[일반생물학실험]개구리 심장박동의 관찰 2부

실험 기구 및 시약

1. 실험 재료

1) 개구리, 0.1%아드레날린 용액, 0.5% 카페인 용액, 0.01% 아세틸콜린 용액

2) 0.01% 니코틴 용액, PBS, 해부기 세트, 해부 접시,스포이드, 실험용 시계

 

아드레날린(에피네프린)

아드레날린(Adrenaline) 또는 에피네프린(Epinephrine)은 일종의 호르몬, 신경전달물질이다. 또 이 물질은 아미노산 페닐알라닌과 티로신에서 가져온 "교감신경 흥분 모노아민"인 카테콜아민이다. 화학식은 C9H13NO3이다.

 

아드레날린이 혈류에 분비되면 재빨리 몸을 위급 상태로 준비시킨다. 호르몬은 산소와 포도당의 공급을 뇌와 근육에 촉진시키지만 위급 상황이 아닌 과정은 속도를 가라앉힌다. (특히 소화)

 

심박수와 일회박출량을 늘리고 동공을 넓히며 피부 속 소동맥과 위장관을 수축시키지만 골격근의 소동맥은 팽창시킨다. 간 속의 포도당에 글리코겐의 이화 작용을 증가시킴으로써 혈당 수준을 높임과 더불어 지방 세포 속의 지질을 붕괴시키기 시작한다. 다른 몇몇 스트레스 호르몬과 같이 아드레날린은 면역 체계에 대한 억제 효과가 있다.

아드레날린이 정신적인 영향을 끼치지 않지만 스트레스나 자극은 뇌 속에 노르에피네프린을 만들어 낸다. 노르에피네프린은 몸 속에 아드라넬린과 비슷한 작용을 하지만 정신에 영향을 미친다는 데에서 구별된다.

 

감신경이 흥분한 상태가 되면 심장의 박동이 빨라지고 모세혈관이 수축하므로 혈압이 상승한다. 아드 레날린을 생체에 투여하면 유사한 증세가 나타나는 것으로 보아 아드레날린은 교감신경에 있어서의 자극의 전달물질이라고 생각되고 있다. 중추로부터의 전기적인 자극에 의해 교감신경의 말단에서는 아드레날린이 분비되어 근육에 자극을 전달한다. 부교감신경이나 운동신경에서는 아세틸콜린이 이 구실을 하고 있다. 자 주 사용하게 되면 불안 ·두통 ·불면 ·심계 등의 부작용이 따른다.

 

니코틴

식물의 2차 대사물질인 알칼로이드의 일종으로 담배와 같은 가지과 식물의 잎에 주로 존재한다. 염기성 유기 화합물이다. 말초신경을 흥분시키거나 마비시킨다. 동물에게 각성 효과가 있지만 의존성이나 독성도 존재한다.

 

니코틴이 동물의 몸 속에 들어오면 혈관을 통해 빠른 속도로 퍼져서 뇌에도 순식간에 도달한다. 니코틴은 간에서 cytochrome P450(CYP) 계열의 효소에 의해 대사되며 코티닌(cotinine)으로 변화한다. 니코틴이 신경계와 접촉하게 되면 니코틴성 아세틸콜린 수용체(nicotinic acetylcholine receptor: nAChR)에 결합하여 아드레날린 같은 흥분 계열의 호르몬을 내놓게 된다. 또한 이러한 호르몬의 작용으로 교감신경이 활성화되고, 간에서 포도당(glucose)의 분비량이 늘어난다. 뇌에서는 도파민(dopamine)의 분비량이 늘어서 기분이 좋은 상태를 느낄 수 있다. 이러한 작용을 통해 흡연과 같은 니코틴 노출 시에 집중력, 기억력의 향상 같은 각성 효과를 얻을 수 있다. 또한 니코틴의 양이 과다할 경우에는 앞에서 나온 니코틴성 아세틸콜린 수용체를 차단하기 때문에 살충제로도 사용할 수 있다.

특히나, 많은 양을 사용할 때, 니코틴은 헤로인, 코카인 같이 중독성 독약이 된다. 예를 들어 니코틴은 벌레를 죽이는데 사용하기도 한다. 니코틴은 심장 박동을 빠르게 한다. 그리고 이것은 호흡 수를 증가시키고 신체에 보다 많은 산소를 필요하게 만든다. 니코틴은 순환기계에 이상을 초래하기도 한다. 예를 들면, 혈관이 좁아지고 혈액순환이 느려지게 된다. 이로 인해 혈압이 높아진다. 니코틴은 또한 혈전을 만들기 쉬 워 혈관 및 심장 질환을 발생시키기도 한다.

 

아세틸콜린

콜린의 아세트산에스테르로, 화학식 CH3COOCH2CH2N(CH3)3OH인 염기성 물질인데, 동물에서는 신경조직에 존재하고, 식물에서는 맥각(麥角) 등에 들어 있고, 신경의 말단에서 분비되며, 신경의 자극을 근육에 전달하는 화학물질이다.

 

신경말단으로부터 분비되는 전달물질로는 운동신경과 부교감신경에서는 아세틸콜린이, 교감신경에서는 아드레날린이 알려져 있다. 아세틸콜린이 분비되면 혈압강하 ·심장박동 억 제 ·장관 수축 ·골격근 수축 등의 생리작용을 나타낸다. 신경말단에서 분비된 아세틸콜린은 자극의 전달이 끝나면 콜린에스테라아제에 의해 콜린과 아세트산으로 분해된다. 콜린은 콜린아세티라아제의 작용에 의해 효소적으로 합성되어 다시 아세틸콜린이 된다. 아세틸콜린이 분비되지 않으면 대표적인 증상으로는 알츠하 이머성 치매가 대표적이다.

 

카페인

화학식 C8H10O2N4. 3개의 메틸기를 가진 크산틴 구조이다. 브라질의 커피콩에 1∼1.5%, 동양의 차 잎에 1~5%, 열대 아프리카의 콜라 열매에 3%, 파라과이의 마테차에 1∼2%, 브라질의 구아라나 종자에 3∼5% 존재하는 흥분성 성분으로 백색의 연한 결정이다.

 

찬물에는 녹기 어렵고 뜨거운 물에는 잘 녹으며 쓴맛이 있다. 녹차 등에서 뜨거운 물로 삼출시켜 타닌 등을 제거하고 단리(單離)할 수 있다. 또 디메틸요소 ·말론산을 출발물질로 하여 화학적으로 합성할 수도 있다. 식물 속에서의 합성은 그 밖의 퓨린염기와 마찬가지로 글리신 ·포름산 ·이산화탄소 등을 재료로 하여 합성된다. 또 3개가 존재하는 메틸기는 메티오닌에서 유래하고 있다. 카페인의 중요성은 그 약리작용에 있다.

 

중추신경 흥분제 ·호흡흥분제 ·강심제 ·이뇨제이며, 소량으로는 피로회복의 효력이 있고, 편두통이나 심장병 등에도 쓰인다. 여기에 벤조산나트륨을 가하여 수용성으로 만든 것이 강심제로 알려진 벤조산나트륨 카페인이다. 극약이며 상용량 1회 0.2g, 1일 0.5g, 극량은 1회 0.5g, 1일 1.5g이다. 약제 이외에도 금 ·팔라듐 ·비스무트 등의 분석시약(分析試藥)으로도 사용된다.

 

또한, 환각 목적으로 다량의 카페인을 섭취하면 성급함, 불안, 우울증을 느끼며 자신에게 과도한 관심을 갖게 된다. 학생들이 음료 및 음식에 섞여있는 카페인을 과도하게 섭취할 경우 과격한 행동과 학습 및 행위문 제를 야기할 수 있다. 카페인이 다량 함유된 음료를 계속 마시게 되면 만성 중독되며 소화불량, 두통, 불안, 신경질, 감각 이상, 변비 등을 일으키고, 한번에 다량 사용하면 부정맥, 사지 냉한, 동공산대, 허 탈 등을 가져온다. 또한 갑자기 카페인을 중단하면 습관성으로 인해 불안감, 두통, 초조, 우울증 등 금 단증상을 보이게 된다. 카페인 중독은 두통, 식욕상실, 체중감소, 설사, 위통, 급변하는 호흡, 손 떨 림, 불규칙적인 심장박동, 이통, 불면 등을 야기한다.

 

실험 방법

1. 실험 과정

1. 개구리의 코 부분을 눌러서 다이아몬드가 만들어지는 점을 침봉으로 찌른 후 좌우로 빠르게 흔들어서 기절을 시킨다.

 

2. 개구리를 배를 위로 해서 못으로 판에 밖은 후, 항문 부위에서 정중선을 따라 입 근처까지 잘라 올라 간다.

 

3. 그냥 상태의 심장박동수를 1분간 측정한다.

 

4. 0.1%아드레날린 용액, 0.5% 카페인 용액, 0.01% 아세틸콜린 용액, 0.01% 니코틴 용액을 차례대 로 넣어가면서 심장박동수를 1분간 측정한다.(용액을 바꿀 때마다 PBS 용액으로 심장을 세척한다.)

 

5. 다 측정 후, 개구리의 심장과 척추를 잘라서 잘 정리한다.

 

실험 결과

1. 관찰한 심장을 그리고, 박동 순서, 색깔 등의 관찰 결과를 자세히 기입한다.

용액	無	아세티콜린	아드레날린	카페인	니코틴
박동수(회/1분)	53	52	59	57	50

 

2. 아세틸콜린, 아드레날린, 카페인, 니코틴 등이 심장박동에 어떤 영향을 끼치는가를 조사하여 기입한다. 또한 카페인과 니코틴의 효과를 설명하시오.

원래 심장박동 30초 동안 20번

아세틸 콜린 첨가후 30초에 19번

아드레날린 첨가후 30초에 22번

카페인 첨가후 30초 19번

니코틴 첨가후 30초 20번

 

박동수 상승 : 아드레날린, 카페인

박동수 하강 : 아세티콜린, 니코틴

 

본 실험에서 아세틸 콜린은 혈압강하 ·심장박동 억제 ·장관(腸管) 수축 ·골격근 수축 등의 생리작용을 일으키는 물질로 첨가하게 되면 이론적으로 감소되는 양상을 보여야 하는데 역시 조금의 양이지만 작게 측정되었다 아드레날린은 아드레날린 같은 흥분 계열의 호르몬을 내놓게 된다 이론적으로 흥분됨으로써 빨라지는데 역시 결과 또한 같았다. 카페인은 중추신경 흥분제 ·호흡흥분제 ·강심제 ·이뇨제로서 첨가하게 되면 흥분제로 심장박동이 증가하여야 하나 작게 측정이 되었다. 니코틴을 첨가한후에는 흥분되어서 심장박동이 증가되어야 하나 별다른 차이점을 느낄수 없었다.

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험에서는 개구리의 심장을 해부하고 그 안에 들은 심장을 관찰하면서 심장의 박동원리와 박동 순서 그리고 어떤 식으로 조절하는지에 대해 배워보는 실험이다. 본 실험에서 개구리의 척추를 끊음으로써 심장의 작용을 지키며 개구리를 생존시킴으로 심장에 미치는 화학물질의 영향을 관찰해 볼수 있었다,

 

본 실험에서 사용되는 화학물질은 니코틴 카페인 아드레날린 아세틸콜린이 사용되었는데 아드레날린과 아세틸콜린은 인간의 신체 내부에서 이미 사용되어지는 심장박동 조절의 화학물질이다.

 

초기에 제대로 척추가 끊어지지 않아 실험에서는 심장이 약하게 되었는데 그 이유는 개구리의 생존을 위한 발버둥으로 인해 폐가 부풀어 터져 죽음이 가까워졌기 때문이다. 때문에 실험에서 60초에 40번 일어나던 박동이 아세틸콜린을 첨가하자 38번으로 감소하는 것으로 보였지만 그 양은 미미 했다. 아드레날린 첨가후 44번으로 증가하였고 카페인을 첨가하였을때 38번으로 감소하는 양을 보여 이론적인 흥분제로써의 역할이 의아했다. 니코틴을 첨가후 40번으로 평소와 다름없는 박동수를 보임으로써 개구리의 심장박동이 원래상태로 돌아가지 않는 듯 보였다. 허나 분명히 알아낸 것으로는 심장박동은 화학물질에 의해 조절되고 개구리의 척수가 끊어지더라도 생존해 움직임으로 자율신경의 영향을 받는 다는 사실을 알수 있었다.

 

개구리를 해부하여 처음으로 가르게 되면 위쪽에 가슴을 가로막은 가슴뼈가 보이는데 무척 두꺼워서 가위로도 잘 잘리지가 않았다. 왜 가슴뼈가 가장 강하게 존재하였을까. 그 이유는 아마도 심장은 자신의 몸에 가장 중요한 부위 이며 그곳을 사수하는 것이 바로 자신의 생존을 지키기 위한 일이므로 몸 자체적으로 가장 강한 뼈로 그곳을 보호하는 것으로 보인다.

 

개구리 해부시 초기에 제대로 척수를 끊어주지 않으면 개구리에게도 그리고 실험자에게도 득이 되지 않는 것으로 보인다. 실험시 심장을 잘 씻어내고 다음 화학물질을 넣어야 실험의 오차가 사라진다. 이 실험에서 카페인과 니코틴에서 발생한 오차는 아마 이런식으로 발생한 것이다. 이 실험에서는 심장박동의 원리에 대해 배우고 또 직접 해봄으로써 이해하는 실험이었다.

 

참고 문헌

1. 생물학 실험, 아주대학교, 아주대학교 출판부, p.200~203

2. 생명과학, 캠밸, 라이프사이언스, p.860~865

3. 생화학, 제3판, 넬슨, p.712~725

4. 내 몸안의 과학, 효형출판, 예병일, 2007, p.61~73

5. 하리하라의 생물학 카페, 궁리출판, 이은희, 2002, p.22~31

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