13강. 순환계(circulatory system)
추천글 : 【생물학】 생물학 목차
1. 순환계 [본문]
2. 혈액 [본문]
3. 심장 [본문]
4. 혈관계 [본문]
5. 혈류량 조절 [본문]
6. 지혈 [본문]
7. 심혈관계 질환 [본문]
8. 심혈관계 진단 [본문]
a. 혈압계와 고혈압
b. 심장의 전기축
1. 순환계 [목차]
⑴ 순환계의 종류
① 개방순환계(open circulatory system)
○ 대상 : 절지동물 및 연체동물
○ 단순성 : 모세혈관이 없어 혈액(hemolymph)과 조직액(interstitial fluid) 간 구분 없음
○ 절약성 : 유압이 낮아 에너지 절약, 모세혈관망을 형성할 필요가 없어 순환계 형성 및 유지 용이
② 폐쇄순환계(closed circulatory system)
○ 대상 : 환형동물, 두족류, 척추동물 등 몸이 크거나 운동성이 높은 생물
○ 복잡성 : 모세혈관이 존재하여 혈액(blood)과 조직액이 구분됨
○ 효율성 : 유압이 높아 산소나 영양분 효율적 전달, 혈액 내 거대분자로 삼투압을 형성하여 적정혈압 형성
⑵ 척추동물의 순환계(cardiovascular system) : 폐쇄순환계
① 대사 속도가 빠른 동물은 그렇지 않은 동물에 비해 보다 복잡한 혈관과 강력한 심장을 지님
② 개체 내 혈관의 복잡성과 분포 정도도 각 기관의 대사량에 비례
③ 어류(1심방 1심실) : 단일순환
○ 체순환계·폐순환계 구분이 없어서 심장으로 혈액이 돌아오기까지 두 번 모세혈관망을 지나야 해서 혈류속도에 제한
○ 골격근의 운동을 통해 필요한 혈류속도 유지
○ 심장에는 정맥혈만 흐름
④ 양서류(2심방 1심실) : 이중순환
○ 체순환계·폐순환계 구분이 생겨 뇌, 근육 등에 많은 양의 혈액을 공급하나 정맥혈과 동맥혈이 섞여 효율↓
○ 부족한 산소를 보충하기 위해 피부순환계 발달
⑤ 파충류(2심방 불완전 2심실) : 이중순환
○ 정맥혈과 동맥혈이 섞이는 정도가 덜해 물질 교환의 효율성 증가
⑥ 조류, 포유류(2심방 완전 2심실) : 이중순환
○ 정맥혈, 동맥혈이 완전히 구분되어 물질교환이 효율적
○ 같은 크기의 외온 동물에 비해 약 10배의 에너지를 소모하는 내온동물에게 필요한 순환계
⑦ 인간의 순환계
○ 체순환 : 좌심실 → 대동맥 → 온몸(모세혈관) → 대정맥 → 우심방
○ 폐순환 : 우심실 → 폐동맥 → 폐(모세혈관) → 폐정맥 → 좌심방
Figure. 3. 인간의 순환계
2. 혈액 [목차]
⑴ 혈액 원심분리 : 혈액을 성분별로 분리
① 항응고제 첨가 시 원심분리 : 아래부터 적혈구, 연층, 혈장으로 분리
○ 연층(버피코트, buffy coat) : 백혈구 + 혈소판
○ 혈장(plasma) : 혈액의 액체 성분
② 항응고제 미첨가 시 원심분리 : 아래부터 혈병, 혈청으로 분리
○ 혈병(blood clot) : 응고한 혈액의 성분, 적혈구 + 백혈구 + 혈소판 + 혈액응고인자
○ 혈청 : 혈액 응고 후 남은 액체 성분, 혈장에서 피브리노겐과 기타 성분을 제거한 것
○ 세포성 요소가 혈장 내 피브리노겐에 의해 엉겨붙음
③ 적혈구 용적율(헤마토크릿, hematocrit) : 혈액 전체 부피에 대한 적혈구 부피의 비율
○ 정상 성인 남자 : 0.41 ~ 0.51
○ 정상 성인 여자 : 0.36 ~ 0.45
○ 남자가 여자보다 더 힘을 잘 사용하는 이유
○ 빈혈인 사람은 헤마토크릿이 작게 나옴
○ 점성도는 적혈구 용적율에 비례
⑵ 혈액의 조성
① 혈액 : 여성 체중의 7%, 남성 체중의 8%
② 혈액 = 혈장(55%) + 세포성 요소(45%)
○ 체중 70 kg인 사람의 혈액 양은 약 5 L
③ 혈장 = 물(92%) + 단백질(7%) + 기타(1%)
○ 물 : 다른 물질들을 운반하는 용매
○ Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HCO3- : 삼투균형, 막투과성 조절
○ HCO3-, H2PO4-, 알부민, Hb (보어효과) : pH 완충
○ 피브리노겐 : 혈액 응고 요소
○ 알부민 : 삼투균형, 지질의 수송에 관여. 혈장 단백질의 60%. 혈장 내 저장된 에너지원. 3.5 ~ 5 g/dl. 반감기 20일
○ 글로불린 : 알부민처럼 분자량이 커서 모세혈관을 빠져나갈 수 없어 혈관 내 삼투압을 높여 줌
○ 면역글로불린(항체), 인터페론 : 방어 기능, NK cell보다 더 빠르게 작용
○ 지질단백질 : 지방을 운반
○ 호르몬 결합 단백질 : 특히 지용성 호르몬 운반
○ 트랜스페린 : 철 운반 단백질
○ 영양소, 대사노폐물, 호흡기체(O2, CO2), 호르몬
④ 세포성 요소
⑶ 세포성 요소 : 적혈구(red blood cell)
① 구조 : 헤모글로빈으로 채워진 양면이 오목하고 유연한 원판형의 세포
○ 가운데 오목한 원반형 : 산소와 적혈구의 접촉 면적을 증가시켜 기체 교환 효율성 증가
○ 접히고 구겨지는 것이 가능해서 좁은 모세혈관을 통과하기 쉬운 구조
○ 헤모글로빈은 적혈구 한 개당 약 300만 개
○ 헤모글로빈 : 철이 포함되어 있어 혈액은 붉은색을 띰
Figure. 7. 헤모글로빈의 구조
② 기능
○ 헤모글로빈은 O2와 결합할 수 있는 능력이 있어 산소 운반 가능
○ 적혈구는 CO2의 운반에도 관여
③ 생성
○ 갈비뼈, 가슴뼈, 골반, 척추뼈 등에 있는 골수줄기세포(또는 골수모세포)에서 유래
○ 적아세포 : 적혈구의 선구세포
○ 태아 시기에는 간, 비장(지라), 골수에서 혈구 생성
○ 1 mm3 당 500만 ~ 600만 개
○ 인간 세포의 84%가 적혈구
○ 신장에서 분비하는 적혈구생성소(EPO, erythropoietin)가 적혈구 생산 조절
④ 성숙 : 적혈구 내 헤모글로빈 양이 30% 정도가 될 때 다른 세포소기관들이 파괴됨
○ 성숙 과정에서 미토콘드리아 제거 : 젖산발효를 통해 ATP를 생성하기 때문에 산소소모량 없음
○ 포도당만을 에너지원으로 사용
○ 포유류 : 무핵세포 (핵 제거), 핵이 없어서 많은 양의 헤모글로빈 함유 가능
○ 나머지 : 유핵세포
⑤ 파괴 장소 : 간, 지라
○ 적혈구의 수명 : 약 120일
○ 겸형적혈구 빈혈증인 경우 지라가 손상
○ 지라(비장) : 위의 뒤쪽에 있으며 백혈구의 생성과 노폐한 적혈구를 파괴하는 기능
○ 적혈구를 파괴한 결과 생성된 빌리루빈으로 담즙 형성
⑥ 진화론 : 사람과 차이나는 헤모글로빈 아미노산 수
○ 고릴라 (1), 붉은털원숭이 (8), 개 (15), 말 (25), 닭 (45), 개구리 (67), 칠성장어 (125)
⑷ 세포성 요소 : 백혈구 (white blood cell)
① 골수줄기세포에서 유래. 1mm3 당 5,000 ~ 10,000개
② 수명 : 100 ~ 200일
③ 특징
○ 적혈구와는 달리 세포사이액이나 림프액에도 존재
○ 핵이 존재하여 핵형 분석에 이용
○ 모양은 일정하지 않으며 아메바 운동
○ 유주(swarming) : 조직 내를 자유롭게 이동하는 것
④ 생성 : 내피세포, 골수섬유세포, 백혈구가 생성하는 집락자극인자에 의해 생성
○ 집락자극인자(CSF, colony stimulating factor)
⑤ 과립구 : 식세포작용·고름 형성. 알레르기 반응. 염증반응
○ 주된 특징 : 다형핵(polymorphonucleus), 과립이 많아 밀도가 높음
○ 과립구를 염색하는 염료에 따라 호중구, 호산구, 호염기구 분류
○ 호중성 백혈구(neutrophils)
○ 기능 : 항체 피복된 병원체 식균작용
○ 분포 : 전체 백혈구 중 60 ~ 65 % 차지. 12 ~ 14 ㎛
○ 과립 형태 : 3개의 덩어리 형성
○ 호산성 백혈구(eosinophils)
○ 기능 : 항체 피복된 기생충 치사, 알레르기 과민 반응 관여
○ 분포 : 전체 백혈구 중 1 % 차지
○ 형태 : 2개의 덩어리 형성. 비교적 과립이 큼. 12 ~ 17 ㎛
○ 에오신에 의해 적색으로 염색
○ 호염기성 백혈구(basophils)
○ 기능 : 히스타민·헤파린 방출, T 림프구 발달 촉진
○ 분포 : 전체 백혈구 중 0.2 % 차지
○ 형태 : 과립이 분산된 형태. 과립이 큼. 14 ~ 16 ㎛
○ 메틸렌 블루에 의해 짙은 보라색으로 염색
⑥ 비만세포(mast cells) : 손상되거나 항원 결합으로 히스타민, 류코트리엔 등 방출
○ 조직세포에서 활동하는 호염기성 백혈구 지칭
○ 비만세포는 비만과 관련이 적음을 유의
⑦ 단핵구(monocytes) : 식세포작용. 전체 백혈구 중 4 % 차지. ~ 20 ㎛
○ 골수에 위치한 조혈모세포로부터 단핵구가 유래됨
○ 종류 1. 거식세포
○ 종류 2. 이물거대세포(foreign body giant cell)
○ 단핵구는 대식세포와 수지상세포로 분화됨
⑧ 대식세포(macrophages)
○ 미생물 포식 및 소화, 항원 표출, T 림프구 활성화
○ 뇌의 미세아교세포(microglia)도 일종의 대식세포
○ 분류 1. 기능에 따른 분류
○ 1-1. M1 대식세포 (classically activated or inflammatory macrophage)
○ 염증성 세포(pro-inflammatory cell) : 세포 사멸에 관여. anti-tumoral
○ 연장인자(elongation facotr) : 장축과 단축의 비가 1 근처
○ M1 타입을 유도하는 사이토카인 : TLR, TNF-α, IFN-γ, CSF2, LPS, STAT1, IRF5, IL-17A
○ M1 타입이 분비하는 사이토카인 : IL-6, IL-8, IL-23p40, TNF-α, IL-1β, IL-12p70, IL-12p40, IFN-γ
○ M1 타입의 유전자 마커 : HLA-DR, CD11c, CD86, iNOS, pSTAT1, IL-12, MHC-II, CD80, 27E10, CCL2, S100A8, S100A9
○ 1-2. M2 대식세포 (alternatively activated or anti-inflammatory)
○ 항염증성 세포(anti-inflammatory cell) : 세포 치료에 관여. pro-tumoral
○ 연장인자(elongation factor) : 장축과 단축의 비가 큼
○ M2 타입을 유도하는 사이토카인 : IL-4, IL-10, IL-13, TGF-β, PGE2, STAT3, STAT6, IRF4
○ M2 타입이 분비하는 사이토카인 : IL-10
○ M2 타입의 유전자 마커 : CD68, CD163, CD204, CD206, VEGF, cMAF, ARG1, YM1, CCL20, CCL22, 1IDO1
○ TAM(tumor associated macrophage)의 대부분은 M2 macrophage
○ 분류 2. 조직에 따른 분류
○ 쿠퍼 성상세포(Kupffer cell)
○ 간 모세혈관 안에 있는 대식세포
○ 내재적 면역인 RES(reticuloendothelial system)와 관련
○ 혈관 내에 위치한 대식세포는 쿠퍼 세포가 유일함
○ splenocyte : 지라(spleen)에 위치
○ BMDM(bone-marrow-derived macrophage) : 뼈에 위치
○ dust cell : 폐에 위치
○ microglial cell : 뇌에 위치
○ TAM(tumor-associated macrophage)
| M1-like TAM |
M2-like TAM |
||
| immune activation (Th1 and NK) | TNF-α, NO, IL-23, IFN-γ, MHC class II, IL-1β, CXCL10 | angiogenesis | VEGF, FGF, CXCL8, Tie2, hypoxia |
| phagocytosis of tumor cells | EMT(epithelial mesenchymal transition) | TGF-β | |
| apoptosis of tumor cells | TNF-α, FasL | immune suppression (Treg or Th2) | PD-1, PD-L1, IL-10, TGF-β, IDO 1/2, arginase |
| tissue damage | ROS, iNOS | tissue remodeling metastasis | MMPs, uPAR, cathepsins |
| maturation of APC | IL-12 | tumoral growth factors | EGF, FGF, TGF-β, PDGF |
Table. 1. M1-like TAM과 M2-like TAM
⑨ 수지상세포(dendritic cells) : T 림프구에 항원 표출
⑩ 림프구(lymphocytes) : B 림프구, T 림프구, 자연살상세포. 전체 백혈구 중 20-35% 차지. 6 ~ 9 ㎛
○ 림프구는 혈관으로 이동하지 못하고 림프관 내에서만 활동
○ 다른 백혈구에 비해 핵의 비율이 높음
⑸ 세포성 요소 : 혈소판(platelet)
① 골수의 특수한 세포(골수 거핵세포)의 세포질 일부가 불거져 떨어진 조각
○ 특징 : 무핵, 혈액응고 관여
○ 모양이 일정하지 않으며 적혈구·백혈구에 비해 매우 작음
② 생성
○ 1 mm3 당 250,000 ~ 400,000개
○ 간에서 생성되는 TPO(thrombopoietin)에 의해 생성
③ 수명 : 9 ~ 12일
④ 기능 : 혈액응고
⑤ 항혈소판제(anti-platelet agent)
○ 아스피린
○ P2Y12 억제제 : clopidogrel, prasugrel, ticagrelor 등
○ tirofiban : glycoprotein Ⅱb / Ⅲa receptor inhibitor
○ HBA(hydroxybenzy alcohol) : anti-inflammatory & anti-platelet activity
3. 심장 [목차]
⑴ 심장의 구조
Figure. 9. 심장의 구조
① 흉골 밑에 위치하며, 주먹 크기 정도로 대부분 심장근으로 구성
② 혈액을 받아들이는 곳인 심방과 혈액을 내보내는 곳인 심실로 구성되며, 인간의 경우 2심방 2심실
③ 심실은 심방보다 더 두꺼운 근육층을 가지며 더 강력한 수축력을 가짐
○ 특히 좌심실은 훨씬 강한 힘으로 수축하여 체내 각 기관으로 혈액을 보냄
○ 좌심실이 우심실보다 더욱 강력하게 수축하지만 한 번 수축할 때 내보내는 혈액의 양이 동일하다는 게 특징
④ 판막 : 심장에 4개의 판막이 존재하여 혈액이 역류하는 것을 방지
Figure. 10. 판막의 구조
○ 방실판막 : 심방과 심실 사이, 삼첨판·이첨판
○ 반월판막 : 심실과 동맥 사이
○ 판막에 이상시 불완전한 판막을 통해 혈액이 분출되어 나오면서 비정상적 소리(심장잡음) 발생
⑵ 심장 근육
① 특징
○ 모세혈관과 미토콘드리아 고밀도 (유기호흡성)
○ 미오글로빈 함량이 많아서 적색
○ 영양원 : 지방산 ≫ 포도당, 젖산 (∴ 오직 유기호흡만 가능)
○ 관상동맥 : 심장 근육에 혈액 공급, 심장 근육에 혈액 공급 부족 시 심장정지, 심장마비, 심근경색 야기
② 자율박동세포의 박동원 전위
○ 자율박동세포 : 동방결절(우심방 위치), 방실결절(우심방 위치), 푸르키녜 섬유
○ 동방결절 : 외부 전기적 신호 없이 박동전위 생성
○ 방실결절, 푸르키녜 섬유 : 외부 전기적 신호를 받으면 전위 증폭
○ 동방결절은 교감신경의 영향으로 이완기 기간 감소, 박동수 증가
○ 동방결절은 부교감신경의 영향으로 이완기 기간 증가, 박동수 감소
○ 동방결절에 작용하는 자율신경은 미주신경(vagus n.)의 일종
○ 심실근은 오직 교감신경의 영향만 받으며 1회 심박출량이 조절
④ 심실근의 수축 메커니즘
⑶ 심장주기(cardiac cycle) : 심장이 혈액을 내보내고 받아들이는 주기
① 맥박 : 심장주기에 따른 혈관의 변화
② 수축기 : 혈액의 흐름이 심실 → 동맥
③ 이완기 : 혈액의 흐름이 심방 → 심실
④ 심방, 심실이완 : 정맥 → 심방 → 심실, 이첨판과 삼첨판 열림, 반월판 닫힘(0.4초)
⑤ 심방수축, 심실이완 : 심방의 혈액 → 심실, 이첨판과 삼첨판 열림, 반월판 닫힘 상태(0.1초)
⑥ 심실수축, 심방이완 : 정맥혈 → 심방, 심실은 혈액 방출, 이첨판과 삼첨판 닫힘, 반월판 열림(0.3초)
⑦ 심방과 심실이 동시에 수축하지 않도록 지연된 시간(0.1초)은 방실지연에서 기인
⑧ 심장정지
○ 동조실패, 세동, 부정맥으로 심장정지
○ 전기 충격에 의한 동기화 (재세동)
⑷ 심전도(ECG, electrocardiography)
① 개요
○ 심장박동을 전기적 신호로 나타낸 것, 전극을 심장에 직접 붙이는 게 아님
○ 파와 분절로 구분
○ 파 : 기본선보다 위로 올라갔다가 아래로 내려간 경우
○ 분절 : 두 파 사이의 기준선
② P파 : 동방결절의 탈분극
○ 동방결절(SA node, sinoatrial node) : 자발적으로 활동전위를 발생하는 조직
○ 동방결절의 신호로 심방 탈분극 → 심방 수축 유발
○ 판막 초기상태 : 방실판막 open, 반월판막 closed
○ 심방의 심장근끼리는 모두 간극연접으로 연결돼 동방결절의 전기신호가 순식간에 심방 전체로 이동
③ P-Q 간격 : 방실지연
○ 방실지연 : 활동전위가 방실결절에서 약 0.1초 지연되는 것, 심방 혈류가 심실로 유입되는 시간을 벎
○ 방실결절(Av node, atripventricular node)
○ 심방과 심실의 간극연접통로
○ 동방결절의 신호를 받은 뒤 세동을 일으키는 이소박동원. 동방결절과 동기화
④ Q 점 : 히스색에 활동전위 도달
⑤ QRS파 : 히스색, 푸르키녜 섬유의 탈분극, 즉 심실의 탈분극
○ 히스색, 푸르키녜 섬유 또한 이소박동원에 해당
○ 푸르키녜 섬유의 탈분극 → 심실 탈분극 → 심실 수축 유발
○ 심실 수축이 유발되므로 동시에 심방 재분극 → 심방 이완 유발
○ 판막 상태 : 심실에서 심방으로 혈액이 흐르는 것을 막기 위해 방실판막 closed, 반월판막 closed
○ 1심음 발생 : 방실판막이 닫히면서 심음 발생
⑥ QRS-T 간격 : 심실이 정말로 수축하는 단계
○ 판막 상태 : 방실판막 closed, 반월판막 open
○ 심실이 수축한 뒤 반월판막이 열리고 혈액이 동맥으로 이동
○ 심실 내 압력이 증가했다가 줄어드는 단계
⑦ T파 : 심실 재분극, ST segment도 약간 포함
○ 심실 재분극 → 심실 이완 유발
○ 판막 상태 : 동맥에서 심실로 혈액이 흐르는 것을 막기 위해 방실판막 closed, 반월판막 closed
○ 2심음 발생 : 반월판막이 닫히면서 심음 발생
⑧ U파
○ T파 이후의 작은 파동
○ 탈분극 이후의 소낭들에 의한 완화 신호(relaxation signal)로 추정
⑨ 판막 상태 정리
○ Lub Dub (≒ 두근두근) : 심장 내 판막이 닫히는 소리
○ Lub(Q 시점) : 방실판막 closing. 반월판막 closed
○ S 시점 : 방실판막 closed. 반월판막 opening
○ Dub(T 직전 시점) : 방실판막 closed. 반월판막 closing
○ T 직후 시점 : 방실판막 opening. 반월판막 closed
⑩ 심장의 전기축
⑸ 프랭크-스탈링 곡선(Frank-Starling curve) : 심실 압력-용적 곡선
① 등용적성 수축기(isovolumetric contraction)
② 심박출기(ventricular ejection)
③ 등용적성 이완기(isovolumetric relaxation)
④ 심실 충만기(ventricular filling)
⑤ 심장 주기 : 등용적 수축 → 방출 (0.3 s) → 등용적 이완 → 0.4 s → 0.1s
○ 등용적 수축의 이유 : 대동맥 혈압이 높으므로
○ 등용적 이완의 이유 : 심방 혈액을 받기 위함
⑹ 태아의 심장
① 태반에서 가스 및 물질교환을 한 혈액이 하대정맥을 통해 우심방으로 들어감 (체순환 93%, 폐순환 7%)
② 난원공 : 태아 시기에는 열려 있는 좌심방과 우심방 사이의 통로
○ 폐동맥으로 갈 혈액이 60% 정도 대동맥으로 이동
○ 출생 시 좌심방 수축이 우심방 수축보다 세어 난원공의 뚜껑을 밀면서 난원공을 막음
○ 난원공 폐쇄 부진(심방중격결손증) : 난원공이 덜 닫혀 폐순환과 체순환 섞임, 운동 능력 감소 (선천성)
③ 동맥관(보탈로관) : 태아의 폐동맥의 혈액이 대동맥의 혈액으로 이동
○ 동맥관 폐쇄 부진(동맥관개존증) (선천성)
4. 혈관계 [목차]
⑴ 혈관
① 동맥 : 3개의 층(내막, 중막, 외막)으로 구성, 많은 탄력 섬유와 근섬유(평활근), 대동맥(11% 혈액 보유)
○ 탄성조직의 비율이 정맥에 비해 상대적으로 높음 → 탄력성↑
○ 두꺼운 혈관벽을 지녀 높은 혈압을 견딜 수 있음
○ 동맥벽의 탄력에 의해 동맥이 원래 상태로 돌아오면서 심장이 이완되는 시기에 높은 혈압을 유지할 수 있음
○ 대동맥은 수축과 이완을 스스로 조절
○ 소동맥은 자율신경에 의해 수축과 이완을 조절받음
② 정맥 : 3개의 층(내막, 중막, 외막)으로 구성, 판막·근섬유(평활근) 존재, 대정맥과 소정맥(61% 혈액 보유)
○ 동맥보다 더 많으며 지름도 커서 순환계의 절반 이상의 혈액 보유
○ 혈관 중 반경이 가장 크기 때문에 혈류저항이 가장 작음
○ 동맥보다 벽이 얇고 덜 탄력적이며 혈압이 낮아 역류를 막기 위해 판막 존재
○ 평활근과 함께 인접한 골격근의 조절 작용이 존재
③ 모세혈관
○ 모세혈관 벽은 한 층의 아주 얇은 상피세포로 구성. 평활근 없음
○ 모세혈관 소공(개창술) : 내피세포로 된 튜브에 있는 소공. BBB의 엄격한 통제가 있는 뇌에는 없음
○ 기저층 : 내피세포로 주변, 투과가 쉽게 이루어짐 → 물질교환
○ 소수성 물질, 크기가 작은 친수성 물질 : 내피세포막을 단순 확산. 이산화탄소, 물, 포도당, 아미노산 등
○ 크기가 큰 친수성 물질 : 세포관통이동(transcytosis)을 통해 통과. 간과 소장은 내피세포 간격이 커 단백질도 통과
○ 모세혈관으로부터 100 ㎛ 밖에 있는 세포는 사멸함
○ 폐포 모세혈관 직경은 대략 8 ㎛ 정도
④ 혈압, 총 단면적, 혈류 속도
Figure. 15. 혈압, 총 단면적, 혈류속도
○ 혈압 : 동맥 > 모세혈관 > 정맥
○ 총 단면적 : 모세혈관 > 정맥 > 동맥
○ 혈류속도 : 동맥 > 정맥 > 모세혈관 (∵ 연속방정식)
○ 동맬 혈류속도 : 10 cm/s
○ 모세혈관 혈류속도 : 0.05 cm/s
⑵ 혈압(blood pressure)
Figure. 16. 혈압
① 심실 수축압 (최고) : 1회 심박동량, 방출속도
○ 대동맥의 신전도(탄성율, distensibility)가 감소하면 심실 수축압 증가
○ 1회 박출량이 증가하면 심실 수축압 증가
② 심실 이완압 (최저) : 말초 순환 저항, 다음 수축기까지의 시간
○ 대동맥의 신전도가 감소하면 심실 이완압 감소
○ 1회 박출량은 심실 이완압에 영향을 주지 않음
③ 맥압(= 수축기 혈압 - 이완기 혈압) ← 1회 박출량, 대동맥의 탄성율
④ 심박출량 : 심실에서 1분동안 박출하는 혈액의 양, 심실의 부피 변화량 × 1분 동안의 박동수로 구함
⑤ 혈압 120/80(mmHg)은 기존 대기압에 더하여 발휘되는 압력
⑥ 혈압의 측정
Figure. 17. 혈압의 측정 그래프
⑦ 심장주기에 따른 혈압의 변화 (CV physiology)
⑧ 혈압 = 전부하 × 후부하
○ 전부하 : 혈액양에 비례, 장기적 조절, 신장에서 조절
○ 후부하 : 모세혈관 관류 저항 등에 비례, 단기적 조절, 소동맥 수축·이완을 통한 조절
○ 혈관 저항
○ 몸의 말단부 혈압은 중력을 거슬러야 하므로 심장의 압력보다 크며, 골격근이 관여
○ Figure. 15.은 주요 혈관만을 표시한 것이기 때문에 위 사실이 확인되지 않음
⑶ 모세혈관의 벽을 통한 물질 운반
① 모세혈관은 한 층의 세포층으로 되어 있고 단면적이 가장 넓어 물질교환에 유리
② 물질 교환 방법
○ 단순확산 또는 촉진확산 : 산소, 이산화탄소, 작은 분자들, 약간의 이온물질
○ 트랜스사이토시스(transcytosis) : 큰 분자(혈구, 단백질 등) 이동 시
○ 모세혈관 소공을 통한 이동
○ 능동수송
○ 삼투압
③ 물질 교환의 원동력
○ 혈압
○ 혈액 삼투압 : 모세혈관 내에 남아 있는 큰 분자에 의해 형성
⑷ 정맥을 통한 심장으로의 혈액 흐름 기작
① 정맥의 혈액 흐름의 방해요인
○ 정맥은 혈압이 낮으므로 외부 조건에 따라 정맥 내 압력이 역전될 수 있음
○ 예. 중력 : 동맥이나 정맥을 통해 아래에서 위로 흘러가는 혈액의 흐름 방해
② 정맥의 혈액 흐름 기작 : 심장으로의 혈액 흐름을 도와줌
○ 판막 : 정맥 내 혈류가 역전되는 것을 방지 → 근육 수축 및 이완 시 혈류 역전 방지
○ 정맥을 둘러싼 평활근의 주기적인 수축
Figure. 20. 정맥의 혈액 흐름 기작
○ 근육이 수축하면 혈액이 심장쪽으로 움직임
○ 근육이 이완할 때 판막이 닫히면서 혈액의 역류를 막아줌
○ 운동 시 수축하는 골격근
○ 예 : 장거리 여행 시 정맥에 형성된 혈전을 제거하는 효과를 나타냄
○ 흉강의 압력변화(음압)는 심장 주변의 대정맥을 팽창
○ 정맥 저류 ↑ → 모세혈관 ↑ → 여과 ↑ → 조직세포 ↑
③ 정맥의 판막에 이상이 생기면 정맥류 발생 : 혈액 정체, 하중 증가, 폐혈 위험성
⑸ 혈액과 조직액의 교환
① 조직액과 림프액
○ 조직액
○ 모세혈관에서 빠져나온 혈장 성분과 백혈구, 적혈구와 혈소판은 없음
○ 세포들에게 필요한 영양소와 여러 물질을 공급하기 위해 모세혈관에서 조직액이 분비
○ 기능 : 세포와 물질교환, 면역기능
○ 조직액의 복귀 : 약 85%의 조직액은 모세혈관으로 이동. 약 15%의 조직액은 림프관으로 이동
○ 림프액
○ 림프관으로 들어간 조직액
○ 혈구, 단백질 등이 없음
② 모세혈관을 통한 혈액과 조직액의 교환
○ 정수압 (모세혈관압, Pc) : 혈압이 액체를 밀어내는 힘으로 작용
○ 혈장 삼투압(πp) : 높은 삼투압은 조직액으로부터 물을 끌어들이는 힘으로 작용
○ 조직액 삼투압(PIF)
○ 조직액 삼투압(πIF)
○ 프랭크-스털링 법칙(Frank-Starling law) : 조직 누출액 = Kf(Pc - PIF) - σr(πp - πIF) ≒ (Pc - PIF) - (πp - πIF)
○ 동맥 끝 순 여과압력 = (Pc - PIF) - (πp - πIF) = (35 - 0) - (28 - 3) = 10 mmHg
○ 정맥 끝 순 여과압력 = (Pc - PIF) - (πp - πIF) = (15 - 0) - (28 - 3) = -10 mmHg
③ 림프계를 통한 액체성분의 복귀 : 림프 순환은 심박출량의 1/3000
○ 림프계의 형성 : 조직액으로 빠져나간 물의 양이 혈액으로 들어간 물의 양보다 많음
○ 기능
○ 림프절 : 조류, 포유류의 주된 림프관을 따라 존재, 다양한 면역세포 위치, 감염 시 부어오름
○ 지용성 양분의 흡수 : 림프계가 벽이 얇고 투과성이 높아 지용성 양분 이동 가능
○ 조직액 → 혈액으로의 회귀
○ 림프액 회수 : 모세림프관 → 가슴관 → 상대정맥 → 쇄골하정맥 → 심장
○ 역류방지기작
○ 림프관에는 정맥에서처럼 첨판(판막)이 있어 림프가 역류하지 않고 가슴관으로 들어감
○ 주위의 골격근 수축에 의해 림프관이 받는 압력으로 이동
○ 림프계에서 일어나는 현상
○ 림프절에 있는 림프구는 흉관을 통해 혈액으로 유입
○ 림프구는 모세혈관 벽을 빠져나와 조직 간극을 경유하여 림프계로 유입
○ 림프관은 작은 창자에서 혈관으로 영양물질이 이동하는 통로가 됨
○ 혈구세포는 림프계로 유입될 수 없음
④ 수종 : 회수 불균형 또는 림프관계 이상으로 조직액 증가
5. 혈류량 조절 [목차]
⑴ 개요
① 신경신호, 호르몬, 화학물질이 혈류 조절 신호가 됨
② 뇌는 항상 혈류가 일정해야 함
⑵ 전반적 조절 : 혈류량 조절
(점선은 지정 혈압 조정과 관련된 피드백 회로를 나타냄)
① 연수 : 자율신경 중추
○ 뇌척수액의 pH 감지 → 호흡 및 순환 조절
○ H+가 BBB를 통과하지 못하므로 CO2의 단순확산 및 탄산이온 산염기반응을 통해 pH 변화를 감짐
② 동맥의 압력수용기
○ 대동맥궁(aortic arch), 경동맥궁(carotid sinuses), 연수에 신호를 전달
○ 경동맥궁이 대동맥궁보다 더 효율적인 압력수용기
③ 혈류량 조절 과정
○ 1st. 혈압 증가 → 동맥의 압력수용기가 연수에 작용
○ 2nd. 연수는 부교감신경에 직접 작용하여 부교감신경 촉진
○ 부교감신경 말단 : 아세틸콜린 방출, 박동 지연
○ 3rd. 연수는 척수의 억제성 사이뉴런에 작용하여 교감신경 억제
○ 교감신경 말단 : 에피네프린 방출, 박동 촉진
○ 강심제 : 에피네프린
○ 4th. 부교감신경 ↑, 교감신경 ↓ : 소동맥 이완, 박동원 박동 지연, 심박출량 감소
④ 예 1. 우주인
○ 실제로는 물의 양이 적으나 전신에 물의 양이 많다고 착각 → 소변 방출량 증가
○ 회복 기작 : 교감신경 ↑ → 말초 혈액 진행 예방 → 물 보존
⑤ 예 2. 기립성 저혈압
○ 중력으로 인해 정맥환류 ↓ → 뇌혈류 ↓ → 빈혈증세
○ 회복기작 : 교감신경 ↑ → 말초 혈액 진행 예방 → 물 보존
⑶ 국부적 조절 : 소동맥 평활근의 수축 및 이완
① 소동맥 평활근은 자율신경계의 조절을 받음
② 일반론 : 교감신경계가 작용하면 내장기관을 향하는 세동맥은 수축하고, 골격으로 향하는 세동맥은 이완
③ 일시적 충혈 : 산소 분압이 낮고, 이산화탄소 분압이 높은 조직 인근 세동맥은 이완하여 혈류증가
④ 활동성 충혈 : 국부적 활동(예 : 운동)에 따른 대사의 변화에 비례하여 혈류 공급
⑤ 반응성 충혈 : 혈류 감소에 대한 반응으로 혈류 공급
○ 엔도텔린(endothelin) : 혈관수축인자
⑷ 국부적 조절 : 모세혈관의 미세혈류 조절
① 전모세혈관 괄약근 또는 내초세포의 수축 및 이완
○ 세동맥의 이완은 전부하 증가 → 모세혈관 혈압 증가
Figure. 24. 모세혈관의 미세혈류 조절 메커니즘
② 정량적 설명 : 혈류저항 R은 관의 반지름 r의 네제곱에 반비례함
③ 특정 모세혈관의 반지름을 조금만 조절해도 그 혈관과 더불어 다른 모세혈관으로 흐르는 혈류량을 쉽게 조절할 수 있음
⑸ 국부적 조절 : 히스타민
① 염증반응 시 모세혈관 확장
② 혈관투과성 증진
③ 상처부위로 혈류흐름 증가 (보체단백질 유입↑)
6. 지혈 : 혈액 손실 방지 [목차]
⑴ 외인성 응고 : 혈관 밖에서의 응고. 일반적인 응고 과정
① 1st. 내피세포 표면의 변화 : 내피세포 표면의 콜라겐이 노출
② 2nd. 1차 지혈
○ 2nd - 1st. 혈소판이 결합조직의 콜라겐에 흡착되어 물리적으로 차단
○ 2nd - 2nd. 결합한 혈소판들이 인근 혈소판들을 더 잘 붙게 만드는 물질 분비
③ 3rd. 2차 지혈 : 피브린 응결체를 형성하면서 혈액 내 혈구를 엉겨붙게 만듦. 혈소판 마개 형성
○ 3rd - 1st. 혈소판, 손상 세포, 혈장의 응고인자의 다단계 효소반응으로 피브린 형성
○ 3rd - 1st - 1st. 손상된 조직세포에서 트롬보키나아제 등의 응고인자 분비
○ 3rd - 1st - 2nd. 혈액응고인자는 Ca2+에 의해 활성화됨
○ 3rd - 1st - 3rd. 활성화된 혈액응고인자는 Ca2+과 함께 프로트롬빈을 트롬빈으로 활성화
○ 3rd - 1st - 4th. 트롬빈은 피브리노겐(졸(sol) 상태)을 피브린(겔(gel) 상태)으로 활성화
○ 혈액 응고에서 트롬빈을 비롯한 혈장 단백질은 단백질 분해효소
○ 3rd - 2nd. 피브린이 엉겨 붙으면서 피브린 응결체(혈병)가 형성, 혈소판 마개를 만들어 상처부위를 봉합
④ 4th. 혈관 수축 : 응집하는 혈소판은 트롬복산 A2를 합성하고 화학 매개물질을 방출하면서 평활근 수축
○ 4th - 1st. 아라키돈산 → 프로스타글란딘 : cyclooxygenase가 관여
○ 4th - 2nd. 프로스타글란딘 → 트롬복산 : thromboxane synthetase가 관여
⑤ 5th. 상처 봉합
○ 5th - 1st. 혈소판에서 PDGF 분비
○ 5th - 2nd. 상피세포의 PDGF 수용체가 티로신 인산화효소 활성을 보임
○ 5th - 3rd. 섬유아세포(fibroblast)의 콜라겐 섬유 증가 → 상처 봉합
⑵ 내인성 응고 : 혈관 내에서의 응고
① 헤이그먼 인자가 관여
② 일반적으로 혈액 응고라고 하면 내인성 응고가 아닌 외인성 응고를 지칭
⑶ 혈액 응고의 조절
① 비타민 K : 혈액 응고에 필수적, 다른 비타민은 혈액 응고와 사실상 무관
② 프로스타사이클린(PGI2), 산화질소(NO) : 혈소판 응집을 억제
○ 내피세포에서 생성
○ 손상 부위가 아닌 곳에서 혈소판 마개가 형성되는 것을 방지
③ 아스피린(aspirin)
○ 트롬복산 합성에 관여하는 cyclooxygenase를 억제하여 항응고 작용
○ 순작용 : 해열진통, 심장발작 예방, 혈전용해제
○ 부작용 : 위궤양 (점막 형성 관련), 수술 중 지혈이 안 돼 사망하는 경우, 위장 출혈, 뇌출혈
④ 헤파린, 히루딘 : 단백질 분해효소의 활성화를 억제하여 항응고 작용
○ 헤파린(heparin) : 비만세포가 합성. 카르복시기의 대부분이 음전하. 간에 존재
○ 1st. 헤파린과 항트롬빈(anti-thrombin Ⅲ)이 결합
○ 2nd. 항트롬빈의 3차원적 구조가 변함
○ 3rd. 헤파린과 항트롬빈 결합체는 트롬빈과 비가역적으로 결합
○ 4th. 항트롬빈이 트롬빈과 결합 시 헤파린의 결합능력이 떨어져 이탈됨
○ 5th. 헤파린은 재활용되어 또다른 항트롬빈과 결합
○ 종류 : unfractionated heparin, enoxaparin, daltaparin, tinzaparin
○ 히루딘(hirudin) : 거머리가 가지고 있는 혈액 응고 물질로 섭취한 혈액이 응고하는 것을 방지하기 위해 분비
⑤ 와파린(warfarin) : 비타민 K의 경쟁적 억제자, 프로트롬빈 형성을 억제하여 항응고 작용
⑥ EDTA, 시트르산나트륨, 옥살산나트륨 : 칼슘을 제거하여 항응고 작용
⑦ 플라스민 : 혈병 제거
⑧ Xa 억제제
○ fondaparinux
○ rivaroxiban
○ apixaban
⑨ 트롬빈의 직접접 억제제
○ dalbigatran
○ bivalirudin
○ argatroban
⑷ 혈액형과 혈액 응집반응
① ABO 혈액형
○ A형 표준혈청(anti-B) : 항원 A와 응집소 β가 존재
○ A형은 대장균이 만드는 항원 중 항원 B와 유사한 물질을 외래 물질로 인식하여 응집소 β를 생성함
○ B형 표준혈청(anti-A) : 항원 B와 응집소 α가 존재
○ B형은 대장균이 만드는 항원 중 항원 A와 유사한 물질을 외래 물질로 인식하여 응집소 α를 생성함
○ 표준혈청과의 반응
○ 항원 A와 응집소 α, 항원 B와 응집소 β 간 응집반응을 함
○ A형 혈액 : 항원 A와 극소량의 응집소 β를 가져 B형 표준혈청(anti-A)과 응집반응
○ B형 혈액 : 항원 B와 극소량의 응집소 α를 가져 A형 표준혈청(anti-B)과 응집반응
○ AB형 혈액 : 항원 A와 항원 B를 가지고 응집소는 없어 A형, B형 표준혈청과 응집반응
○ O형 혈액 : 항원은 없고 응집소 α와 응집소 β를 가져 응집반응 안 함
○ 수혈(transfusion)
○ A형은 A형, AB형에게만 수혈을 해줄 수 있음
○ B형은 B형, AB형에게만 수혈을 해줄 수 있음
○ AB형은 AB형에게만 수혈을 해줄 수 있음
○ O형은 AB형, A형, B형, O형에게 수혈을 해줄 수 있음
○ 예 1. O형의 피를 A형에게 수혈하는 경우
○ O형에 있는 항체는 극소량이므로 크게 문제되지 않음
○ A형 입장에서는 외부 항원이 없으므로 크게 문제되지 않음
○ 예 2. A형의 피를 O형에게 수혈하는 경우
○ A형에 있는 항체는 극소량이므로 크게 문제되지 않음
○ O형 입장에서는 외부 항원인 A가 들어왔으므로 α 항체를 많이 만들어 응집반응을 일으킴 → 사망
○ plastic blood : 혈액형에 따른 의존성이 없음
○ 혈액형의 항원의 구조 : 적혈구 표면에 푸코오스(fucose)를 부착한 뒤 표지하는 당에 따라 결정
② MNS 혈액형
③ 루터란 혈액형군(Lutheran blood groups)
7. 심혈관계 질환 [목차]
⑴ 동맥경화(arteriosclerosis)
① 정의 : 혈관 내에 기름이 끼어 동맥이 경화되는 경우
○ CAD(coronary artery disease) : 관상동맥질환
○ 심장마비(heart attack) : 관상동맥 막힘에 의해 유발, 심장근으로의 산소공급이 막히고 심장근 세포가 사멸
② 1st. LDL 등의 지질단백질이 동맥 내피에 엉겨 붙음
○ 경우 1. 혈관 내벽이 손상된 뒤 손상된 자리에 콜레스테롤 침착
○ 경우 2. 혈관 내부를 둘러싸며 콜레스테롤 침착 : 혈관의 탄성 감소
③ 2nd. 대식세포가 이를 먹고 지방질이 많은 거품세포(foam cell)로 변형
④ 3rd. 플라크(죽모양 무덤) 형성 : 세포외기질(콜라겐 등)이 분비되면 지질단백질 덩어리가 더 커짐
⑤ 4th. 플라크에 T림프구와 혈관벽의 평활근세포도 합류
⑥ 5th. 평활근세포의 일부가 섬유성 뚜껑을 형성하여 플라크를 혈액으로부터 분리
⑦ 6th. 플라크 안의 거품세포는 죽고 세포성 잔유물과 콜레스테롤 방출
○ 플라크가 터지면 동맥에서 혈전이 생김
○ 플라크가 터지지 않고 계속 커지면 동맥이 막히게 됨
○ 관상동맥이 막히는 경우 협십증 유발
⑧ 7th. 혈종 및 혈전 형성까지 40여 년 소요
⑨ 종류 1. 죽상동맥경화증유발(atherosclerosis) : CD40-CD40L이 관여
⑩ 종류 2. Gaucher’s disease
⑪ 종류 3. Niemenn-Pick disease
⑵ 원발성 고지혈증(primary hyperlipidemia) : 유전성 질환 중 하나
① 타입 Ⅰ: lipoprotein lipase deficiency
② 타입 Ⅱa : defective LDL receptor
③ 타입 Ⅱb : unknown cause
④ 타입 Ⅲ : abnormal apoplipoprotein E
⑤ 타입 Ⅳ : unknown cause
⑥ 타입 Ⅴ : deficiency of apoplipoprotein C
⑶ 뇌졸중(stroke)
① 정의 : 뇌혈관으로 혈액이 흐르지 못해 조직이 산소 부족으로 사멸하는 것
○ 허혈성 뇌졸중 : 머리의 동맥이 막히는 경우 → 하부 조직에 혈액 공급 차단
○ 출혈성 뇌졸중 : 머리의 동맥이 터지는 경우
○ 뇌졸중 환자를 3시간 이내에 치료하면 뇌졸중에서 오는 결과를 완전히 역전시킬 수 있음
② 혈전에 의해서도 발생
⑷ 고혈압(hypertension)
① 정의 : 수축압이 140 mmHg 이상, 이완압이 90 mmHg 이상인 증상
② 원인 : 심박출량의 증가, 말초 저항 상승
③ 특징 : 고혈압 환자들은 경동맥·대동맥 압력 수용기가 고혈압을 정상으로 인식하여 압강하 반사작용 미수행
⑸ 빈혈(anemia)
① 개요
○ 정의 : 적혈구가 산소운반을 원활히 수행하지 못하는 경우
○ 더 구체적으로는 혈액 중의 헤모글로빈 수치나 헤마토크리트 수치, 다시 말하면 적혈구 농도가 정상치보다 적은 경우
② 조혈 장애로 인한 빈혈 : 용혈성 빈혈 (예 : 겸형적혈구빈혈증) 등 적혈구 개수 부족. 수혈로 인해 적혈구 생산이 떨어지기도 함
③ 철 결핍성 빈혈
④ 악성 빈혈 (예 : 비타민 B12가 부족한 경우)
⑤ 재생불량성 빈혈 : 골수생성기능 손상으로 인한 빈혈. 약제로도 치료가 불가능하여 수혈이 필요
⑥ 신부전 빈혈 : 약제로도 치료가 불가능하여 수혈이 필요
⑹ 심근증(cardiomyopathy)
① 종류 1. DCM(dilated cardiomyopathy) : 좌심실 팽창, 좌심실 두께 일정
② 종류 2. HCM(hypertrophic cardiomyopathy) : 좌심실 두께 증가, sarcomere 유전자 돌연변이
⑺ 림프계 관련 질병
① CLL(chronic lymphocytic leukemia) : small lymphocyte가 특징
② FL(follicular lymphoma)
○ Grade I : between 0 and 5 centroblasts
○ Grade II : between 6 and 15 centroblasts
○ Grade III : more than 15 centroblasts
○ Grade III-A : centrocytes are present
○ Grade III-B : centroblasts form groupings
③ MCL(mantle cell lymphoma)
⑻ 브루가다 증후군 : 심장박동이 갑자기 멈추는 희귀병
8. 심혈관계 진단 [목차]
⑴ CAD 진단
① 침습적 방법
○ invasive coronary angiography : 전통적인 gold standard. resolution이 높음
○ FFR(fractional flow reserve) : distal coronary pressure ÷ proximal coronary pressure
○ IVUS(intravascular ultrasound) : 카테터 끝이 포음파를 발사
○ OCT(optical coherence tomography) : OCT가 IVUS보다 높은 해상도로 병변 탐지 가능. NIRS보다 고급
② 비침습적 방법 중 직접 관찰 방법
○ CAC(coronary calcium score)
○ EBCT(electron beam CT)
○ MDCT(multidetector CT)
○ magnetic resonance angiography
③ 비침습적 방법 중 기능적 영상 기법
○ myocardinal perfusion scintigraphy : SPECT와 PET을 이용
○ SE(stress echocardiography)
○ CMR(cardiac MRI)
○ CT angiography : i.v. injection을 한 뒤 재구성
⑵ 콜레스테롤 수치 조사 : LDL/HDL을 조사
⑶ 염증반응 조사 : 염증은 동맥경화, 혈전 형성에 결정적인 역할
① 치료 : 아스피린 → 심장마비, 뇌졸중 재발 방지
② CRP (C 반응 단백질) 양 조사 : 간에서 합성, 염증반응 시 혈중 함량 증가
⑷ 혈압 조사 : 고혈압의 경우 내벽 손상 → 플라크 형성 촉진
⑸ 심근 관류 약제(myocardinal perfusion agent)
| 201TI | 99mTc-MIBI | 15O-H2O | 13N-NH3 | 82Rb | |
| 1st-pass EF | 0.85 | 0.65 | 1.0 | 0.9 | 0.6 |
| linearity | good | fair | excellent | good | good |
| energy | 70 keV | 140 keV | 511 keV | 511 keV | 511 keV |
| uptake mechanism |
Na/K ATPase | mitochondria membrane |
free diffusion |
diffusion metabolism |
Na/K ATPase |
| half time | 74 hr | 6 hr | 2 min | 20 min | 1.2 min |
Table. 2. 심근 관류 약제
⑹ 확장 예비능(coronary flow reserve, CFR)
① 압력 변화에 맞게 혈관이 확장하여 혈류량을 일정하게 유지하려는 보상적 메커니즘
② 혈관의 확장 정도에 한계가 있기 때문에 혈류량이 일정하지 않고 감소하게 되는 압력이 존재함
③ 협심증이 있는 사람은 확장 예비능이 떨어짐
입력: 2015.07.18 00:07
수정: 2019.02.10 22:34
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