냉간충격반응

Cold shock response

냉충격반응은 차가운 물에 갑자기 잠기면서 발생하는 일련의 신경원성 심호흡 반응입니다.

얼음 사이로 떨어지는 것과 같은 차가운 물에 담그는 경우, 차가운 충격 반응이 아마도 가장 일반적인 사망 원인일 것입니다.[1]또한, 매우 차가운 물에 갑자기 접촉하면 무의식적인 흡입을 일으킬 수 있고, 만약 물 속에 있다면 치명적인 익사를 초래할 수 있습니다.

그러한 시나리오에서 발생하는 죽음은 조사하기에 복잡하고 참여할 수 있는 몇 가지 가능한 원인과 현상이 있습니다.차가운 물은 심장이 동맥을 통해 같은 양의 혈액을 공급하기 위해 더 열심히 일해야 하는 심각한 혈관 수축으로 인해 심장마비를 일으킬 수 있습니다.[2]기존에 심혈관 질환이 있는 사람의 경우 추가 작업량으로 인해 심근경색 및/또는 급성 심부전이 발생할 수 있으며, 이는 결국 심정지로 이어질 수 있습니다.이것과 같은 극단적인 자극에 대한 질 반응은 매우 드문 경우에 심정지를 일으킬 수 있습니다.저체온증과 극심한 스트레스는 치명적인 빈맥증을 유발할 수 있습니다.좀 더 현대적인 견해는 자율적인 갈등이 - 스트레스로 인한)과 부교감성 (잠수 반사로 인한) 협력이 - 일부 차가운 물에 잠기는 죽음에 책임이 있을 수 있다는 것을 암시합니다.호흡 반사와 걷잡을 수 없는 빈맥은 물 흡입과 익사의 위험을 심각하게 증가시킬 수 있습니다.[3]

어떤 사람들은 신체적, 정신적 특성과 컨디션 조절로 인해 갑자기 차가운 물에 노출되는 상황에서 살아남기 위해 훨씬 더 잘 준비되어 있습니다.[1]사실, 차가운 물 수영 (얼음 수영 또는 겨울 수영으로도 알려져 있는)은 스포츠이고 정기적으로 할 때 여러 가지 건강상의 이점으로 이어질 수 있다고 알려진 활동입니다.[4]

생리반응

냉수몰입증후군 — 4단계 모델

냉수에 갑자기 몰입하는 것에 대한 생리적 반응은 세 단계 또는 네 단계로 구분될 수 있으며, 다양한 위험과 생리적 변화를 가지고 있으며, 모두 냉수 몰입 증후군이라고 불리는 개체의 일부입니다.이 과정이 연속체임에도 불구하고, 4단계는 1980년대에 다음과 같이 처음 기술되었습니다.[3][4]

단계 시간을 생리학적 변화
초기(콜드쇼크) 처음 2~3분 피부 냉각, 과호흡, 빈맥, 호흡 반사
단기 3분후 표재성 신경근 냉각
장기 30분후 저체온증, 나중에 쓰러짐
원구붕괴(낙하후) 구조 직전, 구조 중 또는 구조 후에 심장동맥류, 지혈, 의식불명

냉수 침지 증후군의 첫 번째 단계인 냉수 충격 반응은 실험실 지원자들의 5분 미만의 반사를 포함하며 빠른 피부 냉각을 감지하는 체온 수용기에 의해 시작됩니다.물의 열전도율은 25배, 부피비열용량은 공기의 3,000배가 넘습니다. 그 결과 표면 냉각이 강합니다.냉충격 반사의 주요 구성 요소는 헐떡임, 빈맥, 호흡 유지 시간 감소, 말초 혈관 수축 등이며, 후자의 효과는 추정된 생리학적 원리를 강조합니다(즉, 중심 혈액 이동을 통한 온기 보존).저온 충격 반응의 크기는 피부 냉각 속도와 평행하며, 그 종료는 반사형 막대 수용체 반응 또는 온도 수용체 습관화로 인한 것일 가능성이 있습니다.

잠수 반사

포유류의 잠수 반사는 차가운 물에 잠긴 후 일어나는 일련의 적응 반사로 구성됩니다.잠수 반사의 생리적 목적은 잘 이해되어 있지 않지만, 반응이 가장 뚜렷하게 나타나는 잠수 포유류에서 명백한 특성인 산소 보존으로 추정됩니다.잠수 반사는 서맥 (심장 부교감 조절), 호기 무호흡 (호흡 조절 센터), 말초 혈관 수축 (혈관 운동 조절 센터), 부신 카테콜아민 방출 및 혈관 비장 수축을 포함합니다.[3]

심장 부정맥 및 자율성 충돌

냉수몰입증후군의 초기 모델들은 주로 동정적 반응에 초점을 맞추었지만, 최근의 연구는 동정적이고 부교감적인 협력 활성화(자율적 갈등)가 일부 냉수몰입 사망의 원인일 수 있다고 시사합니다.교감 시스템(콜드 쇼크)과 부교감 시스템(다이빙 반응) 사이의 상호 활성화는 일반적으로 적응적이지만 동시 활성화는 이소성 비트 또는 부정맥과 관련이 있는 것으로 보입니다.냉수로 인한 리듬 장애는 흔하지만, 증상이 없는 경우가 많습니다.대부분의 사람들은 머리를 밖으로 내미는 냉수 침지로 인해 교감적으로 구동되는 동빈맥과 가변적인 이소성 박동과 심실 또는 접합부 부정맥이 발생합니다.이러한 차가운 물에 잠기도록 유도된 동맥류는 얼굴의 물에 잠기거나 숨을 참으면서 발생하는 부교감 자극에 의해 특징지어지는 것으로 보입니다.고립된 냉수 안면 몰입으로 인한 질 지배적인 잠수 서맥도 심실성 부정맥이나 조기박리에 의해 자주 중단됩니다.이론적으로 심대한 부교감 지배로 인한 대실실봉쇄나 부비동정지는 실신이나 갑작스런 심장사를 초래할 수 있지만, 이러한 리듬은 호흡과 관련된 폐 스트레치 수용체 활성화에 의해 급격하게 역전되는 경향이 있습니다.이와 같이, 질적으로 생성된 체포 시나리오는 홍수 익사보다 갇힌 잠수 중에 발생할 가능성이 더 높습니다.[3][4]

냉충격에 대비한 컨디셔닝

냉충격반응을 줄이기 위해 생리적인 컨디션 조절을 하는 것이 가능하며, 어떤 사람들은 매우 차가운 물에서 수영하는 것이 자연스럽게 더 적합합니다.유익한 적응은 다음과 같습니다.

  1. 사지와 몸통을 덮는 체지방의 절연 층을 가질 것.[1]
  2. 무의식적인 신체적 충격이나 정신적 공황 없이 몰입을 경험할 수 있는 능력;[1]
  3. 떨림을 견딜 수 있는 능력,[1]
  4. 신진대사를 높이는 능력(그리고 경우에 따라서는 혈액 온도를 정상 수준보다 약간 높이는 능력);[citation needed]
  5. 중추 및 말초 체온이 떨어짐에 따라 대사 중단(무의식 상태로 미끄러지는 것 포함)을 일반적으로 지연시키는 것.[citation needed]

냉수 침지의 유익성 및 위해성

운동선수들은 근육 회복 속도를 높이고 격렬한 운동 후나 외상 후에 염증과 통증을 줄이기 위해 냉수 침지술을 자주 사용합니다.[5]

일반적인 빙상 수영은 다음과 같은 몇 가지 이점이 있다고 보고되고 있습니다.[4]

  • 심혈관계:혈압저하
  • 내분비계:중성지방 감소, 인슐린 감수성 증가, 노르에피네프린 감소, 코르티솔 증가
  • 정신과:항우울 효과
  • 면역체계:백혈구 증가, 단세포 증가, 감염 감소

차가운 물에서 수영을 하는 것은 경험이 부족하고 훈련되지 않은 수영선수들에게 여전히 상당한 건강상의 위험을 초래합니다.냉수 수영의 대사 및 열생성 효과를 충분히 활용하기 위해서는 등급 및 점진적인 적응 프로그램이 필요하며 가급적 감독 하에 수행하는 것이 좋습니다.

다른 생물체의 냉충격반응

포유류의 냉충격

콜드 쇼크는 여러 종에서 설명되었으며, 적어도 생리학의 일부는 다이빙 반사에서 설명된 것과 유사합니다.

세균내 냉충격

콜드 쇼크는 박테리아가 온도가 떨어지는 환경 때문에 온도가 크게 떨어질 때 발생합니다.저온 충격으로 구성하려면 온도 감소가 37°C에서 20°C로 감소하는 등 상당한 수준이어야 하며, 일반적으로 24시간 미만의 짧은 시간 동안 발생해야 합니다.[6]원핵세포와 진핵세포 모두 차가운 충격반응을 겪을 수 있습니다.[7]세균에 대한 냉충격의 영향은 다음과 같습니다.[8]

  • 세포막 유동성 저하
  • 효소활성 저하
  • 전사 및 번역의 효율성 저하
  • 단백질 접힘 효율 저하
  • 리보솜 기능 저하

이 박테리아는 세포 내에서 세포질 막, RNA/DNA, 리보솜을 차가운 센서로 사용하여 세포의 온도를 측정하는 역할을 담당합니다.[7]일단 이 센서들이 차가운 충격이 발생하고 있다는 신호를 보내면, 박테리아는 그것의 초점을 차가운 충격 단백질 (Csp)이라고 불리는 것으로 바꾸기 위해 단백질 합성의 대부분을 멈출 것입니다.[9]생성되는 차가운 충격 단백질의 양은 온도 감소의 심각성에 따라 달라집니다.[10]이러한 차가운 충격 단백질의 기능은 세포가 갑작스러운 온도 변화에 적응하는 것을 도와서 가능한 한 정상적인 수준의 기능을 유지하도록 하는 것입니다.[7]

차가운 충격 단백질이 기능한다고 생각되는 한 가지 방법은 핵산 샤페론의 역할을 하는 것입니다.이러한 콜드쇼크 단백질은 콜드쇼크 동안 mRNA에서 2차 구조의 형성을 차단하고 박테리아는 단 하나의 가닥 RNA만 남게 됩니다.[8] 단 하나의 가닥은 전사와 번역을 용이하게 하는 가장 효율적인 RNA 형태입니다.이는 냉간 충격으로 인한 전사 및 번역의 효율성 저하를 방지하는 데 도움이 될 것입니다.[10]차가운 충격 단백질은 또한 RNA의 헤어핀 구조 형성에 영향을 미쳐 형성되는 것을 막습니다.이러한 머리핀 구조의 기능은 RNA의 전사를 늦추거나 감소시키는 것입니다. 따라서 이를 제거함으로써 전사와 번역의 효율성을 높이는 데도 도움이 될 것입니다.[10]

온도 감소의 초기 충격이 처리되면 차가운 충격 단백질의 생성은 서서히 감소됩니다.[8]대신에, 세포가 이 새로운 낮은 온도에서 계속 성장하면서 다른 단백질들이 그 자리에서 합성됩니다.그러나, 이러한 박테리아 세포가 더 추운 온도에서 보이는 성장 속도는 종종 더 따뜻한 온도에서 보이는 성장 속도보다 더 낮습니다.[6]

냉충격에 대한 대장균의 전사반응

차가운 충격은 대장균 박테리아에 있는 수백개의 유전자의 억제를 야기합니다.이러한 유전자들 중 많은 수는 온도가 떨어진 후에 빠르게 억제되는 반면, 다른 유전자들은 이 사건이 일어난 후 몇 시간 후에만 영향을 받습니다.[11]억제 메커니즘은 에 설명되어 있습니다.[12]잠시 후, 냉간 충격 동안, 세포 에너지 수준은 감소합니다.이것은 DNA 자이라제가 전사 사건에 의해 생성된 긍정적인 수퍼코일을 제거하는 효율성을 방해하며, 그 축적은 결국 미래의 전사 사건을 막습니다.

냉간 충격 동안 억제된 많은 유전자들이 세포 대사에 관련되어 있습니다.이러한 유전자가 반응하는 메커니즘을 알면 유전자 변형 박테리아에서 잠재적으로 온도를 조절하여 차가운 충격에 대한 반응이 활성화되는 온도를 조절할 수 있습니다.이러한 수정은 생물반응기의 에너지 비용을 줄일 수 있습니다.[12]

참고 항목

  • 잠수반사 – 공기호흡 척추동물의 침지에 대한 생리적 반응
  • 저체온증 – 인체 코어 온도가 35.0°C(95.0°F) 미만임
  • 냉수 침지 – 액체 속 또는 액체 밑에서 발생하는 호흡 장애

참고문헌

  1. ^ a b c d e "Exercise in the Cold: Part II - A physiological trip through cold water exposure". The science of sport. www.sportsscientists.com. 29 January 2008. Retrieved 2010-04-23.
  2. ^ Staff. "4 Phases of Cold Water Immersion". Beyond Cold Water Bootcamp. Canadian Safe Boating Council. Archived from the original on 3 December 2013. Retrieved 8 November 2013.
  3. ^ a b c d Farstad, David J.; Dunn, Julie A. (September 2019). "Cold Water Immersion Syndrome and Whitewater Recreation Fatalities". Wilderness & Environmental Medicine. 30 (3): 321–327. doi:10.1016/j.wem.2019.03.005. ISSN 1545-1534. PMID 31178366. S2CID 182948780.
  4. ^ a b c d Knechtle, Beat; Waśkiewicz, Zbigniew; Sousa, Caio Victor; Hill, Lee; Nikolaidis, Pantelis T. (December 2020). "Cold Water Swimming—Benefits and Risks: A Narrative Review". International Journal of Environmental Research and Public Health. 17 (23): 8984. doi:10.3390/ijerph17238984. ISSN 1661-7827. PMC 7730683. PMID 33276648.
  5. ^ Tipton, M. J.; Collier, N.; Massey, H.; Corbett, J.; Harper, M. (2017-11-01). "Cold water immersion: kill or cure?: Cold water immersion: kill or cure?". Experimental Physiology. 102 (11): 1335–1355. doi:10.1113/EP086283. PMID 28833689.
  6. ^ a b Shires, K.; Steyn, L. (2001). "The cold-shock stress response in Mycobacterium smegmatis induces the expression of a histone-like protein". Molecular Microbiology. 39 (4): 994–1009. doi:10.1046/j.1365-2958.2001.02291.x. ISSN 1365-2958. PMID 11251819.
  7. ^ a b c 파드타레, S., 알시나, J., & Inouye, M. (1999)"콜드쇼크 반응과 콜드쇼크 단백질"미생물학에서의 현재 의견. 2(2), 175-180. Doi:10.1016/S1369-5274(99)80031-9
  8. ^ a b c Phadtare, Sangita (2004). "Recent developments in bacterial cold-shock response". Current Issues in Molecular Biology. 6 (2): 125–136. ISSN 1467-3037. PMID 15119823.
  9. ^ Di Pietro, Fabio; Brandi, Anna; Dzeladini, Nadire; Fabbretti, Attilio; Carzaniga, Thomas; Piersimoni, Lolita; Pon, Cynthia L; Giuliodori, Anna Maria (2013). "Role of the ribosome-associated protein PY in the cold-shock response of Escherichia coli". MicrobiologyOpen. 2 (2): 293–307. doi:10.1002/mbo3.68. ISSN 2045-8827. PMC 3633353. PMID 23420694.
  10. ^ a b c Keto-Timonen, Riikka; Hietala, Nina; Palonen, Eveliina; Hakakorpi, Anna; Lindström, Miia; Korkeala, Hannu (2016). "Cold Shock Proteins: A Minireview with Special Emphasis on Csp-family of Enteropathogenic Yersinia". Frontiers in Microbiology. 7: 1151. doi:10.3389/fmicb.2016.01151. ISSN 1664-302X. PMC 4956666. PMID 27499753.
  11. ^ Phadtare, Sangita; Inouye, Masayori (October 2004). "Genome-wide transcriptional analysis of the cold shock response in wild-type and cold-sensitive, quadruple-csp-deletion strains of Escherichia coli". Journal of Bacteriology. 186 (20): 7007–7014. doi:10.1128/JB.186.20.7007-7014.2004. ISSN 0021-9193. PMC 522181. PMID 15466053.
  12. ^ a b Dash, Suchintak; Palma, Cristina S D; Baptista, Ines S C; Almeida, Bilena L B; Bahrudeen, Mohamed N M; Chauhan, Vatsala; Jagadeesan, Rahul; Ribeiro, Andre S (2022-08-03). "Alteration of DNA supercoiling serves as a trigger of short-term cold shock repressed genes of E. coli". Nucleic Acids Research. 50 (15): 8512–8528. doi:10.1093/nar/gkac643. ISSN 0305-1048. PMC 9410904. PMID 35920318.

원천