개 요

1. 폐의 기능

2. 호흡계의 구조 1) 공기 전도영역

2) 호흡 교환기관

3. 호흡의 원리 1) 흡기

2) 호기

3) 기도 저항

4. 폐에서의 환기

5. 폐용적과 폐용량

6. 가스의 확산

7. 폐로의 혈류

8. 환기와 폐 혈액 관류의 관계

9. 혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반 1) 헤모글로빈과 산소의 운반

2) 산화형 헤모글로빈의 해리곡선

3) 근육 내 산소의 운반

4) 혈액 내 이산화탄소의 운반

10. 운동 중 호흡과 혈액-가스의 변화 1) 안정 시에서 운동 시로의 전환

2) 고온에서 장시간 운동

3) 점진적 운동

11. 호흡조절 1) 안정 시 호흡조절

2) 최대하 운동 시 호흡조절

3) 고강도 운동 시 호흡조절

12. 폐는 운동 훈련에 적응하는가?

13. 폐는 최대 운동수행능력을 제한할까?

학습목표

1. 폐의 중요한 생리학적 기능을 설명한다.

2. 호흡계의 해부학적 주요 요소를 이해한다.

3. 휴식 및 운동 중에 흡기와 호기와 관련된 근육을 열거한다.

4. 폐에서의 환기에 혈류가 연결되는 중요성을 논의한다.

5. 폐의 혈액-가스 접촉면에서 어떻게 가스가 운반되는지 설명한다.

6. 혈액에서 산소와 이산화탄소가 운반되는 주요 방식을 논의한다.

7. 온도상승, pH감소 그리고 2-3DPG의 증가가 산소-헤모글로빈 해리곡선에

미치는 영향을 논의한다.

학습목표

8. 일정한 부하의 항정 상태 운동에 대한 환기 변화를 설명하고,

고온 다습한 환경에서 운동을 계속 한다면 환기에는 어떤 변화가 일어나는지

논의한다.

9. 운동부하의 증가에 따른 환기 변화를 설명하고 최대산소섭취량의 50~70%가

넘는 운동을 할 때 호흡이 갑자기 비직선적으로 증가하게 하는 요인이

무엇인지 논의한다.

10. 호흡을 조절하는 데 중요한 역할을 하는 화확수용기와 기계수용기의 위치와

기능을 이해한다.

11. 운동 중 호흡조절에 관여하는 신경-호르몬이론을 설명한다.

폐의 기능

호흡의 정의

산소를 들이마시고 이산화탄소를 내보내는 가스교환을 통하여

생물들이 유기물을 분해하여 생활에 필요한 에너지를 만드는 작용.

폐호흡(pulmonary respiration)

- 환기와 폐 내의 가스교환(O2, CO2)에 기인함.

세포호흡(cellular respiration)

- 조직에서의 산소사용, 이산화탄소의 생성과 관련이 있음.

폐의 기능

호흡계는 인체에 혈액을 통해 산소의 공급과 이산화탄소의 제거를

하며, 폐와 혈액 사이의 산소와 이산화탄소의 교환은 호흡과 확산의

결과로 발생함.

- 폐의 산소분압 > 혈액 내 산소분압 = 산소는 폐에서 혈액으로 이동.

- 혈액 내 CO2 분압 > 폐 = CO2 는 혈액에서 폐로 이동 후 호기로 배출

호흡계에서 확산이 빠르게 나타나는 이유

- 폐의 표면적 크기와 폐 내에서의 짧은 혈액과 가스 사이의 확산거리

혈액 내의 산소와 CO2 분압 = 폐 내의 산소와 CO2 분압

⇒ 정상적인 폐 기능의 높은 효율성에 대한 증거임.

격심한 운동 중 산, 염기의 균형을 조절함

호흡계의 구조

호흡계의 주요 기관들 가슴막(흉막)의 형태

호흡계의 구조

호흡계의 공기통로는 기능적으로 전도영역과 호흡영역으로 분리됨.

전도영역은 공기의 통로 역할과 폐의 호흡영역 운반에 이르기까지

공기에 습기를 첨가해 주고 공기를 여과하는 기능을 함.

- 폐에 도달하는 공기는 따뜻하고 수증기에 포화되어 있음.

- 따뜻한 공기는 체온을 보호하고, 습도는 폐 조직의 건조를 예방함.

호흡영역에서는 가스교환이 이루어짐.

호흡계의 구조

전도영역과 호흡영역에서 호기가스를 여과하는 것은

호흡영역 내로 들어오는 흡기된 입자들이 응집될 때

폐에 손상이 가는 것을 예방하기 위함.

여과 및 청소과정

- 전도영역의 세포 내에서 분비되는 점액이 흡기된 작은 입자들을

흡착하여 제거함(섬모 → 구강방향으로 운반 및 배출).

- 폐포 내에 존재하는 대식세포의 활동에 의함.

섬모와 대식세포는 흡연이나 공기오염 형태에 의해 방해를 받음.

호흡계의 구조

호흡 교환기관

폐의 가스교환은 3억 개의 작은 폐포(0.25~0.50mm)에 의해 이루어짐.

- 확산을 위한 폐의 총 표면적: 60~80m2(테니스 경기장 크기)로 추정

폐포의 구조는 가스교환에는 이상적이지만 깨지기가 쉽다는 문제점이

있음.

- 폐포 안쪽의 액체 표면장력(수증기에 의해서 가해지는 압력)은

상대적으로 큰 힘을 생성하기 때문에 페포가 쭈그러지는 경향이

있음.

- 제 2형 세포는 서퍼턴트라 불리는 물질을 합성하고 방출하여서

폐포의 표면장력을 감소 시킴(쭈그러짐 방지).

호흡의 원리

흡 기

횡격막은 흡기 시 가장 중요한 근육이며 생명을 유지하는데

필수적인 골격근임.

정상적인 상태에서는 횡격막이 흡기작용의 모든 일을 수행하나

운동 중에는 보조흡기 근육들이 도움을 줌.

호흡의 원리

호 기

호기는 정상적인 상태에서 수동적으로 이루어짐(근육의 작용 X).

- 폐와 흉곽 벽의 탄력성(안정 시 평형상태로 전환).

운동 중에는 호기가 능동적으로 일어남.

- 복부벽(복직근과 내복사근)

호흡의 원리

기도 저항

폐 내로 들어오는 공기의 속도와 상관없이 압력의 차는 기도의

저항으로부터 영향을 받음.

- 공기의 흐름 = P1 – P2/저항

- 공기의 흐름은 폐 기능계의 압력 차가 증가하거나 기도저항이

감소할 때 증가함.

기도의 저항에 기여하는 요인

- 기도의 지름(만성 폐쇄성 폐질환 또는 천식환자들은 기도저항 증가)

만성 폐쇄성 폐질환은 증가된 기도저항(지속적) 때문에 호기량이

감소하는 질병임(천식은 가역성 기도협착).

- 기도협착 → 호흡근의 부하 증가 → 호흡의 가빠짐(호흡곤란)

폐에서의 환기

폐의 생리학적 부호

- V(가스의 용적), ⩒(분당 환기량)

- T(1회 호흡용적), D(사강), A(폐포), I(흡기용적), E(호기용적)

폐환기량은 폐의 안과 밖으로 이동하는 가스의 양을 말함.

분당 환기량 (⩒) = VT X 호흡빈도(f)

- 남자(70kg)의 휴식시 환기량은? 7.5L= 0.5L X 15회

- 남자(70kg)의 최대운동 시 환기량은? 120~175L= 3~3.5L X 40~50회

사강환기량(⩒A)과 폐포환기량(⩒D)

- ⩒ = ⩒A + ⩒D

폐용적과 폐용량

가스의 확산

폐로의 혈류

성인의 경우 우심실(좌심실)에서는 분당 약 5L의

박출량을 갖음.

- 혈액의 흐름: 폐순환 = 체순환

- 압력: 폐순환 < 체순환(혈관의 저항이 낮음)

폐순환은 운동 중 폐의 혈액흐름이 증가하는

시기에 폐혈관계의 압력은 혈관의 팽창과

사용 안 했던 모세혈관의 사용 때문에

압력이 떨어지는 특징이 있음.

서 있는 상태에서 대부분의 혈류는 중력 때문에

폐의 지저면에 모여 있음.

- 운동 중 또는 자세의 변환에 따라 혈류량의

분포는 달라짐.

환기와 폐혈액 관류의 관계

혈액과 폐 사이에 효율적인 가스교환이 이루어 지기 위해서는 호흡에

따른 혈류량의 흐름이 적절하게 이루어 져야 함.

- 환기와 관류관계

- 환기와 관류의 부조화는 폐의 질환에 기인하여 발생하는

가스교환 문제의 원인이 됨.

환기와 관류의 이상적인 비율은 1.0 또는

1.0보다 조금 높은 것이 좋음.

- 혈류량과 환기의 이상적인 조화를 나타냄.

- 폐에서는 비율이 1.0이 아니며, 구획에 따라

다르게 나타남.

혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반

헤모글로빈과 산소운반

혈액을 통해 운반되는 산소의 약 99%는 적혈구 내에 존재하는

단백질인 헤모글로빈과 화학적인 결합(1-4)에 의해서 운반됨.

- 산화형 헤모글로빈과 환원형 헤모글로빈

혈액의 단위부피당 운반되는 산소의 양은 헤모글로빈의 농도에 의함.

- 남자: 150g/1L, 여자: 130g/1L

- 헤모글로빈 1g당 산소 1.34mL를 운반함(약 200mL, 174mL)

혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반

산화형 헤모글로빈의 해리곡선

폐(폐포 모세혈관)에서 산소와 헤모글로빈이 결합하는 것을 포화라

하며, 조직에서의 산소의 방출을 해리라고 함.

- 환원형 헤모글로빈 + 산소 ⟷ 산화형 헤모글로빈

가역적 반응의 방향을 결정하는 요인

- 혈중 산소 분압, 헤모글로빈과 산소와의 친화도와 결합력

혈액 내 산소 분압과 산화형 헤모글로빈의 상대적 포화도 간의 상관관계

혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반

pH가 산소-헤모글로빈 해리곡선에 미치는 영향

헤모글로빈의 산소 결합력에 영향을 미치는 산소 분압 외에 pH농도의

변화와 온도 그리고 적혈구 내의 2-3 DPG(diphosphoglyceric acid)

농도의 변화가 산소포화와 해리반응에 영향을 줌.

혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반

근육 내 산소의 운반

미오글로빈(myoglobin)은 골격근과 심장근에서 볼 수 있는(혈액 속이

아님) 산소와 결합하는 단백질로서 근육세포막에서 미토콘드리아로

산소를 운반하는 역할을 함.

- 지근 섬유(★), 중간 섬유(■), 속근섬유(▲)

- 헤모글로빈과 유사한 구조이나 무게는 ¼임.

미오글로빈의 산소친화도는 헤모글로빈 보다 큼.

미오글로빈이 저장하고 있는 산소는 운동으로

전환될 때 제공되는 산소저장고의 역할을 함.

- 운동 시작 시 근육의 수축 시점과

산소운반이 지연되는 사이의 시간의 발생함.

- 미오글로빈과 결합된 산소는 운동초기에

근육에서 필요로 하는 산소를 우선 제공함.

혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반

혈액 내 이산화탄소의 운반

이산화탄소의 운반 형태

- 용해된 상태(약 10%), 헤모글로빈과 결합

(카바미노 헤모글로빈, 약 20%),

중탄산(HCO3⁻, 약 70%)

중탄산의 운반원리

탄산 무수화

CO2 + H2O ⟷ H2CO3 ⟷ H⁺ + HCO3⁻ 탄산

중탄산은 음이온을 띠고 있으므로 세포로부터

다른 보충이 없이 음이온이 제거되면

세포막에 전기화학적 불균형이 생김.

- 염화물 이동: 적혈구 내에서 음이온의 교환.

혈액에서 산소와 이산화탄소의 운반

혈액 내 이산화탄소의 운반

혈액이 폐모세혈관에 도달하면 혈중이산화탄소의 분압은

폐포의 분압보다 커지고 혈액과 가스의 접척면을 통하여

이산화탄소가 혈액 밖으로 확산됨.

폐에서는 헤모글로빈과 결합되어 있던

수소이온이 방출되어 산소와 결합이 이루어

지며 수소이온은 탄산의 형성을 촉진함.

H⁺ + HCO3⁻ ⟷ H2CO3

이산화탄소의 분압이 낮은 폐포 내에서

탄산은 이산화탄소와 물로 분해됨.

H2CO3 ⟷ CO2 + H2O

운동 중 호흡과 혈액-가스의 변화

휴식 시 → 항정상태로 전환할 때

환기량과 이산화탄소 및

산소분압의 변화

장시간 최대하 운동 시 환기량과

이산화탄소 분압의 변화

점증적 운동 시 환기량과

이산화탄소 분압, pH의 변화

호흡조절

안정 시 호흡조절

안정상태에서의 흡기와 호기는 횡격막의 수축과 이완으로 이루어짐.

- 운동 시는 호흡보조근육이 사용됨.

호흡근육의 수축과 이완은 척수의 체성운동신경원에 의해 직접적인

조절을 받으며, 운동신경원의 활동은 뇌간의 연수에 있는

호흡조절중추의 직접적인 제어를 받음.

흡기와 호기의 최초의 조절은 연수에 위치한

신경원에서 이루어 짐(흡기).

안정 시에는 본능적인 흡기주기와 수동적인

호기주기가 이루어 짐.

뇌간의 두영역도 호흡조절에 기여함.

- 지속흡식영역(흡기신경원 활동 차단)

- 호흡조절영역(지속흡식영역 미세 조절)

호흡조절

체액성 화학 수용기

중추화학수용기

- 연수의 내측에 위치하여 뇌척수액(CSF)의

수소이온(H⁺)과 이산화탄소의 분압에 영향을 받음.

- 해부학적으로 호흡중추로부터 분리됨.

- 뇌척수액의 수소이온과 이산화탄소의 분압이 증가하면

호흡중추에 구심성 정보를 제공하고 호흡중추는 호흡을 증가시킴.

호흡조절

체액성 화학 수용기

말초화학수용기

- 대동맥 소체

대동맥궁에 위치하여 동맥의 수소이온(H⁺)과

이산화탄소의 분압 증가에 반응을 함.

- 경동맥소체

혈중의 칼슘농도에 민감하게 반응하여

동맥혈의 산소분압을 감소시킴.

호흡조절

최대하 운동 시 호흡조절

폐는 운동훈련에 적응하는가?

골격근과 심폐계는 규칙적인 훈련에 의해 적응이 됨(차이가 있음).

규칙적인 훈련에 참여하는 선수의 폐는 좌업 생활자와 차이가 없음.

- 규칙적인 지구성 훈련(1년) 전, 후 간의 안정 시 폐 기능은

별다른 차이가 없었음.

폐는 최대 운동수행능력을 제한할까?

폐순환체계는 최대산소섭취량의 90% 이하의 장시간 최대하 운동 시

운동수행능력을 제한하는 요소는 아님.

최대하 운동과는 반대로 최대운동 이상(>90%)에서는

호흡계(호흡피로근육)가 운동수행능력을 제한할 수 있음.

폐에서의 불 완전한 가스교환이 우수 지구력 선수들에게서

일어날 수 있으며, 고강도 훈련을 제한 할 수 있음.