[전공체육] 운동생리학2 (근육계, 신경계, 호흡계, 근세사활주 등)

근육계와 운동

▶ 근형질

- 근형질은 T세관과 근형질세망으로 구성되어 있다. 근형질세망의 소포에 칼슘이 저장되어 있다.

- 에너지원인 ATP-PC, 근 글리코겐, 중성지방 등이 저장되어 있다.

 

▶ 근세사 활주 시 A대, I대, H영역

 

출처-생명의 도약 (닉레인, 2011)

근육이 수축 될 때, A대의 길이의 변화는 없고 I대의 길이는 짧아지며, H영역은 또한 짧아져 보이지 않게 된다.

* M선 : 마이오신 필라멘트 중앙을 가르는 선

Z선 : 액틴 필라멘트의 끝 부분 ( >모양)

 

▶ 뼈의 기능

- 내장기간 보호

- 지렛대 역할을 하여 신체활동을 할 수 있도록 한다.

- 뼈의 안쪽에 자리 잡고 있는 골수에서는 혈액을 만들어내는 조혈 작용을 한다.

 

▶ 관절의 종류

1. 경첩 관절 : 앞, 뒤로는 움직이나 옆으로는 움직이지 않는다. (ex. 팔꿈치, 무릎, 손가락 관절)

2. 절구 관절 : 3축성 관절로서 3가지 면에 대한 운동이 가능하므로 관절의 가동 범위가 가장 넓다. (ex. 어깨, 골반 관절)

 

▶ 단백질 세사 (수축 단백질)

1. 액틴(얇은 세사)

(1) 트로포닌 : 얇은 세사 내 트로포마이오신의 끝 부위에 위치하고 액토마이오신의 Ca⁺⁺농도에 감수성을 가지게 하는 물질로, 마이오신과 결합을 조절하는 기능

(2) 트로포 마이오신 : 트로포닌과 함께 마이오신의 결합을 조절하는 기능

2. 마이오신(굵은 세사)

- 마이오신 근원세사의 양 끝에 작은 단백질 돌기가 있어 액틴 세사를 향해 뻗쳐 있는데 이것을 십자형교라고 한다.

 

▶ 근세사 활주설

1. 안정 단계
(1) 충전되지 않은 ATP 십자형교가 신전되어 있다

(2) 액틴과 마이오신은 결합되지 않는다.

(3) 칼슘은 근형질 세망에 많은 양이 저장되어 있다.

 

2. 자극 ‧ 결합 단계

(1) 신경 자극이 발생하면 근신경연접에서 아세틸콜린이 분비

(2) 근형질세망의 소포에서 칼슘 방출

(3) 트로포닌에 칼슘 부착, 트로포 마이오신의 위치를 변화시킨다.

(4) 액틴과 마이오신이 결합하여 액토마이오신 형성

 

3. 수축 단계

(1) ATP가 ATPase에 의해 분해되면서 에너지 발생

(2) 에너지에 의한 십자형교의 회전

(3) 근육의 단축 : 액틴이 마이오신 쪽으로 미끄러져 들어간다.(활주)
(4) 힘의 생석

 

4. 재충전 단계

(1) ATP 재합성

(2) 액토마이오신이 액틴과 마이오신으로 분해

(3) 액틴과 마이오신의 재순환

 

5. 이완 단계
(1) 신경 자극이 중단되면 아세틸콜린이 더 이상 분비되지 않음

(2) 칼슘 펌프에 의해 근형질 세망의 소포로 재이동

(3) 안정 시 근육 상태로 재순환된다.

 

(근수축)

▶ 근력 발현 요소

1. 다중 운동 단위에 의한 가중(공간적 가중)

- 운동 형태에 따라 동원되는 운동 단위 수가 달라진다. 큰 힘이 필요할 더 많은 운동 단위를 자극한다. 이와 같이 주어진 시간에 수축하는 운동 단위를 한꺼번에 조절해 근력을 발생시키는 것을 다중 운동 단위에 의한 가중이라 한다.

 

2. 파장에 의한 가중 (시간적 가중) : 계속적인 자극에 의해 장력이 발생하는 것으로 수축 빈도가 한번일 때 단축, 여러 번일 때 파장 가중, 계속적일 때 강축이라 한다.

▶ 근수축의 종류

1. 단축성 수축 : 수축 시 근이 짧아진다.

2. 신장성 수축 : 수축 시 근이 길어진다.

3. 등속성 수축 : 근이 짧아질 때 근에서 발생하는 장력이 운동의 전 범위에 걸쳐서 모든 관절각에 최대이다.

4. 등척성 수축 : 근의 외부 길이의 변화 없이 장력이 발생하는 수축

 

▶ 자극의 특성

- 근육이 수축될 때 최소 자극을 역치 자극이라고 한다.

- 역치 자극 이상인 경우, 자극이 강하면 근섬유가 강하게 수축하고 자극이 약하면 약하게 수축하는 것이 아니라 똑같은 강도로 수축한다. 그러나 역치 자극 이하이면 전혀 수축하지 않는다. 이러한 개개의 근섬유의 특성을 실무율(all or none law)라고 한다.

- 자극이 커짐에 따라 근수축이 강해지는 것은 운동 단위의 수를 더 많이 동원하는 것이지, 근섬유 하나하나의 수축력에 변화가 있는 것은 아니다.

 

▶ 근 수축 운동에 영향을 주는 요인

1. 적정 부하 : 근 수축으로 인한 운동량은 부하가 너무 가볍거나 무거울 때보다 적당할 때 크다고 할 수 있다.

2. 운동 전 근육의 길이 : 사전에 미리 중량을 주어 이완(신장)되어 있는 근육은 탄성에너지가 발생되기 때문에 부하에 대한 운동이나 장력에 쓰일 수 있는 에너지가 더 많다. (SSC와 연결)

3. 적정 속도 : 너무 느리거나 빠르지 않은 적정 속도

4. 적정 온도 : 온도가 상승(약 1도) 하면 대사 작용이 활발해지고 근형질의 점액성이 감소되어 근 수축이 활발해진다.

5. 피로 : 피로가 생기면 근육의 수축과 이완이 느려진다.(특히 이완)

 

▶ 근 섬유

구분	지근(적근, ST섬유, Type 1)	속근(백근, FT섬유, Type 2)
특성	- 모세혈관 밀도 및 마이오글로빈 함유량이 높다. - 지구성 운동 특성을 갖는다. - 에너지의 효율이나 피로에 대한 저항이 강하다. - 미토콘드리아 수나 크기가 발달해 있다. - 산화 효소가 발달해 있다. - 미토콘드리아의 산화 능력이 높다.	- 모세혈관 밀도 및 마이오글로빈 함유량이 낮다. - 순발성 운동 특성을 갖는다. - 힘의 발생이나 수축 이완 시간이 빠르다. - ATP-PC, 근 글리코겐 저장량이 높다. - 해당 효소가 발달해 있다. - 해당 능력이 높다.

 

▶ 골격근의 트레이닝 효과

1. 근비대

(1). 근섬유당 근원 섬유의 수와 크기의 증가

(2). 마이오신 세사를 중심으로 한 수축 단백질 양의 증가

(3). 섬유 당 모세혈관 밀도의 증가

(4). 결체 조직, 힘줄 그리고 인대 조직의 양과 근력의 증가

 

2. 모세혈관 밀도의 증가

3. 근섬유의 미토콘드리아 산화 능력 향상

4. 근섬유의 에너지 저장 능력 및 해당 능력 향상

5. 결체 조직에서의 변화

6. 효율성의 향상

 

 

신경계와 운동

(신경계의 조직)

▶ 신경 세포

- 신경 세포는 세포체, 수상돌기, 축삭이라 불리는 긴 신경 섬유로 구성되어 있다.

- 축삭은 세포체로부터 신경 자극을 다른 부위로 전달하는 역할을 한다.

- 축삭은 미엘린 수초로 감겨져 있고 그 사이를 랑비에르 결절이라고 한다.

- 수초는 절연체이므로 랑비에르 결절에서 도약 전도를 통해 자극이 전달된다.

* 신경 세포의 종류

(1) 감각 신경 : 자극을 전달하는 것으로 외부로부터 오는 자극을 감수하고 전달하는 신경

(2) 운동 신경 : 중추신경으로부터 자극을 작용기(근육 등)에 전달하는 신경

- 뉴런은 신경 세포로서 신경 조직을 구성하는 기본 단위이다.

 

▶ 신경 세포의 기능

1. 분극 : 세포막을 중심으로 +, -극이 서로 대치하고 있는 상태(-70mV)

2. 탈분극 : 세포막 전위가 안정막 전위 수보다 감소된 상태(-55~30mV)

3. 재분극 : 탈분극 된 후 다시 안정시 전위 수준으로 돌아온 상태(30~-70mV)

4. 과분극 : 전위가 안정 시보다 더 커진 상태(-극이 더 많은 상태)(-70mV이상)

 

▶ 신경 세포의 화학적 특성

1. 흥분성 연접 후 막전압(EPSP)

- 시냅스 전막 : 흥분성 자극이 축삭 말단에 도달한다.

- 시냅스 공간 : 축삭 말단의 소포에 저장되어 있던 화학 전달 물질인 아세틸콜린이 시냅스 공간으로 방출된다.

- 시냅스 후막 : 탈분극을 일으키고 계속적인 신경 자극을 전달한다.

 

2. 억제성 연접 후 막전압(IPSP)

- 시냅스 전막 : 억제성 자극이 축삭 말단에 도달한다.

- 시냅스 공간 : 축삭 말단의 소포에 저장되어 있던 화학 전달 물질인 감마아미노뷰티릭산이 시냅스 공간으로 방출된다.

- 시냅스 후막 : 과분극을 일으키고 계속적인 신경 자극이 중단된다.

 

(중추 신경계)

▶ 간뇌의 시상하부

- 신체 내부 환경에 영향을 미치는 거의 모든 과정을 조절함으로써 항상성 유지를 담당

 

(시상하부의 열 조절)

시상하부 전엽 : 체온 증가 시 체온을 떨어뜨림(운동 시의 땀 배출)

시상하부 후엽 : 체온 감소 시 체온을 증가시킴(추운 환경에서 몸을 부르르 떨며 혈관 수축)

심부 온도 증가 → 시상하부 전엽의 자극을 통해 열 손실을 증가 심부 온도 감소 → 시상하부 후엽의 자극을 통해 신체의 열 생성 증가

 

▶ 열 순응의 결과로 일어나는 생리학적 주요 반응 형태

1. 혈장량의 증가

2. 발한 시점의 조기화

3. 발한률 증가

4. 땀에 의한 염분 손실의 감소

5. 피부의 혈류량 감소

6. 세포에서 열상해 단백질 증가

 

▶ 소뇌

- 소뇌는 신체 평형과 자세의 조정, 운동의 조절에 이바지하는 기관이다.

※ 소뇌의 운동 조절 기능

1. 제동 효과

2. 스피드 지각 효과

 

▶ 자율 신경계의 기능

작용기관	부교감신경	교감신경
심장	심박수 감소, 수축력 감소	심박수 증가, 수축력 증가
피부혈관	-	혈관 수축
근육 및 내장혈관	-	근육 혈관 확장, 내장 혈관 수축
소화관	운동 증가	수축 (운동 감소)
땀샘	-	땀이 나게 한다.
침샘, 췌장	분비 증가	분비 감소
간	-	당원 분해 작용으로 혈당량 증가
아드리날린	-	분비 증가 (에피네프린 활성화)

▶ 척수 반사와 동작의 자동화

1. 척수 반사 : 감각 수용기를 통해 위험을 인식하고 그 자극이 구심성 통로를 통해 들어오면 생각이나 감정의 과정을 거치지 않고 원심성 통로를 통해 근육의 굴곡 또는 신전의 명령을 내림으로써 위험에서 벗어나는 것.

2. 동작의 자동화 : 수의 운동 형태가 계속적인 연습을 통하여 반사 운동처럼 빠르게 이루어지는 것을 동작의 자동화라고 한다.

 

▶ 신경계에 대한 트레이닝 효과

1. 조정력의 향상

2. 동작의 자동화

 

 

호흡계

▶ 폐포의 환기의 영향을 미치는 세 가지 요소

1. 1회 호흡량

2. 호흡 수

3. 사강의 크기

 

▶ 분당 환기량과 폐포 환기량

분당 환기량 (L/min) : 1회 호흡량(L) ‧ 분당 호흡수(회)

폐포 환기량 : (1회 호흡량 - 사강) ‧ 분당 호흡수

 

▶ 페용적과 폐용량

용적	1회 호흡량(TV)	1회 호흡시 들이마시거나 내쉰 공기량
	흡기 예비 용적(IRV)	TV에서 최대한 더 들여 마실 수 있는 양
	호기 예비 용적(ERV)	TV에서 최대한 더 내뱉을 수 있는 양
	잔기 용적(RV)	가능한 모두 배출한 상태에서 폐에 남아있는 양
용량	흡기 용량(IC)	TV+IRV 정상호흡에서 최대한 흡입할 수 있는 양
	기능적 잔기 용량(FRC)	ERV+RV 정상호흡에서 TV를 배출하고 남아있는 양
	폐활량(VC)	IRV+TV+ERV 최대한 공기를 들여마신 후에 최대한 배출 시킬 수 있는 공기의 양
	총폐용량(TLC)	VC+RV = TV+IRV+ERV+RV

 

▶ 호흡 작용

1. 흡기 작용 : 횡격막은 아래 방향으로, 외늑간근의 수축에 외상방으로 증가한다.

즉, 흉곽 용적이 커짐으로써 대기압보다 폐내압이 감소하고 압력이 높은 대기압에서 폐내압으로 공기가 이동

2. 호기 작용 : 횡격막과 외늑간근이 이완을 통해 흉곽 용적이 원래의 크기로 돌아가며 흉강의 내압이 증가함으로서 폐 속의 공기는 다시 대기로 나가게 된다.

* 안정 시의 호기 작용 : 수동적으로 이루어지며, 호기 근육의 관여x

* 운동 시의 호기 작용 : 능동적으로 이루어지며, 복부근에 의해서 호기 작용이 촉진

 

(가스교환과 운반)
▶ 산소와 이산화탄소의 운반

1. 산소의 운반

(1) 산화 헤모글로빈 : 대부분의 산소(98%)는 적혈구로 확산되어 산화 헤모글로빈 형태로 결합하여 운반 (혈액 100ml 당 헤모글로빈 함량은 약 15g정도이다.)

(2) 용해된 산소

 

2. 이산화탄소의 운반

(1) 중탄산염이온

CO₂(이산화탄소) + H₂O(물) ↔ H₂CO₃(탄산) ↔ H⁺(수소) + HCO₃⁻(중탄산염)

 

(2) 카바미노화합물(카바미노헤모글로빈)

(3) 용해된 상태

 

▶ 산화 헤모글로빈 해리 곡선

- 운동 시 산소해리 곡선이 우측으로 이동하여 ( pH의 감소/수소이온의 증가, 체온의 증가, PCO2의 증가/ PO2의 감소) 근육의 추가적인 확산을 촉진한다.

 

(가스 교환)

▶ Fick의 법칙

- 산소와 이산화탄소의 분자 확산 속도는 경계면의 면적, 두 영역 사이의 분압차에 비례하며, 확산 거리에 반비례한다.

 

▶ 동적인 운동에서 발생하는 환기량의 상승 요인

1. 빠른 신경요소(초기) : 활동근과 관절의 움직임에 의해 발생되는 장력, 운동피질과 대뇌변연계의 흥분, 폐와 주변 혈관에서의 박출량 감지

2. 느린 체액요소(느린증가국면) : 혈액의 화학적 구성 변화 (칼슘, 이산화탄소, 젖산, 수소이온 증가, 산소, pH농도 감소)

 

▶ 안정, 운동, 회복 시 환기량의 변화

단계		변화	조절기전
안정 시		거의 없음	중추와 말초 화학 수용기
운동 전		어느 정도 증가	중추의 명령
운동 중	초기	급속한 증가	- 중추의 명령 - 근 관절 수용기의 활성으로 연수에 대한 신경자극 ( 관절의 자극 )
	중간	안정 혹은 느린 증가	- 이산화탄소 분압의 증가 - pH의 감소
	후기	최대하 운동 : 유지 최대 운동 : 계속적 증가	- (중간과 동일) - 혈액 칼륨, 카테콜라민, 체온, 중추의 부가적 자극
회복기	직후	급속한 감소	- 중추의 명령
	후기	느린 감소	- 이산화탄소와 pH가 정상화됨에 따른 중추와 말초화학 수용기 자극

 

▶ 사점과 세컨드 윈드

1. 사점

- 격렬한 운동이나 지속적인 운동을 할 때 운동 초기에 심한 호흡 곤란, 빠르고 얕은 호흡, 가슴에 통증, 두통이나 현기증, 근육의 통증을 느끼게 되는데 이 시기를 사점이라 한다.

- 사점의 원인

(1). 축적된 젖산 때문에 혈액이 산성화

(2). 내장 혈관이 수축으로 혈액의 공급이 제한

(3). 호흡 순환 기능의 부적응

 

2. 세컨드 윈드

- 사점 때의 고통을 참고 지나면 땀이 나면서 혈액 속의 젖산이 제거되고 심장의 심박출량의 증가로 인한 혈액량이 증가하여 호흡이 부드럽게 됨으로써 편안하게 운동을 할 수 있다. 이 시기를 세컨드 윈드라고 한다.

- 세컨드 윈드의 원인

(1) 축적된 젖산의 제거

(2) 근 혈류량이 충족 되어 혈액 공급이 가능

(3) 호흡 순환 기능의 적응

(4) 산소 요구량과 산소 섭취량의 수준이 평행 상태가 됨.

 

(운동 중 산-염기 평형)

▶ 운동 중 산-염기 조절의 중요성

- 고강도의 운동에 의한 젖산의 생성은 수소 이온을 방출하게 된다.

- 근육의 수소이온 농도의 증가는 두 가지 방식으로 운동 수행에 악영향을 주게 된다.

1. ATP생산에 관여하는 중요 효소를 억제함으로서 근육 세포의 ATP생산 능력을 감소시킨다.

2. 트로포닌과 칼슘이온의 결합을 방해하여 근 수축을 방해.

 

▶ 산-염기 완충체제

- 산-염기 조절 방어기전

1차 방어선	세포 내 완충제	세포 단백질(60%) 인산기(10~20%) 중탄산염(20~30%)
	세포 외 완충제 (혈액 완충제)	중탄산염 완충 시스템 헤모글로빈 혈액 단백질
2차 방어선	호흡보상작용	호흡을 통해 이산화탄소를 배출함으로써 혈액의 탄산과 pH를 조절
	신장	중탄산염의 농도를 증가시키거나 감소시킴으로써 수소이온 농도를 조절한다.

 

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