세포막의 소실, 용해소체의 팽창 등 3가지로 나타난다. 저산소증 시 세포손상의 매개체로서 자유기가 대단히 중요한 역할을 한다.
5) 산화적 스트레스(oxidative stress) : 자유라디칼, 막과 단백질 그리고 DNA 손상
산화적 스트레스는 소위 자유라디칼이라 부르는 활성산소종에 의해 유도되는 세포의 이상상태이다.
(1) 산화적 스트레스는 활성산소종에 의해 유도되는 세포의 이상상태를 말한다.
(2) ROS의 생성이 증가되는 경우는 자외선, 방사선 및 독소에 노출되었거나 세포 노화의 진행 그리고 산소 부족이다.
(3) ROS는 지질, 단백질, DNA에 손상을 입힌다.
6) 자유기와 세포막의 손상 관계
자유기는 약물의 대사과정과 정상적인 물질의 대사적 산화반응 및 방사선 조사 등과 같은 과정에서 반응하는 세포에서 만들어진다. 산소에서 유래하는 히드록실 이온과 과산화 이온이 가장 중요한 자유기이다. 자유기는 많은 자유기를 만들어 내는 연쇄반응을 일으킴으로써 세포를 손상시키고 단백질의 교차결합과 지질의 구조를 변화시켜 세포막의 손상을 일으킨다.
7) 화학적 손상의 기전(독소 매개 세포손상, Toxin-mediated cell injury)
화학적 손상을 일으키는 기전은 크게 2가지가 있다. 세포 내 주요 기관에 직접적 자용하여 세포를 망가뜨리거나 독소 매개 세포 손상이다. 이는 대부분의 화학물질은 간세포의 사이토크롬 P450에 의해 반응성 대사물질로 변화된 후 이 대사 물질의 독성이 세포 구성 요소에 상해를 입힐 수 있음을 보여준다.
8) 바이러스에 의한 손상의 기전
바이러스마다 감염시키는 세포가 따로 있다. 바이러스에 의한 세포손상은 2가지의 기전이 있는데 그 중 하나는 직접적인 세포손상으로 바이러스가 직접 세포를 파괴하는 경우이고 다른 하나는 세포가 면역기능에 의해 손상받게 되는 것이다. 간염 바이러스에 의한 만성 간염이 면역기능에 의한 손상의 대표적인 예시이다.
9) 가역적 세포손상 – 세포막, 세포질 그리고 핵의 구성이 커짐
광학현미경상에서 관찰되는 가역적 세포손상은 세포종창(cellular swelling)과 지방변성(fatty change)의 형태로 자극이 약하고 지속 시간이 짧은 경우에도 나타난다. 핵의 변화보다 세포질을 변화시키는 것이 특징이다.
10) 가역적 세포손상 – 현미경에서 세포종창과 지방변화
(1) 세포종창
손상된 세포에서 가장 먼저 나타난다. 수분이 세포 내로 유입될 경우 세포질에는 작은 공포들이 나타난다. 이러한 비치사적인 손상의 형태를 수포성 변화 또는 공포 변성이라고 한다. 쉽게 호발되는 부위는 신세뇨관 상피세포, 심장근세포, 간세포 등이다.
(2) 지방변성
지방변성은 가역적 세포손상의 또 다른 형태를 의미한다. 세포에 트리글리세리드가 축적되어 일어나는데 저산소 상태나 여러 가지 독소의 자극에 의해서 발생한다. 심근세포에서도 지방변성이 관찰되는데, 이것은 심한 빈혈이나 신경성 식욕부진과 같은 영양실조에 의해 나타난다.
11) 비가역적 세포손상
세포가 치명적인 손상을 받으면 정상상태로 돌아올 수 없게 된다.
12) 세포사
(1) 자가용해
자가용해(autolysis)는 조직이나 기관 전체가 파괴된 후 개개의 세포가 죽게 되는 과정에서 일어난다. 죽은 세포는 세포질에 있는 용해소체로부터 소화효소가 방출될 때 분해된다.\
(2) 세포자멸사(apoptosis)
세포자멸사는 세포가 생리적, 병적으로 죽게 되는 것을 의미한다. 조직 덩어리에서 세포의 수를 조절하거나 조직손상과 세포증식을 억제시킬 수 있도록 신체 내에서 이루어지는 병리적 현상이다. 세포자멸사 과정 동안에 세포는 수축되고 쭈구러들고, 핵 염색질은 농축되어 결국 세포는 많은 수의 세포자멸체로 부서진다.
세포찌거기는 대식세포나 인접한 정상세포들의 포식작용에 의해서 처리된다. 세포 자멸사는 전혀 염증반응을 야기하지 않는다는 것이 괴사와의 차이점이다.
- 생리적 세포자멸사 : 배아발생 월경주기, 수유, 면역세포의 발생
- 병리적 세포자멸사 : 종양, 위축, 바이러스 간염에 의한 질병
| 구 분 | 괴 사 | 세포자멸사 |
| 자극 | 병적 | 생리적, 병적 |
| 조직 소견 |
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| DNA 파괴기전 |
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| 조직 반응 | 염증반응을 일으킴 | 염증반응 없음, 세포자멸체의 포식처리 |
(3) 괴사
괴사란 살아있는 개체 내의 죽은세포를 말하며, 세포가 여러 가지 분해효소에 의해 소화되는 과정과 단백질이 변성되는 형태학적 변화에 기본이 되는 작용을 말한다. 즉, 특정 부위에서 다량의 세포가 죽는 것이다. 괴사의 결과는 조직 또는 기관의 기능 중단, 세포 내 효소의 방출, 염증 반응의 시작 등으로 나타난다.
- 형태학적 변화
괴사된 세포의 세포질은 호산성으로 붉게 염색되는데, 이는 단백질이 변성되고 세포질 내 RNA가 감소하기 때문이다. 괴사가 진행되면 세포질 내에 공포가 나타나고 석회질이 침착된다. 핵의 변화는 처음에는 염색질이 뭉치다가 행농축, 핵붕괴, 핵용해 등이 일어나며 최후에는 핵이 없어진다.
- 괴사의 원인
- 혈액순환 장애 : 장기에 혈액공급이 부족 및 차단으로 괴사에 빠짐
- 물리적 작용 : 고열, 한냉, 방사선, 전기손상 등
- 화학적 작용 : 강산, 강염기 등
- 독소 : 세균, 식물 또는 뱀의 독소가 세포손상 시킴
- 감염 : 바이러스나 기타 미생물 감염
- 비정상적 면역반응 : 페니실린 쇼크 등 과민반응
- 괴사의 종류 : 응고괴사, 액화괴사, 건락괴사, 지방괴사, 괴저괴사
응고괴사는 괴사가 일어난 조직에 희미한 윤곽이 특징적으로 나타난 것으로 세포 내 단백질이 변성되면서 생긴다. 응고 괴사는 전형적으로 신장과 심장에서 나타나고 허혈에 의해서 야기되며 경색을 동반한다.
액화괴사는 뇌와 같이 반유동성 조직이 분포하고 잇는 곳에 나타나며 효소의 작용이 빨라 세포가 자가용해 되는 것이다. 액화괴사가 일어난 뇌 조직은 물과 세포 부스러기가 가득찬 낭성 구조로 변한다.
지방괴사는 보통 여성의 유방에 가해진 직접적인 외상에 의해서 초래되거나, 급성 췌장염으로 췌장에서 효소가 방출되어 발생한다. 전형적으로 췌장성 라이페이즈가 췌장과 복막강의 안으로 흘러 들어가 발생한다.
건락괴사는 결핵과 히스토플라스마증과 같은 일부 곰팡이 감염질환의 특징으로 나타난다. 가장자리에 대식세포가 모여 있어 육아종을 형성한다.
괴저성 괴사는 혈류 부족이나 심각한 세균 감염으로 인해 신체조직이 괴사되는 것을 말한다. 습성 괴저와 건성 괴저로 나뉘는데, 습성 괴저는 세균이 괴사조직을 감염시켜 액화 괴사가 일어난 것으로 세균의 증식으로 악취가 나고 붓고 차가우며 당뇨병일 때 다리 동맥이 폐쇄되는 것을 말한다. 건성 괴저는 괴사 부위에 응고 괴사 소견이 두드러지고 괴사 부위에 수분이 증발하여 건조되는 것을 말한다.
2. 세포적응
적응은 환경 변화에 반응하는 세포의 수, 크기, 표현형, 대사 활동 또는 세포 기능에 대한 가역적 변화를 말한다.
1) 위축(atropy)
세포질의 양이 줄어들어 세포의 크기가 감소하는 상태로 특정 기관의 크기가 작아진 것을 말한다. 예를 들어, 분만 직후 자궁의 크기가 감소하는 것이 있다. 위축이 일어나면 세포는 자가포식 현상이 증가하여 세포 자멸이 일어나게 된다.
병리적 위축과 생리적 위축으로 크게 나눌 수 있다.
(1) 무용 위축 : 석고붕대에 의해 장기간 고정된 골격
(2) 생리적 위축 : 사춘기 이후의 흉선 위축, 폐경 후의 자궁위축 등
(3) 영양성 위축 : 심한 영양결핍 상태에서 온몸 근육 또는 간의 위축
(4) 압박 위축 : 욕창
(5) 신경성 위축 : 소아마비
(6) 내분비성 위축 : 난소 제거 후의 유방의 위축
2) 비대 : 세포크기 증가
비대는 장기 조직을 구성하고 있는 세포가 본래의 구조를 유지하면서 수적 변동없이 그 부피만 커지는 현상을 말한다. 비대의 원인은 세포가 해야 할 일의 증가이거나 DNA를 자극하여 단백질 합성을 증가시키는 기전에 의한 호르몬 자극 증가이다.
- 생리적 비대 : 임신 중 자궁의 비대, 운동량 증가로 인한 근육 비대
- 병리적 비대 : 심장 비대, 전립선 비대증 등
비대는 주로 세포에서 관찰되는데 특히 심장근이나 골격근에 있는 세포분열 능력이 없는 영구세포에서 잘 일어난다. 작업성 비대, 내분비성 비대, 가성 비대로 나뉘어 진다.
3) 증식(hyperplasia)
증식은 어느 조직의 정상 구조 내에서 정상 세포의 수가 비정상적으로 증가되는 것으로, 조직이 두꺼워지거나 세포의 수가 증가하는 것을 말한다. 증식은 생리적 혹은 병리적일 수도 있다. 분열능력이 있는 세포가 포함된 조직에서 일어나는 것으로 분열이 없는 영구세포(심장근육, 골격근육, 신경)은 비대만 일어난다.
(1) 생리적 증식
- 호르몬성 증식
- 대상성 증식
(2) 병적 증식
- 호르몬 자극
- 세포 증식
4) 화생(metaplasia)
화생은 한 형태의 성숙세포가 다른 형태의 성숙세포로 대치되는 것으로, 자극에 대한 인체의 적응 현상 중 하나이며 자극이 없어지면 본래 형태로 돌아간다.
예를 들어 흡연자의 경우 기관지점막의 위중층섬도원주상피가 중층편평상피로 화생되고, 방광결석과 염증이 보이는 환자의 이행상피는 중층편평상피로 화생된다.
5) 이형성(dysplasia)
이형성은 다른 말로 형성이상으로 성숙 세포의 모양, 크기, 구성이 변하는 것을 말하며 분화와 성숙의 이상 즉, 무질서한 발육을 의미한다. 세포가 분화하고 성숙할 때 이상이 나타나 세포의 크기와 모양이 불규칙한 뿐만 아니라, 구성 면에서 비정상적인 세포학적 변화가 나타나 암으로 진행될 확률이 높은 전암성 병변이 존재한다.
6) 변성(degeneration)
변성은 세포가 손상을 받아서 세포조직의 비정상적인 구조 변화나 이상물질이 침착되는 것이다.
3. 전신사
전신사(systemic death)는 개체가 사망하면 생체반응 정지, 즉 호흡운동 및 심장박동이 멈추고 혈압이 없어지며 혈액순환이 정지되어 자립적으로 조절이 안되는 상태를 말하며 사후에 여러 가지 징후가 나타난다.
1) 냉각
2) 사반
3) 사후강직
4) 혈액응고
5) 부패
6) 건조
4. 물질 대사이상
다양한 물질의 비정상적인 세포내 축적은 세포의 대사장애 소견 중 하나로, 축적이 지속되면 세포손상이 진행될 수 있다. 주로 지방, 단백질, 글리코겐과 색소 등이 축적될 수 있다.
1) 단백질 대사이상 : 저단백혈증, 요독증, 아미노산 대사이상증
2) 당 대사이상 : 당뇨병, 당원병
3) 지질 대사이상 : 비만증, 지질침착증
4) 요산 대사이상 : 통풍
5. 세포손상 시 전자현미경적 변화
1) 용해소체의 발달
일차 용해소체는 여러 가지 소화효소를 갖고 있는 주머니이며, 이것이 소화시킬 물질을 삼킨 상태가 이차 용해소체이다. 이차 용해소체 내에 소화되지 않은 찌꺼기를 잔사체라고 한다.
2) 내형질세망의 비대
무과립내형질세망은 외부로부터 들어온 물질을 대사하는 기능을 한다. 세포손상 시 여러 가지 물질을 제거하기 위해 내형질세망의 비대가 일어난다.
3) 사립체의 변화
4) 세포골격의 변화
