심근생리

심근세포는 심근을 구성하는 기본 단위로, 가로무늬근에 속하지만 골격근과는 구별되는 독특한 형태학적 특성을 지닌다. 대부분의 심근세포는 심실과 심방의 벽을 이루는 작업세포로, 원통형 또는 가지 모양을 띠며 길이는 약 80~100 마이크로미터, 지름은 약 10~20 마이크로미터 정도이다. 각 세포는 하나의 핵을 중심부에 가지고 있으며, 세포질 내에는 수많은 미토콘드리아와 근원섬유가 밀집해 있다. 이는 심장이 끊임없이 박동하기 위해 필요한 대량의 ATP를 생산하고 효율적인 수축을 수행해야 하기 때문이다.

근원섬유는 액틴 필라멘트와 미오신 필라멘트가 규칙적으로 배열된 근절로 구성되어 있으며, 이 배열이 현미경 아래에서 가로무늬를 형성한다. 심근세포의 또 다른 중요한 구조적 특징은 간극연접을 통해 서로 물리적으로 그리고 전기적으로 연결되어 있다는 점이다. 이러한 연결은 세포사이연접이라 불리는 특수화된 세포막 구조에서 이루어지며, 이를 통해 활동전위와 이온이 빠르게 인접 세포로 전달되어 심장이 하나의 기능적 합성체로 동기화되어 수축할 수 있다.

심근세포의 외부는 기저막으로 둘러싸여 있으며, 세포막은 T세관이라 불리는 관상 구조로 깊게 함몰되어 있다. T세관은 세포 외부와 세포 내부의 저장 칼슘 공급원인 세포질망을 물리적으로 가까이 접근시켜, 흥분-수축 연계 과정에서 칼슘 이온의 신속한 유입과 방출을 가능하게 한다. 이는 심장의 빠르고 조화로운 수축에 필수적이다.

심근세포들은 간극연접이라는 특수한 구조를 통해 서로 전기적으로 연결되어 있다. 이 연결은 심장이 하나의 기능적 합성체로 작동하는 데 필수적이다.

간극연접은 접합소라고 불리는 단백질 복합체로 구성되며, 주로 커넥신 단백질로 이루어진 채널을 형성한다. 이 채널들은 인접한 세포들의 세포질을 직접 연결하여 이온과 작은 분자들이 자유롭게 이동할 수 있게 한다. 주요 기능은 다음과 같다.

간극연접의 전도성은 역동적으로 조절된다. 세포 내 칼슘 이온 농도가 과도하게 증가하거나 세포 내 pH가 낮아지는 경우(예: 허혈 상태) 채널이 폐쇄될 수 있다. 이는 손상된 세포로부터 건강한 세포를 보호하는 역할을 하지만, 동시에 전도 장애를 일으켜 부정맥의 원인이 되기도 한다. 따라서 심근의 전기적 연접은 심장의 정상적인 리듬 유지와 효율적인 수축을 위한 구조적 기반을 제공한다.

심근의 자동능은 심장 박동의 기원이 되는 능력으로, 외부 신경 자극 없이도 자발적으로 탈분극하여 활동전위를 발생시키는 성질을 의미한다. 이는 동방결절을 비롯한 심장 내 특수 전도계 세포들에서 나타나는 고유한 특성이다. 자동능의 기초는 유형 채널이라 불리는 특수 이온 채널에 있다. 이 채널들은 시간에 따라 서서히 닫히는 특성을 지녀, 휴지기 동안에도 나트륨 이온이 세포 내로 유입되도록 한다. 이로 인해 막 전위가 서서히 상승하여 임계치에 도달하면, 빠른 나트륨 채널이나 칼슘 채널이 활성화되어 활동전위가 유발된다. 동방결절은 가장 높은 자동성을 가지며, 따라서 심장의 자연적인 박동조율기 역할을 한다.

흥분성은 심근세포가 전기적 또는 화학적 자극에 반응하여 활동전위를 발생시킬 수 있는 능력을 말한다. 모든 심근세포는 흥분성을 지니지만, 자동능은 특수 전도계 세포에 국한된다. 흥분성의 핵심은 세포막에 존재하는 다양한 전압 개문 이온 채널의 활동에 달려 있다. 자극이 가해져 막 전위가 임계치에 도달하면, 이 채널들이 순차적으로 열리고 닫히며 빠르고 특징적인 전위 변화, 즉 활동전위를 생성한다. 이 과정은 심장 전체에 전기적 신호가 전파되어 기계적 수축을 일으키는 기초가 된다.

자동능과 흥분성은 서로 밀접하게 연관되어 있으나 구별되는 개념이다. 자동능은 자발적인 신호 발생 능력이며, 흥분성은 외부에서 온 신호에 반응하는 능력이다. 예를 들어, 심실의 일반 심근세포는 높은 흥분성을 지녀 전도계로부터 전달된 신호에 신속히 반응하지만, 스스로 규칙적인 자동 활동을 일으키지는 않는다. 자동능의 정도는 주로 유형 채널의 활성에 의해 결정되며, 이는 자율신경계의 영향을 크게 받는다. 교감신경은 유형 채널의 개방을 촉진하여 자동성을 증가시키는 반면, 부교감신경은 이를 억제하여 자동성을 감소시킨다.

심근세포의 활동전위는 그 형태와 기전에 따라 크게 빠른 반응과 느린 반응으로 구분된다. 빠른 반응 활동전위는 심실, 심방, 푸르키네 섬유와 같은 일반 심근세포에서 관찰되며, 느린 반응 활동전위는 동방결절과 방실결절과 같은 자동능을 가진 특수 세포에서 나타난다.

빠른 반응 활동전위는 0기에서 4기까지 다섯 단계로 나뉜다.

반면, 느린 반응 활동전위는 0기의 상승 속도가 느리고 고원기가 뚜렷하지 않다. 탈분극(0기)은 주로 L형 칼슘 채널을 통한 Ca²⁺ 유입에 의해 일어나며, 재분극(3기)은 칼륨 채널을 통한 K⁺ 유출에 의해 진행된다. 이러한 전기생리학적 차이는 심장 내 전도 속도의 차이와 자동능의 발생에 중요한 기초를 제공한다.

심장의 전도계는 심근이 조화롭게 수축하여 효율적인 혈액 박출을 가능하게 하는 특수화된 전기 자극 생성 및 전달 경로이다. 이 체계는 동방결절에서 시작하여 방실결절, 히스속, 좌우 각다발, 그리고 최종적으로 푸르킨예 섬유를 통해 심실 근육에 이르는 순차적인 경로로 구성되어 있다.

전도계의 주요 구성 요소와 그 기능은 다음과 같다.

이러한 계층적 구조는 심장의 효율적인 동기화된 수축을 보장한다. 동방결절에서 발생한 자극은 먼저 양쪽 심방을 통해 전파되어 심방 수축을 유발한다. 방실결절에서의 생리적 지연은 심방에서 심실로의 혈액 이동을 완료하는 데 필수적이다. 이후 자극은 히스속-각다발-푸르킨예 섬유 경로를 통해 심실 전체로 급속히 전도되어, 심실 근육이 기저부에서 심첨부 방향으로 조화롭게 수축하게 한다. 이 과정의 어느 단계에서라도 장애가 발생하면 방실차단이나 각차단과 같은 전도 장애 및 다양한 부정맥이 초래될 수 있다.

심근 수축의 분자적 기전은 활주사설에 기반을 두고 있다. 이 이론에 따르면, 얇은 필라멘트를 구성하는 액틴과 두꺼운 필라멘트를 구성하는 미오신이 서로 활주하며 근육의 길이가 짧아진다. 심근세포 내에서 이 과정은 세포 내 칼슘 이온(Ca²⁺) 농도의 변화에 의해 정교하게 조절된다.

수축 과정은 활동전위가 T-세관을 통해 세포 내부로 전도되면서 시작된다. 이는 T-세관 막에 위치한 L-형 칼슘 채널을 활성화시켜 소량의 칼슘이 세포질로 유입되게 한다. 이 유입된 칼슘은 사르코플라즈미크 막의 라이아노딘 수용체를 활성화시키는 방아쇠 역할을 한다. 활성화된 라이아노딘 수용체는 저장된 다량의 칼슘을 세포질 내로 방출시키는 칼슘 유발 칼슘 방출 현상을 일으킨다.

급격히 증가한 세포질 내 칼슘 농도는 얇은 필라멘트의 트로포닌 복합체에 결합한다. 칼슘이 트로포닌-C에 결합하면 트로포닌-트로포미오신 복합체의 구조가 변화하여, 미오신의 결합 부위가 가려져 있던 액틴 필라멘트가 노출된다. 노출된 액틴에 미오신 머리가 결합하면, 미오신의 ATPase 활성에 의해 ATP가 가수분해되면서 에너지를 얻어 미오신 머리가 굽혀진다. 이 '파워 스트로크'로 인해 액틴 필라멘트가 미오신 필라멘트 쪽으로 끌어당겨지며 근섬유가 수축한다.

수축이 종료되고 이완이 일어나기 위해서는 세포질 내 칼슘 농도가 낮아져야 한다. 주요 기전은 다음과 같다.

SERCA의 활동은 억제 단백질인 포스포람반에 의해 조절되며, 포스포람반이 인산화되면 그 억제가 해제되어 SERCA의 활성이 증가한다. 칼슘 농도가 낮아지면 칼슘은 트로포닌-C에서 떨어져 나가고, 트로포닌-트로포미오신 복합체는 원래 구조로 돌아가 미오신 결합 부위를 다시 가린다. 이로써 액틴과 미오신의 상호작용이 차단되고 심근은 이완된다.

심장의 스트레스-변형 관계는 심근의 수축력과 심실의 확장 정도 사이의 관계를 설명하는 핵심 개념이다. 이 관계는 심장의 박출량을 결정하는 주요 인자이며, 프랭크-스탈링 법칙 또는 심장의 이성적 법칙으로도 알려져 있다. 기본 원리는 심실 확장기말에 심근 섬유가 늘어나는 정도(전부하)가 증가하면, 다음 수축 시 발생하는 수축력(스트레스)도 비례적으로 증가한다는 것이다. 이는 심근 세포 내 액틴과 마이오신 필라멘트의 중첩 정도가 최적화되어 더 많은 교차다리 형성이 가능해지기 때문이다.

이 관계는 심장이 정맥환류량의 변화에 자동적으로 적응하여 박출량을 조절할 수 있게 하는 중요한 항상성 기전이다. 예를 들어, 운동 시 정맥환류량이 증가하면 심실의 확장기말 용적이 커지고, 이는 프랭크-스탈링 법칙에 따라 심장의 수축력을 증가시켜 증가된 혈액 유입에 맞춰 박출량을 높인다. 이 조절은 신경 또는 호르몬 입력 없이도 심장 자체의 내재적 특성으로 이루어진다.

스트레스-변형 관계는 그래프로 표현될 수 있으며, 일반적으로 변형(전부하, 예: 확장기말 용적 또는 압력)을 x축에, 스트레스(수축력, 예: 박출량 또는 박출 작업량)를 y축에 둔다. 이 곡선의 기울기는 심근의 수축성을 반영한다. 수축성이 증가하면(예: 교감신경 흥분 또는 양성변력작용 약물) 동일한 전부하에서 더 큰 수축력을 발생시키므로 곡선은 좌상향으로 이동한다. 반대로, 수축성이 감소하면(예: 심부전) 곡선은 우하향으로 이동하여 동일한 전부하에 대한 심장의 반응이 저하된다.

이 관계는 임상적으로 매우 중요하다. 심부전 환자에서는 이 곡선이 평평해지고 우하향하여, 심장이 전부하 증가에 대한 보상 능력을 상실한다. 이는 폐울혈이나 말초부종과 같은 증상을 초래한다. 따라서 심장의 스트레스-변형 관계를 이해하는 것은 심장 기능 평가와 심부전 치료 전략 수립의 기초가 된다.

자율신경계는 심박수와 심박출량을 빠르게 조절하는 주요 기전이다. 교감신경계와 부교감신경계는 길항적으로 작용하여 심장 기능을 일상적으로 조절한다. 교감신경계는 노르에피네프린과 에피네프린을 매개로 작용하며, 이는 심근세포 표면의 베타-1 아드레날린 수용체에 결합한다.

교감신경계의 활성화는 다음과 같은 효과를 일으킨다. 첫째, 동방결절의 자동능을 증가시켜 심박수를 가속한다. 둘째, 심근 수축력을 증가시켜 수축기 혈압과 박출량을 높인다. 셋째, 심장 내 전도 속도를 촉진한다. 이 모든 효과는 아데닐산 고리화효소를 활성화하고 사이클릭 AMP를 증가시키는 신호 전달 경로를 통해 매개된다.

반면, 부교감신경계(주로 미주신경)는 아세틸콜린을 매개체로 사용하며, 이는 M2 무스카린 수용체에 결합한다. 부교감신경계의 활성화는 심박수를 현저히 감소시키는 것이 주요 효과이다. 이는 동방결절의 탈분극 속도를 늦추어 발생한다. 또한, 방실결절의 전도 속도를 감소시켜 심방에서 심실로의 전기적 신호 전달을 지연시킬 수 있다. 그러나 부교감신경계는 심실 심근의 수축력에는 직접적인 영향을 거의 미치지 않는다.

두 시스템의 영향은 상호작용하며, 일반적으로 휴식 시에는 부교감신경계의 우세(긴장)가 관찰된다. 신체 활동, 스트레스, 혈압 변화 등에 따라 이 균형은 역동적으로 변화하여 순간순간 심장의 펌프 기능을 최적화한다.

심근의 기능은 다양한 호르몬에 의해 조절된다. 이들은 혈류를 통해 심장에 도달하여 심근 수축력, 심박수, 이완 특성 및 대사에 영향을 미친다. 주요 조절 호르몬으로는 카테콜아민, 안지오텐신, 심방나트륨이뇨펩타이드, 갑상선 호르몬 등이 있다.

카테콜아민인 에피네프린과 노르에피네프린은 주로 스트레스나 운동 시에 분비되어 심근의 베타-1 아드레날린 수용체에 결합한다. 이는 아데닐산 고리화효소를 활성화시키고 고리형 아데노신 일인산의 농도를 증가시킨다. 결과적으로 단백질 키나제 A가 활성화되어 칼슘 이온 채널의 개방을 촉진하고, 세포질 내 칼슘 농도를 높여 수축력을 증가시킨다. 동시에 심박수를 증가시키고 전도 속도를 빠르게 한다.

다른 호르몬들도 중요한 역할을 한다. 안지오텐신 II는 혈관 수축을 일으키는 동시에 심근의 성장과 섬유화를 촉진하여 장기적으로 심장 구조에 영향을 미칠 수 있다. 이에 대항하여 심방나트륨이뇨펩타이드는 심방이 늘어나면 분비되어 나트륨 배설을 촉진하고 혈관을 확장시켜 심장의 부하를 감소시킨다. 갑상선 호르몬은 심근 세포의 대사율을 직접 높이고, 베타-아드레날린 수용체의 수를 증가시켜 기저 심박수와 수축력을 조절한다.

부정맥은 심장 박동의 리듬, 속도, 또는 전도 경로에 이상이 생겨 발생하는 상태이다. 그 기전은 크게 자동능 이상, 전도 장애, 그리고 이들의 복합적 작용으로 나눌 수 있다.

자동능 이상에 의한 부정맥은 심장의 자극전도계를 구성하는 동방결절이나 다른 부위의 세포가 정상적인 속도보다 빠르거나 느리게 자극을 발생시킬 때 일어난다. 예를 들어, 동방결절의 자동능이 증가하면 동성빈맥이, 감소하면 동성서맥이 발생한다. 또한, 정상적으로 자동능을 갖지 않는 심방이나 심실의 심근세포가 특정 조건에서 자극을 발생시키는 이소성 자동능이나, 하나의 자극이 순환하는 재진입 현상도 중요한 원인이다. 재진입은 전도 속도가 느려지거나 불응기의 차이가 생겨 전기적 자극이 일방향으로 순환 회로를 형성할 때 발생하며, 심방조동이나 심실빈맥 등의 원인이 된다.

전도 장애는 자극이 심장 내에서 정상적으로 전파되지 못할 때 생긴다. 방실결절이나 히스속 같은 전도계의 특정 부위에 전도차단이 발생하면, 자극이 지연되거나 완전히 차단되어 다양한 형태의 심장블록을 유발한다. 또한, 심근 내에 정상 전도 경로 외에 추가적인 전도로가 존재하는 부전도로는 자극이 짧은 경로를 통해 빠르게 전도되어 WPW 증후군과 같은 빈맥의 원인이 된다. 부정맥 발생에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.

이러한 기전들은 종종 단독으로보다는 복합적으로 작용하여 부정맥을 유발하거나 지속시킨다.

심부전은 심장이 신체의 대사 요구를 충족시키기에 충분한 혈액을 펌프질하지 못하는 상태를 말한다. 이 상태에서 심근은 구조적, 기능적, 분자적 수준에서 일련의 적응적 변화를 겪는데, 이를 총칭하여 심근 리모델링이라 부른다. 초기에는 이러한 변화가 심장의 펌프 기능을 유지하려는 보상 기전으로 작용하지만, 장기적으로는 심부전을 악화시키고 진행시키는 요인이 된다.

심근 리모델링의 가장 두드러진 구조적 변화는 심실의 확장과 비대이다. 압력 과부하(예: 고혈압)가 있을 경우 심실 벽이 두꺼워지는 심근 비대가 발생한다. 용적 과부하나 심근 손상 후에는 심실 내강이 확장되는 심실 확장이 일어난다. 이러한 기하학적 변화는 초기에는 심장의 박출량을 유지하는 데 도움이 되지만, 결국 심장의 효율성을 떨어뜨리고 심근의 산소 요구량을 증가시킨다. 세포 수준에서는 심근세포 자체가 길어지고 두꺼워지는 비대가 일어나며, 경우에 따라 심근세포의 세포자살이 증가하기도 한다.

분자적 및 생화학적 변화도 광범위하게 일어난다. 수축 단백질의 발현 패턴이 변하여 효율이 낮은 태아형 동종형으로 되돌아간다. 세포 내 칼슘 조절이 손상되어 수축과 이완이 둔화된다. 예를 들어, 세포질 망상체의 칼슘 재흡수 펌프인 SERCA2a의 기능이 저하되어 이완기 칼슘 농도가 정상보다 높게 유지된다. 또한, 교감신경계가 과도하게 활성화되고 레닌-안지오텐신-알도스테론 계통이 지속적으로 작동하여 심근에 독성을 미치고 섬유화를 촉진한다.

이러한 변화의 결과, 심근의 수축력(수축성)과 이완 능력이 점차 감소한다. 심장은 더 높은 전심실 충만압에 의존하게 되어 폐울혈이나 전신울혈과 같은 심부전의 임상 증상이 나타난다. 결국, 심근 리모델링은 진행성 심기능 장애와 부정맥 발생 위험 증가를 초래하는 악순환을 만들어낸다. 현대 심부전 치료의 한 축은 바로 이러한 심근 리모델링 과정을 억제하거나 역전시키는 데 있다.