일반생물학, 생물학의 기본 - 순환계

1.  심장의 구조

 사람의 심장은 좌우 심방과 좌우 심실의 4개의 방을 가지며 가슴뼈 뒤의 흉강에 위치한다. 심장은 두 겹의 막인 위심낭으로 덮여있다. 위심낭 내부는 위심낭액이라는 윤활제가 포함되어 있으며 심장박동 시 두 막 사이의 마찰을 감소시킨다. 근육은 두꺼운 근육층으로 구성된 4개의 방을 갖는다. 우심방은 체순환으로부터 혈액을 받아들이고, 좌심방은 폐순환으로부터 혈액을 받아들인다. 우심실은 폐순환으로 혈액을 보내고 좌심실은 체순환으로 혈액을 보낸다. 심실 벽은 심방 벽보다 두껍다. 심실 벽은 강력한 근육으로 바닥에서부터 쥐어짜는 운동을 통해 수축한다. 체순환을 시작하는 좌심실 벽의 두께가 폐순환과 관련된 우심실 벽보다 더 두껍다. 

 심방과 심실 사이에 있는 방실판막(atrioventricular valve)은 심실이 수축할 때 심방으로 혈액이 역류하는 것을 막아준다. 우측 방실판막은 3개의 엽을 가지므로 삼첨판이라 부르고 좌측 방실판막은 2개의 엽을 가져 이첨판이라 불린다. 심실과 심장에서 나오는 동맥에도 판막이 존재한다. 폐동맥판막(pulmonary valve)은 폐로 향하고, 대동맥 판막(aortic valve)은 대동맥으로 향한다. 이 두 판막은 엽이 반달과 같은 형태를 띠기 때문에 반월판(semi-lunar valve)이라 불린다.

 심장은 두 종류의 심근세포가 존재한다. 신경계의 자극 없이도 스스로 활동전위를 만들고 전도하도록 변형된 신경성 심근세포와 자율박동세포에서 유래된 활동전위에 의해 수축하는 세포인 수축성 심근세포가 존재한다. 동방결절, 방실결절, 히스색, 푸르키네 섬유로 이들을 박동원 세포(pacemaker cell)라고 한다. 심근세포는 간극연접으로 연결되어 있어 활동전위가 빠르게 이동하여 세포가 한 덩어리로 동시에 수축하도록 한다. 심근세포는 심방 또는 심실 내부의 혈액으로부터 산소와 영양분을 공급받는 것이 아니라 대동맥에서 뻗어 나온 관상동맥을 통해 산소와 영양분을 공급받는다. 

2.  심장의 전기적 활성

(1) 자율박동세포에서 활동전위 생성

 동방결절의 활동전위에서 시작한 심장주기는 방실결절, 히스색, 푸르키네 섬유를 거치면서 심장 전체가 수축하게 된다. 일반적으로 심장박동은 부교감 신경의 지배를 받으며 동방결절이 가장 빠르게 활동전위를 생성하므로 주요 박동원으로 작용한다. 만약 동방결절이 손상을 입게 되면 동방 결절 이후 빠른 방실결절이 박동원의 기능을 대신하고 심장은 새로운 박동원에 맞추어 박동한다. 

 세포막 전위가 자동으로 탈분극되며 박동원 전위가 역치 이상일 경우 활동전위를 생성한다. 박동원 세포는 과분극 상태에서 열리는 전압 의존성 Na+채널(funny channel)이 존재한다. 세포 내부로 Na+ 이 유입되면서 탈분극이 일어나고 이어서 Ca2+ 채널이 열리면서 Ca2+이 유입되면서 역치에 도달한다. 역치에 도달하면 전압 의존성 Ca2+채널이 열리고 Ca2+이 급격히 유입되면서 탈분극이 일어난다. 이후 전압 의존성 K+채널이 열리면서 재분극이 일어난다. 심장의 자율박동 세포에는 과분극시 자동으로 열리는 전압 의존성 Na+채널로 인해 휴지전위가 존재하지 않는다.

부교감신경은 동방결절의 K+투과도를 증가시켜 과분극을 유발한다. 동시에 Ca2+의 투과성이 감소하여 박동원 전위의 탈분극 속도를 느리게 한다. 노르에피네프린이나 에피네프린과 같은 호르몬은 동방결절의 Na+와 Ca2+의 투과성을 증가시켜 탈분극 속도를 빠르게 한다. 

 

(2) 수축성 심근세포에서 활동전위 생성

박동원 세포에서 유래된 활동전위가 간극연접을 통해 수축성 심근세포에 도달한다. 세포막의 전압 의존성 Na+ 채널이 열리면서 Na+이 빠르게 유입된다. 세포막 전위가 +20mV에 도달하면 채널은 닫힌다. 전압 의존성 K+ 채널이 일려 K+의 방출이 일어난다. 동시에 전압 의존성 Ca2+채널이 열리면서 Ca2+이 세포 내부로 유입된다. 유입된 Ca2+으로 인해 K+의 유출이 상쇄되고 활동전위가 유지되는 고평부(plateau)를 형성한다. 이후 Ca2+ 채널이 닫히고 K+이 빠르게 유출되면서 재분극이 일어난다. 고평부로 인해 불응기는 수축시간과 비슷하다. 따라서 수축이 합산되지 않아 강축이 일어나지 않는다.   

3.  심장 주기

심실 이완과 심방 수축 : 정맥에서 심방으로 지속해서 혈액이 들어오면서 심방의 압력이 심실보다 커진다. 방실판이 열려 심실로 수동적으로 혈액이 이동한다. 이후 심방의 탈분극으로 수축이 일어나 심실로 혈액이 이동한다.

등적성(isocolumetric) 수축 : 활동전위가 방실결절을 통해 푸르키네 섬유로 이동하면서 심실의 수축이 시작된다. 심실의 압력이 심방의 압력보다 커지면서 방실판이 닫히고 제1 심음을 낸다. 아직 심실의 압력은 대동맥압보다 낮은 상태이므로 대동맥 판막을 열 수 없다. 따라서 심실 수축은 일어나지만 심실 내 혈액량은 일정한 등적성 수축과정을 거친다.

심실 수축 : 심실의 압력이 동맥압보다 커지면서 대동맥 판막이 열리고 혈액이 동맥으로 방출된다. 심실 수축 동안 심방은 이완되어 정맥으로부터 혈액을 받아 채워진다. 이때 방실판막은 닫혀있기 때문에 혈액이 심실로 유입되지 못한다.

등적성 이완 : 심실의 재분극으로 이완한다. 심실의 압력이 대동맥 압력보다 낮아지게 되면서 대동맥 판막은 닫히고 제2 심음을 낸다. 이때 방실판막과 대동맥 판막 모두 닫혀 있으므로 혈액 부피 변화가 없는 등적성 이완을 거친다. 이후 심실의 압력이 심방의 압력보다 낮아지면서 심실의 혈액이 채워지고 심장 주기가 계속된다.