노화와 관련된 질병, 심혈관계

노화와 관련된 질병, 심혈관계

 

1. 심혈관계

 

 이 절에서는 혈류와 정상적으로 기능을 하는 조직의 지속적인 산소공급을 조절하는 몇 가지 기초적인 생리학적 특성에 대해서 다룬다. 혈류(산소공급)의 막힘이 많은 기관과 조직의 노화성 혹은 병인성 쇠퇴의 중요한 요소이기 때 문에, 우리는 이것을 학습해야 한다.

 

 

 

1) 심혈관계는 액체 이송의 닫힌 계이다.

 

모든 액체 이송의 닫힌 계처럼, 심혈관계(cardiovascular system)는 중추적인 펌프(심장)와 액체를 목표지점(세포)까지 보내고 다시 펌프로 돌아오게 하는 관(동맥과 정맥)으로 구성된다. 심장은 두 개의 분리된 펌프로 구성되어 있다. 오른쪽은 산소가 없는 혈액을 호흡계 ( 폐 ) 로 운송하고, 왼쪽은 산소가 풍부한 혈액을 온몸으로 공급한다. 심장의 양쪽에는 각각 심방 ( atrium ) 과 심실 ( ventricle ) 이라는 2개의 방이 있다. 심방은 심실의 혈액량을 공급 혹은 조절 기능을 한다. 우심방은 상대정맥 ( superior vena cava ) 으로부터 산소가 없는 혈액을 받고, 좌심방은 폐정맥 ( pulmonary vein ) 에서 산소가 풍부한 혈액을 받는다. 심방은, 한쪽 방향 판막들 [ 오른쪽은 삼첨판막 ( tricuspid valve ) 이고 왼쪽은 승모판막 ( mitral valve ) 임 ] 에 의해, 좀 더 크고 더욱 강력한 심실과는 분리되어 있다. 심실은 심장으로부터 혈액을 내보내는데, 왼쪽에서는 대동맥관막 ( aortic valve ) 을 통해, 그리고 오른쪽에서는 폐동맥관막 ( palmonary valve ) 을 통해서 내보낸다. 심장처럼, 순환계도 2개로 분리되어 있지만 서로 연결된 시스템으로 구성 되어 있다. 폐순환 ( pulmonary circulation ) 과 체순환 ( systemic circulation ) 이 그것이다.

 

 심장에서 나가는 혈관을 동맥 ( arteries ) 이라고 하고 심장 으로 들어오는 혈관을 정맥 ( veins ) 이라고 한다. 순환계는 조직화되어 있어서 혈액흐름의 방향에 따라서 동맥은 점점 가늘어지고 정맥은 점점 굵어진다. 이런 배치는 적혈구 세포와 조직의 세포 사이에 가스 교환이 효과적으로 일어나도록 진화되어 왔다. 반투과벽을 통한 가스 교환이 일어나는 모세혈관 ( 가장 작은 혈관 ) 의 내강은 한 개의 적혈구 세포의 지름과 비슷한 직경을 가지며, 이는 표면적에 대한 사각 공간의 비율을 상당히 낮출 수 있다. 동맥은 혈압을 유지하고 혈액을 조직까지 운반해야 하므로, 동맥의 구조는 정맥의 구조보다 상당히 복잡하다. 동맥에는 혈관평활근 세포들이 매우 많이 존재하며, 이 세포들이 수축할 때 혈관의 내강이 좁아진다. 평활근은 신체의 혈압을 높여야 할 필요성이 있거나 혈액을 말단까지 보내는 것을 차단할 필요가 있을 때 뇌에 서 오는 신경 신호에 반응한다. 정맥은 혈액을 심장으로 수송할 때 압력을 사용하지 않는다. 그 대신에 혈관에 있는 한쪽 방향 판막을 이용하여 흐름을 유 지한다. 심장이 박동하여 혈액을 내보낼 때, 수축기 혈압 ( systolic pressure ) 이라고 불리우는 동맥의 혈압은 혈액의 흐름을 위하여 판막의 열림을 유도한다. 심장이 휴식기일 때, 이완기 혈압 ( diastolic pressure ) 이라고 불리우는 동 맥 혈압의 감소는 판막 닫음을 유발하여 정맥 속의 혈액이 역류하지 않게 한다. 골격근육의 수축 또한 심장 아래 부근에서 정맥 펌프를 도와준다. 동맥의 평활근과 말단 정맥의 판막에서 비정상적인 노화성 변화는 울혈성 심부전이 라는 노화성 질병을 유발한다.

 

2) 심장과 동맥은 흥분성 조직이다.

 

 심장과 동맥은 모두 압력과 흐름을 생성하기 위하여 근육조직의 수축을 이용 한다. 신경조직과 같이 근육조직은 수축을 근육세포에서 근육세포로 퍼뜨리기 위한 활동전위를 생산하는 흥분성 조직이다. 심장근육 ( 심근세포 ) 은 최상의 상태를 유지하기 위하여 정확한 수축패턴을 따른다. 이 패턴은 우심방의 위쪽에 있는 특수한 세포의 작은 모임인 동방 ( 굴심방 ) 결절 ( sinus ( sinoatrial ) node] 이 활동전위를 만들어 낼 때 시작한다. 활동전위는 옆으로 분포한 심장근육세포 ( 심근세포 ) 로 퍼져 나가며 우심방과 좌심방의 동시 수축을 유발 한다.

 방실결절 [atrioventricular ( AV ) node] 은 전기적 신호를 받아서 그 신호를 방실다발과 방실다발 가지 쪽으로 전달한다. 심방과 심실의 근육섬유 사이에 직접 접촉에 의한 것이 아닌 방실결절을 통한 활동전위의 전파는 약 1/6초 정도의 지연을 유발한다. 이 지연이 수축하기 전에 혈액이 심실에 찰 수 있도록 한다. 심장조직의 수축 ( 심박 ) 조절은 뇌간의 신경망을 통하여 주로 발생하지만 카테콜아민과 같은 호르몬에 의해서도 조절될 수 있다. 심장근육의 수축은 신경 자극에 의해서 조절되지만, 동맥의 평활근 수축은 주로 호르몬과 동맥에서의 지엽적인 사건에 의해서 조절된다. 혈관수축 ( vasoconstriction ) 이라고 하는 동맥 평활근의 수축은 혈관내강의 직경을 줄인다. 혈관이완 ( vasodilation ) 이라고 하는 평활근의 이완은 직경을 중가 시킨다.

 우리는 특정 기관에 필요한 혈액을 공급하기 위하여 어떻게 혈관수축과 이완이 함께 작동하는지를 보이려면 대사 활동 증가를 예로 이용할 수 있다. 휴식할 때, 골격근의 동맥은 일부 수축되어 있다. 즉, 근육은 혈액이 많이 필요하지 않다. 운동을 시작하여 근육이 수축하기 시작할 때, 카테콜아민들이 분비되고 α-아드레날린성 수용체에 결합하면 동맥의 혈관이완을 유발한다(혈액의 흐름 증가). 이 신경 - 호르몬의 반응은 운동시 초반의 수초에서 수분동안만 지속된다. 운동이 지속되는 동안 혈관이완과 혈액흐름 증가는 동맥 - 정맥의 줄어든 산소량과 증가된 혈중 세포호흡 대사체의 농도 등과 같은 지엽적 사건들에 의해 유지된다.

 운동을 멈추면, 혈압의 감소와 β- 아드레 날린성 수용체에 카테콜아민의 결합 등과 같은 혈관수축 유도물질이 혈액의 흐름을 줄인다. 심장은 심장박출량을 조절하여 혈액의 흐름과 압력을 조절한다 심장이 순환계로 내보내는 산소가 풍부한 혈액의 양을 심장박출량 ( cardiac output ) 이라 하는데, 이것은 한번의 수축기 ( systole ) 동안에 배출하는 혈액량 인 박출량 ( stroke volume ) 과 분당 심장박동수인 심박수 ( heart rate ) 의 곱으로 표현된다. 심장박출량은 모든 조직의 수요량의 합과 일치한다. 즉, 조직이 100 유닛의 혈액을 필요로 하면 심장은 100 유닛의 혈액을 배출한다. 조직의 수요는 정맥에서 심장으로 들어오는 혈액의 양 ( 정맥환류량, venous return ) 에 의해서 결정된다.

 

심장박출량 = 박출량 X 심박수

박출량 = 심장이 한번 수축할 때 좌심실에서 방출되는 혈액의 부피 ( ml )

심박수 = 분당 심장박동수

 

 계단을 오르기 시작하는 것과 같이 우리가 근육을 움직이기 시작하면, 신경 - 호르몬 요소들은 근육이 움직일 때 필요로 하는 추가적인 산소를 몸에 공 급하기 위하여 심장박동수를 증가시킨다. 또한 심장박출량의 중가는 심실에 더 많은 혈액을 보충하도록 정맥환류량도 증가시킨다. 탄력성 ( compliance ) 이라고 알려진 특성처럼, 심실 주위의 근육이 펴져서 심장세포의 길이가 늘어나고 더욱 강한 수축력, 혹은 강력한 수축성 ( contractibility ) 을 유발한다 - 즉, 1 회 박동에 더 많은 혈액이 배출될 수 있다.

 수축력은, 수축되기 전의 심실에 들어있는 혈액량과 정맥환류량으로 계산된, 말기 확장기 용량 ( end diastolic volume ) 의 범위를 넘어선 수준의 탄력성에 대해서 대응한다. 즉, 심 장에서 나가는 혈액량은 정맥환류량과 비슷하다. 그러나 심근세포는 적정한 길이를 가지고 있고, 심실의 일정 이상의 확장은 수축성을 낮추어서, 결국엔 박출량을 낮추게 된다. Frank - Starling 기전으로 알려진, 심장근육의 탄력성과 수축성의 길이 - 장력의 상관성은 정상적인 생리적 상태에서는 심근세포의 적정 길이 이상으로 작동되지 않는다. 

 

3) 유체 역학의 원리가 전반적인 혈액의 흐름을 제어한다.

 

 우리가 이미 알아본 바와 같이, 심장과 혈관계 모두는 혈류의 양을 조절하는 기전을 가지고 있다.

 심장은 심장박출량 : 동맥은 혈관 이완과 혈관 수축, 이런 혈류를 조절하기 위한 조직 특이적 그리고 기관 특이적 기전들은, 몇 가지 유체 역학의 원리들을 통해 전반적인 혈류를 조절하기 위하여 상호 협 하여 기능을 수행한다. 가장 중요한 것은 흐름, 압력, 그리고 저항 사이에 상호관계이다. 혈류는 계 사이의 압력 차이에 직접적으로 비례하고 저항에는 역비례한다. 

 

 동맥 혈관은, 직경이 겨우 한 개의 적혈구 세포와 같은, 모세혈관에 가까워질 때까지 점진적으로 작아진다는 것을 상기하라. 혈관이 작아짐에 따라, 혈관의 손상을 막기 위하여 압력은 낮아진다. 즉, 큰 동맥은 심장 가까이에서 발생하는 100 mmHg 의 압력을 견딜 수 있지만, 특히 세동맥(가장 작은 동맥)과 모세혈관과 같은 작은 혈관은 견딜 수 없다. 그렇다면, 심혈관계는 어떻게 유체 역학법칙을 따를 수 있도록 되어 있는가, 이와 동시에, 심혈관계는 어떻게 혈관 직경이 작아짐에 따라 혈압을 낮출 수 있을까?

 그 해답은 혈관벽을 확장하고, 힘의 제 4 법칙인 유체역학을 위한 기초 물리법칙의 유리한 점을 택함으로써, 혈관 내강의 직경을 늘일 수 있는 혈관의 능력에 있다. 힘의 제 4법칙은 혈관에서 혈액의 흐름은 직경의 네 번째 힘에 비례하여 증가하거나 감소한다고 기술하고 있다. 이것은 혈관 직경의 작은 변화가 혈류의 큰 변화를 유발할 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 심장 박출량이 증가했다고 가정할 때, 주변 조직의 혈류가 크게 증가하는 결과를 초래할 수 있다. 동맥 혈관벽은 증가된 혈액 부피를 감당하기 위하여 확장된다. 혈관 내강 직경이 커지면, 혈류가 증가하고 동맥의 혈압을 유지할 수 있다. 동맥 혈관 내강의 크기를 늘있다 혹은 줄였다 할 수 있는 동맥의 능력은 우리가 동맥경화를 논의할 때 더욱 명확해 질 것이다.