운동과 호흡계통
호흡기관(기도/허파꽈리/가슴우리) 구조와 기능
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- 기도와 허파꽈리
기도 : 코-인두-후두-기관-기관지(1,2,3)-세기관지-허파꽈리관-허파꽈리
허파꽈리 전체 3억개이상 전체 허파꽈리 표면적 70㎡(신체표면적의 40배)
꽈리 1개-모세관그물(2,000여개 모세혈관)
- 가슴안과 가슴막 공간
벽쪽가슴막 / 가슴막공간(가슴막액) / 허파쪽가슴막
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호흡역학
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- 들숨(흡기)작용(가로막신경phrenic n)
평시 가로막-주동근diaphragm 수축(아래방향) 바깥갈비사이근external intercostal m. 수축(바깥위쪽)
가슴안 용적↑(가슴내압 감소) → 흡기(대기압760mmHg→허파꽈리내압 758mmHg)
운동시 들숨 보조 - 목갈비근(1,2갈비뼈 들어올림), 목빗근(가슴뼈 들어올림)
- 날숨(호기)작용
평시 수동적 - 가로막, 바깥갈비사이근 이완(가슴안 용적 원래크기 돌아감)
운동시 속갈비사이근internal intercostal m.
(갈비뼈 안쪽아래이동-갈비뼈 간격 좁아짐-가슴안 줄어듦←내압↑-날숨촉진)
배근육abdominal m.(가로막 가슴안쪽 이동-배압상승)
- 가슴호흡(흉식호흡) - 갈비사이근에 의한 호흡 → 호흡 얕고, 일회호흡량↓
→ 호흡수 증가 - 신생아(가로막발달 미흡), 임산부
- 배호흡(복식호흡) - 가로막에 의한 호흡 → 성인
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평시 및 운동시 환기작용
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- 분당환기량minute ventilation(1분간 들숨VI 또는 날숨VE - 날숨 의미)
분당환기량VE = 1회호흡량TV × 분당호흡수f
평시 환기량 6ℓ/min ÷ 평시 분당호흡수 12회 = 1회호흡량 0.5ℓ
환기량의 증가 호흡의 빈도 / 호흡의 심도 → 과호흡(심한운동 호흡수 40-50회, 1회호흡량 2.5ℓ)
근육의 분당산소소비량VO2, 이산화탄소배출량VCO2 증가에 비례
환기당량(VE/VO2=EQO2) 산소소비량에 대한 환기량의 비율 단련자→분당환기량↓
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운동성 과호흡의 조절기전(운돟전/운동중/회복기)
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- 운동전 환기변화
시작전 환기량 증가 → 운동 예상 대뇌겉질 → 숨뇌 호흡중추 흥분
- 운동중 환기변화
운동초기 환기급격증가 ← 신경성조절(근육, 관절수용체)
가벼운운동 환기량 서서히 증가, 지속적인 항정상태 유지
고강도운동 환기량 지속 증가 ← 화학적 조절인자(CO2, 젖산↑ , pH ↓)
- 회복기중 환기변화
환기량 급격감소 ← 신경성조절(근육, 관절수용체)
이후 서서히 감소 ← 화학적 조절인자(CO2, 젖산 , pH )
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운동중 환기량과 무산소성역치anaerobic threshold, AT
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- 점진적 운동강도↗ → 산소소비량(운동강도 비례) 직선적 증가
- 무산소성역치anaerobic threshold = 최대운동강도 근접시점(최대산소섭취량의 60% 초과시점, 단련자 70-80%)
에서 급격한 환기량 증가점 ← 에너지공급 가속화(무산소성대사→젖산축적)
- 젖산역치lactate threshold( ≒ 젖산축적개시점onset of blood lactate accumulation,OBLA)
운동부하↗ → 혈중 젖산농도 급격증가 직전의 운동강도(젖산 생성>젖산제거)
- 젖산 + 중탄산소듐NaHCO3(혈액) → 젖산소듐 + 탄산H2CO3.
탄산H2CO3 → 물 + 이산화탄소(화학수용기-호흡중추 자극, 환기량↑)
- 운동유발성 천식 운동중·직후 기도 좁아짐→숨쉼노력↑(숨가빠짐)
춥고 건조날씨, 미립자 농도(분진·오존·아황산가스)↑ - 운동 자제, 온수마시기
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폐용적과 폐용량
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1. 폐용적lung volume(4) - 폐용적 영향 → 체격, 성, 연령, 질병, 신체활동
- 1회호흡량total volume,TV
안정, 1회 들숨+날숨 공기량 성인 500㎖
- 예비날숨량expiratory reserve volume,ERV
1회호흡량 날숨후 다시 최대로 내쉴 수 있는 공기량, 1,000-1,200㎖
- 예비들숨량inpiratory reserve volume,IRV
1회호흡량 들숨후 다시 최대로 들이쉴 수 있는 공기량, 3,000-3,200㎖
- 잔기량residual volume,RV
예비날숨량을 내보내고 허파에 남은 공기량, 1,200㎖
- 폐용량lung capacity(4)
- 흡기용량IC = 1회호흡량TV + 예비들숨량IRV
- 기능적잔기용량FRC = 예비날숨량 + 잔기량RV
- 폐활량vital capacity(최대들숨후 최대날숨량) = 예비들숨량IRV + 1회호흡량TV + 예비날숨량ERV
- 총폐용량TLC(최대들숨후 허파속의 공기량) = 폐활량VC + 잔기량RV
- 폐포환기량(350 ㎖) = 무효공간(코안-허파꽈리직전, 1회호흡량의 30%, 150㎖) - 1회호흡량(500㎖)
폐포환기량 영향 → 호흡 빈도, 호흡의 깊이(1회호흡량), 무효공간용적
- 환기관류비 0.84 (분당 4.2ℓ 허파꾀리 환기 ÷ 분당 평균 5ℓ 허파모세혈관 혈액흐름)
- 발살바 동작valsalva maneuver
· 최대들숨후 숨멈추고(성대문 닫고) 배근육 수축(가슴근육 강하게 하면서 복강, 가슴안 안정화)
날숨동작(가슴내압 150mmHg↑ 증가, 평소호흡 가슴내압±3mmHg↑↓)
· 내압↑ → 가슴안 정맥압박(정맥환류량↓) → 심장1회박출량 감소 → 혈압↓ → 뇌빈혈
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기능적 환기량(최대 들숨후, 최대로 날숨시 -1초간- 배출되는 공기량)
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- 폐쇄성 환기장애 → 허파 탄성감소, 기도 저항↑(최대수의환기량 - 정상의 40%)
- 구속성 환기장애 → 폐활량 현저 감소(섬유성 결합조직 증식-폐섬유증)하나 강제호기량(1초량)에는 변화 없는 상태
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가스교환
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1) 가스교환과 분압
- 허파꽈리/모세혈관, 세포/모세혈관 가스교환 확산diffusion 가스간 분압partial pressure 차이↑→↓
- 질소 0.79% × 760 = 600.7mmHg. 산소 0.20% × 760 = 159.1mmHg. 이산화탄소 0.0003%×760=0.2mmHg.
- 고지대(해발3,000m) 대기압 감소523mmHg(523×0.20) → 산소분압 109.5mmHg
- 허파꽈리내(37℃,수분포화) 수증기분압47mmHg(760-47=713mmHg)
- 허파꽈리내(37℃,수분포화) 산소분압47mmHg(713×0.2093=149mmHg, 대기 산소분압159 대비 10mmHg)
- 허파꽈리내 산소분압 100mmHg / 이산화탄소 분압 40mmHg( ∵ 허파내 기능적잔기량과 혼합)
- 허파꽈리내 산소분압 100mmHg 정맥혈 산소분압 40mmHg = 분압차 60mmHg(모세혈관내 확산)
- 허파꽈리내 이산화탄소분압 40mmHg 허파동맥혈 이산화탄소분압(40mmHg) = 분압차 6mmHg
(물 용해도 산소보다 20배↑ 적은 압력차 충분 확산)
2) 가스교환 영향요인
- 확산경로의 길이(섬유성증식, 사리질액부족-경로 길어짐),
- 허파꽈리 주위 모세혈관의 혈류량(최대운동중 산소의 허파꽈리확산능력 300% 까지 증가),
- 혈액내 적혈구수(헤모글로빈)-빈혈
- 허파꽈리 환기량(선자세 →중력-혈액 허파아래 몰림-허파 위 모세혈관 닫힘 → 심박출량↑→ 혈관열림
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가스의 운반
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1) 산소의 운반
- 적혈구내 헤모글로빈(hemoglobin,HG) 97%(산화헤모글로빈 형태), 혈장 용해 상태 3%
- 헤모글로빈 = 단백질 + 4개의 헴heme(주성분 철)
- 헤모글로빈 1g → 산소 1.34㎖ 결합(혈액 100㎖ → 헤모글로빈 15g 함유,
평시 20㎖/혈액100㎖ 산소운반. 1.34 × 15)
- Hb의 산소포화도(%SO2) = Hb와 실제 결합한 O2량 / Hb의 O2 운반능력 × 100
- Hb의 산소포화도(%SO2)에 영향인자 → 혈중 O2 분압, 혈액온도, 혈액의 pH, 혈중 CO2 농도
- 산소해리곡선
① 안정시 동정맥 산소차
- 동맥혈 PO2 100mmHg - 산소포화 97.5% → 정맥혈 PO2 40mmHg - 산소포화 75%
(산소분압 크게 변화 → 헤모글로빈 산소포화도 약간 변화)
② 운동시 동정맥 산소차
- 동맥혈 PO2 100mmHg - 산소포화 97.5% → 정맥혈 PO2 40mmHg - 산소포화 60%
(산소분압 크게 변화 → 헤모글로빈 산소포화도 크게 변화-조직내 산소전달↑)
③ - 산소분압 낮을때(동맥혈 PO2 40mmHg → 정맥혈 PO2 30mmHg - 10mmHg차이)
안정시 → 산소포화도 75 → 57% - 헤모글로빈 산소포화도 크게 감소
운동시 → 산소포화도 60 → 38% - 헤모글로빈 산소포화도 크게 감소
2) 이산화탄소의 운반
- 용해상태 CO2 운반(약 9% 차지)
물 용해도 산소보다 20배↑ 적혈구와 평형상태.
- 중탄산이온HCO3- 형태 운반(대부분 78%)
CO2 → 탈산탈수효소/혈장, 적혈구 수분 반응 → 중탄산이온HCO3-의 확산
- 카바민화합물carbamino compound 형태 운반(13%)
홀데인효과haldane effect
산소 전달 Hb(산화→환원Hb) → 수소이온 완충(적혈구내 수소이온 감소)
→ 반응 더 쉽게 일어남(다량 CO2운반)
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환기능력과 관련된 추가 내용
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1) 세컨드윈드second wind ≒ 러너스하이runner's high(운동중의 심리적 행복감)
- 운동초기의 불편감(호흡곤란, 가슴통증, 두통 · 현기증, 근육통증) 사라지고,
편안하고 고통이 경감된 상태로 들어가는 현상
- 환기적응 미비로 초래된 호흡곤란의 해소, 호흡근육의 국부적 피로경감
- 작업근육의 혈류이동지연으로 축적된 젖산 제거(초기축적)
- 체온상승
- 심리적 요인(엔돌핀호르몬 → 기분전환, 통증 경감)
2) 수의적 과호흡
- 의식적 과호흡 → 허파꽈리·동맥혈 CO2 분압 감소(40→15mmHg)-산소 포화상태, 혈중pH↑(호흡정지)
→ 호흡중추 억제(숨멈춤시간 연장)-지속 → 실신fainting(산소소비-신소분압↓)
→ 다시호흡(조직의 산소섭취위한 방어수단?)
- 경기전 과호흡(과환기) → 동맥혈 산소함량 높임효과 없슴 ← 과환기후 잠수 위험초래
3) 흡연과 호흡기능
영향인자 ① 기도저항 증가 → 환기를 위한 산소소비량 증가(호흡근육) → 작업근육 공급 산소 감소
② 헤모글로빈 운반 O2 량에 영향
CO(일산화탄소) - 헤모글로빈 친화력 산소보다 210-250배 헴heme에 결합
산소 결합, 운반능력 10% 감소
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