운동과 폐기능

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1) 환기량의 변화

 

 

구 분	변 화	조절인자
운동 전	가벼운 증가	대뇌피질(중추신경계지배)
운동 중 - 운동 초기 - 운동 지속	급격한 증가 항정상태, 점진적 증가	근 및 관절 수용체 활성으로 연수신경자극. 화학적 인자(CO2증가로 인한 화학적 자극)
회복기 - 회복 초기 - 회복 지속	급격한 감소 휴식수준까지 느린 감소	중추신경계지배의 감소 CO2 감소, pH 정상화로 중추/말초의 화학수용기 자극 감소

 

(1) 운동전의 환기량 변화

• 안정시 1회 호흡량

- 400~600ml

• 호흡수

- 분당 10~25회

• 운동 시작 직전에 환기량이 증가하는 현상?

- 운동을 예상하며 대뇌피질로부터의 자극이 뇌간의 연수에 있는 호흡중추를 흥분시키기 때문

 

 

환기조절(호흡조절중추)

2) 호흡조절

• 호흡 중추

- 뇌간의 하부에 위치한 신경세포집단으로 구성

-> 뇌간; 교(pons)와 연수(medulla oblongata)

- 배측호흡군(dorsal respiratory group)

ⓐ 호흡초기 기본적인 역할

ⓑ 기본적인 호흡리듬

ⓒ규칙적인 호흡수

 

• 복측호흡군(ventral respiratory group)

- 신경들로부터의 호흡신호를 통해

ⓐ 폐환기를 증가시킴

ⓑ 강한 호기시 복부근이 강하게 수축하도록 호기신호를 보냄

• 지속성 흡식 중추(pnemotaxic center)

- 호흡 패턴과 호흡수를 조절

ⓐ 흡기용적을 제한하는 폐의 충만주기 지속시간 조절

ⓑ 호기 및 흡기시간과 호흡수의 조절

ⓒ 흡기, 호기 시간 단축 ⇒ 호흡수 증가

ⓓ 흡기, 호기 시간 증가 ⇒ 호흡수 감소

 

(2) 운동 중의 환기량 변화

1. 운동 시작 후 몇 초 이내에 급격한 증가

-> 활동근의 운동 결과로 일어나는 관절에서의 자극과 관계

2. 급격한 증가가 끝난 후 최대수준의 항정 상태까지의 느린 증가

-> 최대하 운동시

-> 최대 운동시

 

 

 

최대하 & 최대 운동시 환기량 변화

 

• 최대하 & 최대 운동시 환기량 변화
• A는 최대하 운동, B는 최대운동의 환기량 변화
• 최대하 운동에서는 항정상태가 나타남
• 최대운동에서는 운동이 끝날 때까지 계속 증가

- 운동 중 혈액 내의 CO2증가로 인한 화학적 자극에 의한 것

 

(3) 회복기 환기량 변화

- 운동 직후 환기량 급감

-> 운동 직후 근육과 관절에서의 자극 중단으로 중추 명령의 감소

- 이후 안정수준으로 서서히 감소

-> 대뇌 척수액과 혈액의 CO2 분압과 pH 수준의 감소로 수용기 자극 감소

 

2) 폐용적과 폐용량

• 최대운동 중 1회호흡량의 증가는 안정시의 5~6배
• 1회 호흡량의 증가는 호기예비용적보다 흡기예비용적이 더 큰 작용
• 운동 중에는 총 폐용량과 폐활량이 약간 감소

- 이는 폐내 혈류량의 증가와 관계 있음

-> 이는 폐모세혈관의 혈액량 증가로 인해 이용할 수 있는 기체용적 공간을 감소시킴

 

 

운동중 폐용적과 폐용량의 변화

 

항 목	1회환기량 (TV)	흡기예비용적(IRV)	호기예비용적(ERV)	잔기량 (RV)
운동 중 변화	증 가	감 소	약간 감소	약간 증가
항 목	총폐용량 (TVC)	폐활량 (VC)	흡기량 (IC)	기능적 잔기량 (FRC)
운동 중 변화	약간 감소	약간 감소	증 가	약간 증가

 

 

휴식기와 운동 중 폐용량과 폐용적 변화

 

3) 환기량과 무산소성 역치

• 환기량 급격 증가 시점
• 무산소성 대사로 인한 에너지 공급이 가속화
• 해당 과정을 통한 에너지 공급이 크게 증가
• 젖산 생성률이 증가
• 체내 젖산 축적이 시작

 

 

• 젖산은 체내 완충제인 중탄산나트륨(NaHCO3-)과 결합하여 젖산나트륨, 수분, CO2 등 형성
• 에너지 대사과정 이외에 추가로 발생된 CO2의 증가는 화학수용기를 자극하여 환기량을 증가시키도록 호흡중추에 대한 자극신호를 활성화시킴
• 이로 인해 VO2의 증가없이 환기량이 급증
• 산소섭취량의 증가 없이 환기량이 급증하기 시작하는 시점은?

-> 젖산이 축적되기 시작하는 시점(onset of blood lactate accumulation, OBLA)과 일치하거나 약간 지연되어 나타남.

• 환기량이 급증하는 시점

- 환기역치(ventilation threshold, VT),

-> 젖산 축적이 시작되는 시점 = 젖산 역치(lactate threshold, LT)

 

• 무산소 역치 시점
• 일반인은 최대산소섭취량의 55~75%에 해당
• 지구성 운동선수는 70~85%에서 나타남
• 훈련자의 무산소성 역치가 지연되어 나타나는 것

-> 유산소적 훈련과정에 의한 에너지 생성 능력 증가

 

5.가스교환

1) 호흡가스의 농도와 분압

(1) 대기

 

가 스	%	분압(760mmHg)	가스용적(ml/L)
산 소	20.93	159.0	209.3
CO2	0.03	0.2	0.4
질 소	79.04	600.0	790.3

 

(2) 기관

• O2, CO2 및 N2에 의한 압력은 713mmHg(760mmHg-47mmHg)
• 폐포 내 산소분압(PO2)은 713 × 0.209 ≒ 149mmHg가 되어 대기 중의 산소 분압에 비해 약 10mmHg 적다.

 

 

 

(3) 폐포와 폐모세혈관

• 폐포내 PO2는 평균 100mmHg, PCO2는 40mmHg.
• 폐모세혈관을 흐르는 정맥혈의 PO2는 40mmHg로서 폐포내 PO2와 60mmHg의 분압차
• PCO2는 46mmHg로서 폐포분압과 분압차를 갖게 된다.

 

2) 폐와 조직에서의 가스교환

 

 

• 조직에서의 가스교환

- 폐포-모세혈관막에서의 가스교환은 고분압에서 저분압으로 확산에 의해 일어난다.

- 안정시에는 폐포와 조직-모세혈관의 가스교환이 0.75초이며, 최대운동시에는 0.3～0.4초 이내이다.

 

 

 

 

6. 가스운반

1) 산소의 운반

 

용해된 산소	산소화 헤모글로빈
산소는 혈장에 의해 용해된 상태로 혹은 적혈구 내 Hb에 의해서 운반된다. 용해된 상태로 운반 산소량 -> 안정시 분당 산소섭취량(250~300ml/min)의 3~4%에 불과	대부분의 산소(97%)는 적혈구 내로 확산되어 Hb와 화학적으로 결합하여 산소화 헤모글로빈(HbO2)의 형태로 운반 안정시 산소 운반량? - 혈액 100ml당 15g×1.34ml = 20.1ml의 산소운반 - 혈액 100ml당 헤모글로빈 함량 약 15g 정도 - 1g Hb = O2 1.34ml 와 결합

 

 

(3) 산소화 헤모글로빈 곡선

• 산소분압이 100mmHg인 동맥혈 산소포화도는 약 97.5%
• 산소분압이 40mmHg인 혼합정맥혈 산소포화도는 약 75%

 

 

 

 

산소화 헤모글로빈 곡선

 

• A는 안정시이며, B는 운동중.
• 해리곡선은 온도 증가, pH 감소, PCO2 증가에 따라 우측으로 이동.
• 이는 운동 중에 더 많은 산소 공급을 가능케 함

 

2) CO2의 운반

• 용해된 상태

- 혈장내에 용해된 CO2는 농도차에 따라 적혈구 내로 이동하며

- 적혈구와 평형상태를 이루게 되며, CO2 운반량의 약 10%를 담당함

 

• 중탄산염

- 처음 반응

-> 적혈구 내의 탄산탈수소효소(carbonic anhydrase: CA)에 의해 평형에 도달

- 둘째 반응

-> 탄산(H2CO3)의 해리이며 효소가 필요치 않은 빠른 반응.

-> 수소 이온의 일부분은 헤모글로빈과 결합하여 완충됨

[CO2 + H20 ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-] 탄산탈수소효소

 

• 카바미노 화합물

- Hb-NH2 + CO2 = Hb-NHCOO- + H+

- 카바미노 화합물은 적혈구 속 단백질의 아미노기가 CO2와 결합하여 형성

- 이 반응 결과로 생성된 수소이온은 혈장 단백질과 헤모글로빈에 의해서 완충

 

 

 

CO2의 운반

 

7. 트레이닝에 따른 호흡계의 적응

 

1) 폐용적과 폐용량

• 폐용량과 폐용적의 변화는 트레이닝 외에 성, 연령, 체격, 체중 등에 의해서 결정
• 폐활량은 약간 증가하나 총폐용량(TLC)은 무변화
• 기능적 잔기용량, 잔기용적, 총폐용량에 대한 잔기용적의 비율(RV/TLC)은 감소

 

2) 지구성 트레이닝 후 변화

• 일회 환기량은 안정시나 상대적 동일 강도의 최대하 운동시에는 트레이닝 전과 변화가 없으나
• 최대운동시에는 증가된다.
• 일회 환기량의 증가는 흡기근 강화로 인한 흡기 용량의 증가에 의해서 나타난다.

 

3) 폐환기량

• 안정시 폐환기량

-> 트레이닝 후 변화가 없거나 약간 감소

• 상대적 동일 강도의 최대하 운동시

-> 약간 감소

• 최대운동시의 최대환기량 증가

*비훈련자의 경우

- 트레이닝 전 120ℓ/min,

- 트레이닝 후 150ℓ/min까지 증가

- 트레이닝 후 최대환기량 증가는?

-> 1회환기량 증가, 호흡수 증가에 기인

 

• 트레이닝 후 안정시와 최대하운동중의 호흡수가 감소

-> 트레이닝에 의해서 호흡효율이 증가된 것을 반영하는 것

-> 최대운동시에는 트레이닝 후에 호흡수가 증가

 

4) 폐확산

• 트레이닝 후 안정시와 상대적 동일 강도의 최대하운동시에는 변화 없다.
• 최대운동시에는 폐확산 능력 커짐
• 폐 혈류량은 트레이닝 후에 증가

- 앉아 있어나 서 있을 때 폐의 위로 오는 혈류량 증가

- 이것은 폐관류(perfusion)를 증가시킨다.

- 가스교환을 위하여 더 많은 혈액이 폐로 들어와 환기량이 증가

- 더 많은 공기가 폐확산에 관여하게 됨

 

5) 동정맥 산소차와 환기효율

• 트레이닝 후 동맥혈 산소농도는 거의 변화 없다.
• 총 Hb량은 증가되도 단위 혈액 내에 포함되는 Hb양은 같거나 약간 더 감소
• 동정맥 산소차는 트레이닝 후, 최대운동시에 증가
• 훈련은 환기효율 증가
• 환기 효율이 높다는 것은 동일한 산소소비 수준의 운동에서 환기량이 적은 것을 의미
• 상대적으로 적은 양의 환기량으로 동일한 운동을 수행할 수 있다

 

6) 동적 폐기능-강제폐활량

• 강제폐활량은 운동수행능력과 높은 상관관계

- 운동선수는 비운동선수에 비하여 큰 강제폐활량을 지니며, 달리기 선수는 가장 크게 나타난다.

• 트레이닝에 의한 강제폐활량의 증가는?

- 흉벽, 늑골, 횡격막 호흡 근육의 비대에 의해 일어나는 현상

 

6) 동적 폐기능-최대수의적환기량:MVV

• MVV은 동적인 폐 환기능력을 잘 평가할 수 있는 지표
• MVV 증가는?

- 흉곽 근육의 준비운동, 호흡 중추의 자극, 흉곽 폐조직과 호흡근의 강화, 폐유순도 증가와 기도 저항의 감소 등에 기인

- 기도 저항이 증가하는 폐쇄성 폐질환인 경우 감소