심혈관계의 운동 생리

모든 타입의 신체 활동은 에너지원으로 ATP (adenosine triphosphate)가 쓰여진다[6,7]. ATP 생산은 산소 사용 유무에 따라 에너지 기질을 생산하는데, 첫 번째는 산소를 이용하는 유산소성 경로(aerobic pathway)로 산화적 인산화 반응(oxidative phosphorylation)이며 두 번째는 무산소성 경로(anaerobic pathway)로 ATP-phosphocreatine, glycolytic system이다. 이런 무산소성 경로는 산소성 경로보다 상대적으로 비효율적이다[8-10]. 적절하지 않은 산소의 공급은 피루브산(pyruvic acid)을 젖산으로 변하게 한다. 신체 내 젖산의 축적은 세포성 대사 회로의 손상, 근육의 통증과 피로, 운동 능력의 감소를 야기한다[11]. 젖산의 축적을 제한하기 위해서 코리 회로(cori cycle)를 통하여 NaHCO₃로 sodium lactate와 H₂CO₃를 생산한다[12].

운동에 대한 에너지 대사에서 모든 기관이 기능하기 위해 ATP가 사용되며 산소의 사용 여부에 따라 산소성(aerobic) 또는 무산소성 경로(anaerobic metabolic pathway)로 나뉘어지며, 탄수화물과 지방이 먼저 사용된다. 산소는 에너지 생산을 최대화하기 위해 필요하며, 경도에서 중등도 강도의 운동에서 사용된다. 고강도 운동에서는 무산소성 경로가 일어나고 추가적인 에너지를 보충한다[8,13,14].

산소 소모, VO₂ (mL/min, mL/kg/min)는 모든 활동에서 소비되는 산소의 볼륨을 뜻한다[15]. 걷기에서 뛰기처럼 활동량의 강도가 증가하는 경우 산소 소모가 직선 모양으로 증가하게 된다. 이후 최대 평형 상태에서 산소 소모가 최대가 되면서 VO₂max에 도달하게 된다. 산소 소모가 더 이상 증가하지 않는 지점을 무산소 역치(anaerobic threshold)라고 하며 이 지점 이후로 활동량을 증가시키는 운동을 하는 경우 에너지 생산을 위해서 무산소성 대사가 쓰인다. 그러나 젖산의 축적으로 잠깐 동안의 운동만 추가적으로 가능하며 지속은 불가능하다[16-18].

1 MET (metabolic equivalent)는 안정 시의 에너지 소비량으로 3.5 mL/kg/min이다[19]. 다양한 일상 생활을 수행하는데 필요한 심폐기능을 MET를 이용해서 표현할 수 있다 [19,20]. VO₂max와 maxMET는 평소 운동하는 정도, 성별, 나이 등 다양한 인자의 영향을 받아 변화할 수 있다[21]. 연령에 의한 변화를 살펴 보면 1년마다 VO₂가 Kg 당 0.4-0.5 mL/min 씩 줄어들기 때문에 연령에 의해 10년마다 10% 정도 감소를 가져온다[22].

산소 소모량(VO₂)은 (1회 심박출량 x 심박수) × (동맥-정맥간 산소 분압 차이)로 표현되며[23,24], 공기로부터 에너지가 생성되는 곳으로의 산소 운반 시스템의 효율성이 VO₂max 값과 심폐 기능을 결정한다는 것을 알 수 있다[25,26]. 이런 관계를 이해함으로써 유산소 운동이 심폐 기능을 향상시키는 원리에 대한 설명이 가능해진다[27]. VO₂max에 영향을 주는 중심 인자, 즉, 심박출량(cardiac output)에 영향을 주는 요인은 심박수와 1회 심박출량(stroke volume)이다. 확장기말용적은 좌심방충만압과 순응도의 영향을 받으며 수축기말용적은 수축성과 후부하로 결정이 된다 [28]. 동-정맥 간 산소 농도 차이로 정의되는 말초 인자는 동맥의 산소 함량과 혼합 정맥 산소 함량에 의해 영향을 받으며 동맥의 산소 함량은 폐포 환기, 폐 확산 용량, 혈색소에 의해 결정되고, 혼합 정맥 산소 함량은 모세관 밀도, 지역 흐름에 의해 결정된다[29,30].

운동하는 동안 심혈관 조절 메커니즘(cardiovascular regulatory mechanism)이 작동하여 활성 조직에 혈액 공급을 증가시키고, 재분배한다[31]. 뇌 중추의 명령에 의해서 심혈관 조절센터와 근골격계의 화학수용체와 기계수용체에 영향을 주며 시상하부에서 온도 변화에 따라 순환의 변화가 일어나고 압력수용체(baroreceptor)로 인하여 운동하는 동안 혈압 조절점이 증가한다. 화학수용체에서는 PO₂, PCO₂, pH를 모니터링한다. 또한 근육 구심성에서는 격렬한 운동을 하는 동안 가장 활동적이면서 국소 혈관 확장을 최소화하는 형태로 조절한다[31]. 최대산소섭취량과 심박출량 사이의 관계를 보면 건강한 사람에서 최대산소섭취량이 1 L 증가하는 동안 심박출량은 5-6 L 증가한다. 심박출량이 5 L 기준점에서 35 L까지 증가한다[32]. 운동하는 동안 심박출량의 분배는 근육이 휴식 시 20%에서 85%로 변화하고, 뇌는 15%에서 4%로, 간, 신장도 1-2%로 줄어들게 된다. 이는 혈관 저항의 변화로 근육, 피부, 심장은 혈관 확장이, 소화 내부 장기와 신장은 혈관수축이 일어나기 때문이다[33,34].

저강도 운동에서 심박수는 미주신경의 저항으로 증가하게 된다[35]. 심박수는 운동 강도와 선형관계로 증가하면서 최대 심박수에 도달한다. 최대 심박수는 연령에 의해 제한되며 220-나이 ± 12로 계산되지만, 이 값을 심장 재활 시 사용하지는 않는다[36]. 운동하는 동안 심박수의 증가에는 중추의 명령이 중요한 역할을 한다. 심박수와 혈의 변화는 운동의 강도에 따라 결정되며 이는 정적 운동하는 동안 최대 수의적 수축하는 정도와 동적 운동하는 동안 최대산소소모량의 비율, 운동 시 사용하는 근육량에 영향을 받는다[37,38]. 운동 이후에는 같은 산소 소모에 대하여 심박수가 감소하며 이는 심장에서 확장기 충만 시간을 더 길게 한다[39].

1회 심박출량은 최대산소섭취량의 50–60%까지는 선형으로 증가하나 그 이후에는 심박수의 증가로 인하여 충만기가 짧아지면서 정점(plateau)를 이룬다. 1회 심박출량의 증가는 정맥 환류량의 증가, 말초 저항의 감소, 수축력 증가의 영향으로 증가하며 몸의 위치와 운동의 영향을 받는다[40].

운동을 하는 동안의 혈압 변화는 동맥압은 심박수와 1회 심박출량과 총말초저항에 의해서 결정된다. 또한 심혈관계에서 압력과 부피의 분배에 중력이 중요한 역할을 힌다. 운동이 시작되면 골격근의 작용이 정맥 환류량을 증진시키고 1회 심박출량이 증가한다. 최대심박출량은 최대산소소모량의 약 50 % 에서 도달하게 된다. 이처럼 수축기 혈압은 심장 수축력과 1회 심박출량에 의해서 증가하지만 이완기 혈압은 거의 변화가 없어 평균 혈압의 변화가 크지 않다[41].

운동의 장기적인 효과는, 유산소 훈련 이후 심혈관계의 1회 심박출량 증가, 안정기 심박수의 감소, 최대심박출량이 증가된다. 호흡계에서는 폐활량이 증가하고 기능성 폐포의 숫자가 증가한다. 에너지 시스템에서는 젖산에 대한 내성이 증가하게 된다. 저항성 훈련을 통해서는 근비대가 생기고 골밀도가 증가한다[6,42]. 운동을 수행하는 근육에 따라 심혈관계 반응에 영향을 준다. 상지 운동의 경우 근육 펌프작용이 하지보다 적게 일어나면서 stroke volume이 더 낮고 심박수는 교감신경 활성으로 더 높아진다. 최대산소섭취량(VO₂max)은 30% 가량 낮다[43].

총 산소 소비량과 심근 산소 소비량(myocardial oxygen uptake, MVO₂)은 다른 개념으로 구분이 중요하다. 이는 관상 동맥 질환 환자에서 활동의 제한은 총 산소 소비량에 의한 것이 아니라 심근 산소 소비량에 의한 것이며, 심근 산소 소비량의 결정 인자는 심박수, 심벽 긴장도와 수축력이다[44,45]. MVO₂는 심박수와 수축기 혈압의 곱으로 구할 수 있으며 이는 상지 운동, 수직 운동, 등척성 운동으로 증가한다. 심근 산소 요구량은 관상동맥의 확장으로 관상동맥 흐름이 4-7배까지 증가할 수 있으며 이로써 MVO₂가 증가한다[46]. MVO₂가 더 이상 증가하지 못하는 지점이 협심증 역치(angina threshold)이다. 허혈은 협심증보다 먼저 있을 수 있으며, 관상 동맥 질환이 없을 경우 VO₂max가 최대 MVO₂를 결정하지만 관상 동맥 질환이 있는 경우에는 좁아진 동맥이 운동시 확장되지 않아 심근 혈액 공급이 감소한다. 유산소 훈련으로 MVO₂는 휴식 시와 최대하 운동 강도에서 낮아진다. 이로써 같은 강도의 활동을 수행할 경우 MVO₂가 낮아지기 때문에 더 넓은 안전 한계(safety margin)을 제공한다[47,48].