프랑크-스탈링 법칙
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1. 개요
프랑크-스탈링 법칙은 심장의 수축력과 심장 내 혈액량 사이의 관계를 설명하는 생리학적 원리이다. 심근이 늘어날수록 수축력이 강해지는 현상으로, 심장이 더 많은 혈액을 채울수록 더 강력하게 수축하여 혈액을 내보낼 수 있음을 의미한다. 이 법칙은 심근 세포의 길이 변화에 따른 칼슘 반응성 증가, 액틴과 마이오신 필라멘트의 겹침 변화 등 여러 기전에 의해 발생하며, 심장의 펌프 기능과 혈액 순환 조절에 중요한 역할을 한다. 1914년 이탈리아 생리학자 다리오 마에스트리니가 처음 이론화했으며, 오토 프랑크와 어니스트 스타링의 연구를 통해 발전했다.
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프랑크-스탈링 법칙 | |
---|---|
정의 | |
개념 | 심장 수축력은 심근 섬유의 초기 길이에 따라 달라짐. 심장의 펌프 작용에 대한 기본적인 이해를 제공함. |
주요 내용 | 심박출량은 확장기말 용적에 비례하여 증가함 (일정 한도 내). |
생리학적 의의 | |
혈액량 변화 대응 | 혈액량이 증가하면 심장으로 유입되는 혈액량이 증가하여 심근이 더 늘어나고, 더 강력한 수축을 유발하여 심박출량을 증가시킴. |
심부전 시의 변화 | 심부전 시에는 심근의 수축력이 감소하여 동일한 확장기말 용적에서도 심박출량이 감소함. |
메커니즘 | |
심근 섬유 길이와 수축력 | 심근 섬유가 늘어날수록 액틴과 미오신 필라멘트의 겹침이 최적화되어 수축력이 증가함. |
칼슘 민감도 | 심근 섬유가 늘어날수록 칼슘에 대한 민감도가 증가하여 수축력이 증가함. |
관련 용어 | |
심박출량 | 심장이 1분 동안 펌프질하는 혈액의 양. |
확장기말 용적 | 심장 수축 직전의 심실 내 혈액량. |
수축기말 용적 | 심장 수축 직후의 심실 내 혈액량. |
일회 박출량 | 심장 박동 1회당 심실에서 펌프질되는 혈액량 (확장기말 용적 - 수축기말 용적). |
역사 | |
발견자 | 오토 프랑크와 어니스트 헨리 스탈링. |
최초 기술 | 19세기 말 ~ 20세기 초에 걸쳐 프랑크와 스탈링이 독립적으로 연구하여 심장의 기능을 설명하는 법칙으로 정립함. |
2. 생리학
프랑크-스탈링 법칙은 심장의 펌프 기능, 즉 혈액을 내보내는 능력이 심장 근육(심근)의 이완 정도에 따라 달라진다는 것을 설명한다. 심장이 이완될 때 혈액이 심장으로 들어오면서 심근이 늘어나는데, 이 늘어난 정도에 비례하여 다음 수축 시 더 강한 힘으로 혈액을 내보내게 된다.
심근의 수축은 액틴 필라멘트와 미오신 필라멘트가 서로 연결되어 미끄러지면서 일어난다. 이때, 심근 세포 내의 근절(근육 수축의 기본 단위) 길이는 힘을 발생시키는 연결 수와 관련이 있어 장력을 결정한다.[29]
심장이 이완되어 혈액이 많이 들어올수록 심근이 더 많이 늘어나고, 이는 다음 수축 시 더 강한 힘을 낼 수 있게 한다. 하지만 심부전이나 특발성 확장성 심근증과 같은 심장 질환이 있는 경우에는 이 법칙이 제대로 적용되지 않을 수 있다.
프랑크-스탈링 기전 덕분에 심장은 정맥을 통해 들어오는 혈액량(정맥 귀환)이 증가해도 자동적으로 심박출량을 조절할 수 있다.[1][13] 이는 좌심실과 우심실의 박출량을 맞추는 데 중요한 역할을 한다.[3] 만약 이 기전이 없다면, 혈액이 폐순환이나 전신 순환에 쌓이게 될 것이다.[1][14]
2. 1. 분자생물학적 기전
일반적으로 심근의 수축력을 결정하는 가장 중요한 요인은 세포 내의 칼슘 이온 농도이지만, 프랑크-스탈링 법칙은 이와 무관하게 성립한다.[36] 심근 조직을 늘리면 즉각적인 반응으로 장력이 증가하는데, 이는 전체 장력 증가의 60%를 차지한다. 느린 힘 반응(slow force response영어)으로 인한 장력 증가는 40% 정도이며, 이는 생체 내에서 안렙 효과(Anrep effect영어)를 일으킨다.[36]심근세포가 늘어날 때 Ca2+ 농도와 무관하게 수축력이 빠르게 강해지는 기전은 아직 논쟁 중이다.[36][38] 심근세포가 늘어나면서 액틴 미세섬유가 비효율적으로 중첩되는 구간이 줄어든다는 가설이 있지만, 골격근에도 적용되는 현상이기 때문에 주요 기전은 아닌 것으로 보인다. 더 중요한 기제는 Ca2+에 대한 반응성이 증가하는 현상이다.[36] 즉, 심근세포가 길게 늘어나면 Ca2+ 농도가 같아도 수축력이 더 강해진다.[36]
심근이 늘어나면 근육 수축 동안 칼슘 감수성이 증가하여 심장 근육 수축이 증가하고,[10] 액틴-미오신 가교가 더 많이 형성된다. 특히 Ca2+ 결합에 대한 트로포닌의 감수성이 증가하고 근소포체로부터의 Ca2+ 방출이 증가한다. 심근 세포가 늘어나면 근소포체의 Ca2+ 방출 가능성이 증가하고, 축방향 스트레칭 시 Ca2+ 스파크 속도가 증가한다.[11] 또한, 심장 근육이 늘어날 때 두껍고 얇은 필라멘트 사이의 간격이 감소하여 가교가 더 많이 형성될 수 있다.[1]
프랑크-스탈링 기전은 골격근, 절지동물 근육[4] 및 심장 근육을 포함한 가로무늬근에서 관찰되는 '''길이-장력 관계'''의 결과로 발생한다.[5][12][9]
2. 1. 1. 격자 간격 가설
심근세포가 늘어났을 때 칼슘 이온 (Ca2+) 농도와 무관하게 심근 수축력이 빠르게 강해지는 핵심 기제가 무엇인지에 대해서는 논쟁 중이다.[36][38] 격자 간격 가설(lattice spacing hypothesis|래티스 스페이싱 하이포테시스영어)에 따르면 심근세포가 길어질수록 액틴 미세섬유와 마이오신 섬유 사이의 거리가 줄어들어 더 많은 액틴-마이오신 결합이 만들어져 수축력이 증가한다.[36]한편, 티틴 단백이 심근세포의 길이를 감지하여 Ca2+ 반응성을 조절하는 핵심 인자라는 가설도 있다.[36]
2. 1. 2. 티틴 단백 가설
심근세포가 늘어났을 때 Ca2+ 농도와 무관하게 심근 수축력이 빠르게 강해지는 핵심 기전은 여전히 논쟁의 대상이다.[36][38] 티틴 단백이 심근세포의 길이를 감지하여 Ca2+ 반응성을 조절하는 핵심 인자라는 가설이 있다.[36]심근세포의 길이에 따른 Ca2+ 반응성 차이는 실험으로 확인할 수 있으나, 이러한 현상이 나타나는 이유는 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.[36] 격자 간격 가설(lattice spacing hypothesis|래티스 간격 가설영어)에 따르면 심근세포가 길어질수록 액틴 미세섬유와 마이오신 섬유 사이의 거리가 줄어들어 더 많은 수의 액틴-마이오신 결합이 만들어져 수축력이 증가한다.
3. 임상 사례
조기 심실 수축과 이완 기능 부전은 프랑크-스탈링 기전이 나타나는 대표적인 임상 사례이다.[1][14]
3. 1. 조기 심실 수축
조기 심실 수축은 좌심실의 조기 비움을 대동맥으로 유발한다. 다음 심실 수축이 정규 시간에 발생하므로 좌심실의 채움 시간이 증가하여 좌심실 말기 확장기 용적이 증가한다. 프랑크-스탈링 기전에 의해 다음 심실 수축은 더 강력해져 정상보다 큰 혈액량을 사출하고 좌심실 말기 수축기 용적을 다시 기준선으로 되돌린다.[14]3. 2. 이완 기능 부전 – 심부전
이완 기능 부전은 심실 벽의 유순성 감소 또는 강성 증가와 관련이 있다. 이러한 유순성 감소는 심실의 부적절한 충만을 초래하고 확장기말 용적을 감소시킨다. 감소된 확장기말 용적은 프랑크-스탈링 기전 때문에 일회 박출량의 감소로 이어진다.[1] 다만, 심부전, 특발성 확장성 심근증 등 심장에 어떠한 이상이 생겼을 경우에는 이 법칙이 적용되지 않는 경우가 있다.4. 역사
프랑크-스탈링 법칙은 오토 프랑크와 어니스트 스타링의 이름을 따서 명명되었지만, 이들 이전에 이탈리아 생리학자 다리오 마에스트리니가 먼저 이 법칙을 공식화했다.[5] 마에스트리니는 1914년 12월 13일에 legge del cuoreit(심장의 법칙)를 공식화하게 한 19번의 실험 중 첫 번째 실험을 시작했다.[15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27]
오토 프랑크는 1895년 개구리 심장 실험을 통해, 어니스트 스타링은 포유류 심장 실험을 통해 이 법칙에 기여했다.
4. 1. 법칙의 발견과 발전
프랑크-스탈링 법칙은 두 생리학자, 오토 프랑크와 어니스트 스타링의 이름을 따서 명명되었다. 그러나 프랑크와 스타링 모두 심박출량 조절과 이완기말 용적 사이의 관계를 처음으로 설명한 사람은 아니었다.[5] 이 법칙을 처음 공식화한 것은 이탈리아 생리학자 다리오 마에스트리니였으며, 그는 1914년 12월 13일에 "''legge del cuore''"(심장의 법칙)를 공식화하게 한 19번의 실험 중 첫 번째 실험을 시작했다.[15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27]오토 프랑크는 1895년 개구리 심장에 대한 실험을 통해 기여했다. 심장의 작용을 골격근 역학과 관련시키기 위해 프랑크는 개구리 심실의 다양한 용적에 따른 이완기 압력의 변화를 관찰했다. 그의 데이터는 압력-용적 다이어그램으로 분석되었으며, 이는 최고 등용적 압력과 심실 용적에 미치는 영향에 대한 설명으로 이어졌다.[5]
스타링은 동물의 동맥압, 심박수, 온도 변화가 상대적으로 일정한 심박출량에 영향을 미치지 않는 이유를 이해하기 위해 개와 같은 온전한 포유류 심장을 대상으로 실험했다.[5] 근육 수축의 활주 필라멘트 이론과 활성 장력과 근절 길이 사이의 관계에 대한 이해가 생기기 30년 이상 전인 1914년에, 스타링은 "휴지 상태에서 활성 상태로 전환될 때 방출되는 기계적 에너지는 섬유의 길이에 대한 함수이다"라고 가설을 세웠다. 스타링은 자신의 데이터로부터 길이-장력 다이어그램을 구성하기 위해 용적-압력 다이어그램을 사용했다. 스타링의 데이터와 관련 다이어그램은 근육 섬유의 길이와 그에 따른 장력이 수축기 압력을 변화시킨다는 증거를 제공했다.[28]
5. 참고 사항
심장의 펌프 기능으로서의 운동 능력, 즉 얼마나 많은 혈액을 내보낼 수 있는지는 심장이 어느 정도 팽창하는지에 따라 달라진다. 심장의 팽창은 직전 운동에서 어느 정도 심근이 늘어난 상태로 종료되었는지에 따라 달라지는데, 이는 최종 이완 시 심근 길이에 정비례하여 다음에 일어나는 심근 수축 능력이 변화한다는 것을 의미한다.
심근의 수축은 액틴 필라멘트와 미오신 필라멘트가 연결교(cross-bridge)를 형성하고, 연결교에서 발생하는 힘이 필라멘트를 서로 미끄러지게 하기 때문에 일어난다. 근절(사르코미어)의 길이는 힘을 발생시키는 연결교의 수와 밀접한 관련이 있기 때문에 발생 장력을 결정하며, 이것이 프랑크-스탈링 법칙의 기초로 생각된다.[29]
구체적으로, 심장이 운동 종료 시점에 내부에 운동 종료 시점에서의 심장 내 혈액 평균량 이상의 혈액이 있는 경우(즉, 이전 심장 운동에 의한 배출량이 비교적 적었던 경우) 심근은 평균 길이보다 긴 상태로 운동이 종료된다. 이때 다음 심근 운동 시 프랑크-스탈링 법칙에 따르면 심장의 수축률이 높아져 혈액 배출량이 이전 운동 시보다 많아진다. 다만, 심부전, 특발성 확장성 심근증 등 심장에 이상이 생겼을 경우에는 이 법칙이 적용되지 않는 경우가 있다. 프랭크는 스타링 이전에 개구리 심근 연구를 수행했다.
참조
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