운동 중 호흡조절

운동 중 호흡조절

제12주차

학습목표

폐의 중요한 생리학적 기능을 설명한다 호흡계의 해부학적 구성 요소의 개념을 이해한다.

휴식 및 운동 중에 흡기와 호기와 관련된 근육을 열거한다.

폐포에서의 환기에 혈류가 연결되는 중요성을 논의한다.

폐의 혈액-기체 접촉면에서 어떻게 기체가

운반되는지 설명한다.

학습목표

혈액에서 산소와 이산화탄소가 운반되는 주요 방식을 논의한다.

운동 부하의 증가에 따른 숨쉬기의 변화를 설명하고 최대산소섭취량의 50~70%가 넘는 운동을 할 때

숨쉬기를 갑자기 비직선적으로 증가하게 하는 요인이 무엇인지 논의한다.

호흡을 조절하는데 중요한 역할을 하는 화학수용기 (chemoreceptors)와 기계수용기 (mechano-

receptors)의 위치와 기능을 이해한다.

소 개



^호흡계

- 환경과 신체 간의

기체교환을 제공한다.

- 운동 중 산-염기 균형

조절의 역할을 한다.

호 흡

폐호흡(pulmonary respiration)

- 환기(숨쉬기)와 폐 내의 기체교환(O

와 CO

)에 기인한다.

세포호흡(cellular respiration)

- 조직에서의 산소 이용과 이산화탄소의 생성과 관계한다.

 이 장에서는 폐호흡과 관계된 내용 중 호흡

(respiration)이라는 용어를 폐호흡(pulmonary

respiration)과 동의어로 사용할 것이다.

폐의 기능

호흡계의 근본적인 목적은 외부 환경과 인체 사이의 기체교환을 제공하는 것

환기(ventilation)라는 용어는 폐에 공기가 들어오고 나가는 기계적인 과정

확산(diffusion)은 농도가 높은 곳에서 낮은

곳으로의 분자들의 무작위적인 움직임

전달영역과 호흡영역

전달영역

• 호흡영역으로 공기 전달

• 공기의 습도와 따뜻함을 유지, 여과기능

• 구성 :

- 기관(trachea)

- 기관세지(bronchial tree) - 세기관지(bronchioles)

호흡영역

• 공기와 혈액간의 기체 교환

• 구성 :

- 호흡세기관지(respiratory bronchioles)

- 폐포낭(alveolar sacs)

호흡의 구성

흡기(inspiration)

- 횡격막은 폐 내 압력을 낮추기 위해 복부의 내장들을 아래로 밀어낸다.

호기(expiration)

- 횡격막은 폐 내 압력을 증가시키며 평형상태로 전환

기도 저항

- 기도의 직경에 의해 결정

호흡근육과 운동

- 골격근으로서 보행근육과 기능적으로 유사

- 폐의 내외로 기체이동을 하여 동맥혈 가스와 pH의 항상성 유지

- 지속적 · 고강도 운동시 호흡근의 피로 촉진

다른 골격근처럼 호흡근도 규칙적인 트레이닝에 적응할까?

- 호흡근의 산화능력과 지구력을 증가시킨다.

호흡과 운동

천식

- 가역성 기도협착이 촉진되는 질병

- 기도직경의 감소  호흡량 증가  호흡곤란

운동 유발성 천식

- 운동 중 또는 직후 기관지 경련

- 호흡 곤란과 호기 중 헐떡이는 소리 (wheezing sound) - 심지어 낮은 강도의 운동 수행 불능

- 기도직경의 감소  호흡저항 증가

천식과 운동

만성 폐색성 폐질환(Chronic Obstructive Lung Disease; COPD)

- 증가된 공기 저항에 의한 감소된 공기의 흐름 - 만성 기관지염과 폐기종 질환의 복합적인 결과

- 지속적인 기도 협착  기도저항  호흡근의 증가된 작업부하  만성폐질환

- 위험 인자: 담배흡연과 폐기종의 가족력

- 심각한 COLD환자의 경우 일상생활 활동에 제한

의학적 적용

폐 환 기

분당 기체가 폐의 안과 밖으로 이동되는 공기의 양

- 기체의 양 (tidal volume)과 호흡빈도수(f)

V = V_T ⅹ f

 즉, 분당 환기되는 기체의 양은 호흡빈도수와

1회 호흡으로서 운반되는 기체의 양의 곱이다.

폐 환 기

사강환기량 (dead-space ventilation; V

)

- 사용되지 않은 환기량

- 기체교환에 참여하지 않음

- 해부학적 사강 (anatomical dead space) : 공기전달 영역

폐포환기량 (alveolar ventilation; V

)

- 호흡영역에 도달한 흡기기체의 용적

V = V_A + V_D

폐용적과 폐용량

폐활량계 (spirometry)에 의해 측정

폐활량 (vital capacity; VC)

- 최대 흡기 후 최대 호기로 내보낼 수 있는 공기의 양

잔기량 (residual capacity; RV)

- 최대 호기 후 폐에 남아있는 공기의 양 총폐용량 (total lung capacity; TLC)

- 폐활량 (VC)과 잔기량 (RV)의 합

폐용적과 폐용량의 정의

기체 분압 - Dalton의 법칙

혼합기체의 총 압력은 각 기체가 독립적으로 갖는 압력의 합과 같다.

산소의 분압(PO

)

- 공기 중 산소 20.93%

(비율로서 표현시 : 0.2093)

- 공기 총 압력 (해수면 수준의 표준압) = 760mmHg PO₂ = 0.2093 ⅹ 760 = 159mmHg

기체 확산 - Fick의 확산법칙

기체의 운반율(Vgas)은 조직의 면적, 기체의 확산계수, 조직의 두 면사이의 기체의 분압차와 정비례하며 조직의 두께와는 반비례한다.

Vgas = A / T ⅹ D ⅹ (P₁-P₂)

Vgas = 기체의 운반율(확산율) D = 기체의 확산 계수 A = 조직의 면적 P₁-P₂ = 분압차이 T = 조직의 두께

분압과 기체교환

폐에서의 혈류

폐순환

- 혈액의 흐름 정도는 체순환과 동일

- 낮은 압력 체계 (낮은 혈관 저항)

서있는 상태에서 대부분의 혈류는 폐의 기저면에 모여 있다.

- 중력의 영향 때문

환기와 폐혈액 관류의 관계

환기량/관류 비율(V/Q)

- 환기량과 혈류의 조화를 나타냄 - 이상적 비율 : ~1.0

폐하위

- 과혈류(비율 < 1.0) 폐상위

- 저혈류(비율 > 1.0)

혈액내 산소 운반

혈액을 통해 운반되는 산소의 약

99%는 헤모글로빈(Hb)과 결합하여 운반된다.

- 산화형 헤모글로빈: O₂ 와 결합된 Hb - 환원형 헤모글로빈: O₂ 와 결합하지

못한 Hb

헤모글로빈의 농도에 의한 혈액의 단위 부피당 운반되는 산소의 양

산화헤모글로빈 해리곡선 : 온도의 영향

혈액의 온도가 증가하면 Hb-O

결합력이 약해짐

곡선의 우측 이동

- 조직으로의 산소 공급이

용이

산화헤모글로빈 해리곡선 : 2-3DPG

적혈구 세포는 필요한 에너지를 혐기성(무산소성) 해당작용에 의존해야 한다.

부산물로서 2-3 DPG가 생성되며 이것이

헤모글로빈과 결합함으로써 헤모글로빈의 산소 친화력을 감소시킨다.

2-3DPG의 농도는 고지에 노출되었을 때 증가한다.

해수면 수준에서 해리곡선의 우측 이동은 2-3DPG의 변화 때문이 아니라, 혈중 온도와 산성도의 정도에 의해 기인한다.

근육내 산소 운반

마이오글로빈(Mb)은 근육 세포막에서 미토콘드리아로 산소를 운반하는 역할

헤모글로빈보다 산소친화도가 크다.

- 낮은 산소분압에서 더욱 크다.

- 마이오글로빈의 산소 저장을 돕는다.

혈액 내 이산화탄소 운반

혈장 내 용해된 상태(10%)

헤모글로빈과 결합된 상태(20%)

중탄산(70%)

- O

+ H

O ↔ H

+ HCO

- H

완충시키기 위해 중요

안정시에서 운동시로의 전환

운동 초기에는 호기량이 급격히 증가

- 이후 서서히 증가하여 항정상태에 도달

동맥의 산소와

이산화탄소의 분압은

일정하게 유지

고온에서의 운동

지속적인 최대하 운동 중

차이가 없음

- 증가된 호흡량의 원인은 이산화탄소 분압의 증가 때문은 아니다.

점진적 운동

환기량의 선형적 증가

- 최대 산소섭취량의 50~75%수준까지 이 지점을 넘어 급격한 증가세

환기역치(ventilatory threshold; T

)

- 호흡량이 급격히 증가하는 변곡지점

운동에 대한 호흡반응 : 훈련 VS 비훈련

훈련된 장거리 달리기 선수의 경우

- 동맥혈 내 산소분압의 하강

- pH는 높은 작업량에서 유지

- T

는 높은 작업량에서 나타남

운동에 의한 저산소혈증

1980년대 : 엘리트 남자 장거리 선수들의 40~50%

1990년대 : 엘리트 여자 장거리 선수들의 25~51%

원인

- 환기량/관류 비율(V/Q)의 비조화

- 최대 운동 중 운동선수들이 도달하는 높은

심박출량에 의해 폐 모세혈관 내에서 적혈구의

이동시간이 짧아져 확산에 제한을 가져오기 때문

호흡조절

호흡조절중추

- 신경 그리고 체액성 정보입력을 받는다.

·근육으로부터의 피드백 ·혈중 이산화탄소 수준 - 호흡률을 조절한다.

호흡조절중추로의 신호전달

체액성 화학 수용기 - 중추 화학수용기

· 연수의 내측에 위치

· PCO

와 뇌척수액(CSF)의 H

농도의 변화 감지

- 말초 화학수용기

· 대동맥소체와 경동맥소체

· 혈중 PO

, PCO

, H

그리고 K

에 반응 신경정보 전달

- 운동피질 또는 골격근으로부터 정보 전달

운동시 호흡조절

최대하 운동

- 선형적 증가의 원인 · 중추명령

· 체액성 화학수용기 · 신경 되먹임 신호

고강도 운동

- 환기역치(T_vent) 위로의 급격한 상승 · 혈중 수소이온 증가

환기량에 대한 트레이닝의 효과

환기량은 트레이닝 후 동일한 작업량에서 낮다.

- 낮은 혈중 젖산 농도의 원인

- 호흡을 촉진하는 활동근의 낮은 구심성

되먹임을 초래

- 폐의 구조를 바꾸지는 못함

- 중·고강도 최대하 운동  환기량 감소(20~30%) - 환기량 감소 기전

· 젖산생성 감소

· 호흡을 촉진시키는 활동근의

구심성 피드백의 감소

운동과 환기반응

트레이닝은 운동에 대한 환기반응을 줄인다

코반창고와 운동수행력

# 생리학적 효과 & 경기력 수행능력?

- 콧구멍을 계속 열려있게 하여 코의 기도저항을 줄이는 원리

- 처음에는 무호흡(apnea) 수면환자를 위해 사용

- 폐로의 공기흐름 증가와 활동근에 대한 산소운반의 증가에 대한 믿음 - 생리학적 효과보다 심리적 효과에

의한 사용

코 반창고는 선수의 운동수행력을 향상시키는가

# 호흡근 피로와 운동수행 능력

• 질문 1 : 인간에 있어 호흡근 피로는 운동 중 나타난다.

운동의 어떤 형태가 가장 호흡근 피로를 촉진하는가?

- 높은 운동 강도(＞80% VO₂max), 10분 또는 횡격막 피로를 야기하는 긴 시간 동안 지속

- 피로과정은 고강도의 몇 분 후 횡격막에서 시작되며, 높은 강도에서 10분 이상의 운동은 최대 횡격막의 힘 발휘를 15~50%까지 감소

호흡근과 운동능력

질문 2 : 호흡근 피로가 발생하는 운동 상황에서 호흡근 피로가 인간의 운동 내성을 제한하는가?

- 기계적인 환기장치(mechanical ventilator)의 사용

· 호흡근 무부하 상태  횡격막 피로 감소, 사지 근육의 불편과 호흡에 대한 피험자의 의식을 줄이며, 운동 시간을 연장

- 동맥 저산소혈증에 의해 유발되는 횡격막 피로의 문제는 아님 - 호흡근의 작업량 증가 효과  사지근으로 가는 혈류량 감소 · 최근 연구 : 호흡근의 피로  사지근의 교감신경성

혈관수축의 반사적 증가  사지근 혈류량 감소

- 이 효과는 고강도 운동 동안 호흡근 작업량의 변화가 사지 혈류량에 미치는 효과를 설명한다.

호흡근피로와 운동

질문 3 : 호흡근 피로가 엘리트 지구성 운동선수에 있어 운동에 의해 야기된 저산소혈증의 한 원인이 되는가?

운동 중 부적당한 과환기는 엘리트 운동선수에 있어 운동에 의한 동맥 저산소혈증의 원인이 된다.

그러나 횡격막 피로가 이 부적당한 과환기의 중요한 원인이라는 것을 나타내는 증거는 없다.

감소된 과환기 - 높은 환기의 요구에 대한 기도의 공기흐름의 제한 때문

호흡근과 저산소혈증

폐는 운동수행 능력을 제한하는가?

저·중강도 운동

- 폐기능계는 제한 요인으로 여겨지지 않는다.

고강도 운동

- 과거 해수면에서 건강한 일반인에게는 제한을 주지 않는다고 여겨져 왔다.

- 엘리트 지구성 운동선수에게는 제한 요인으로 고려 - 호흡계 근육의 피로는 고강도 운동 동안

일어난다는

새로운 증거 제시

The End !!!!