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산소의 이동

산소는 혈장에 잘 용해되지 않으므로 2% 정도가 혈장을 통해 이동하고 나머지는 적혈구에 있는 헤모글로빈이라는 단백질에 결합되어 있다.

헤모글로빈은 헴(heme)이라 불리는 철을 함유한 고리 모양의 구조물 4개가 글로빈(globin)이라는 큰 단백질에 결합되어 있는 것이다. 철 1분자는 산소 1분자와 결합할 수 있으므로 헤모글로빈 1분자는 산소 4분자와 결합할 수 있다. 정상적인 인체의 혈액에는 혈액 1ml당 약 0.2ml의 산소를 운반하기에 충분한 헤모글로빈이 존재한다. 헤모글로빈에 결합된 산소의 양은 폐의 산소분압에 의해 영향을 받는다.

산소분압과 혈중산소의 양을 나타내는 산소해리곡선은 특징적인 S자 모양을 하고 있는데, 이것은 1분자의 산소가 1분자의 철과 결합하게 되면 산소와 결합하지 않은 다른 철의 산소결합능력이 증가하기 때문이다. 고도가 표준해면일 경우에 폐포의 산소분압은 헤모글로빈에 있는 모든 철에 산소가 결합할 수 있을 정도로 충분하다. 혈액으로 운반된 산소가 모두 조직의 세포로 이동하는 것은 아니며, 휴식시에 정맥혈에 존재하는 산소의 양은 동맥혈의 70~75%인 반면 격렬한 운동을 한 후에는 10~20%로 줄어든다.

헤모글로빈은 산소뿐만 아니라 수소 이온, 이산화탄소, 2,3-디포스포글리세르산염(2, 3-diphosphoglycerate/2,3-DPG) 등과도 결합한다. 특히 2,3-DPG는 말초혈액에서 헤모글로빈으로부터 산소를 분리시키는 역할을 한다. 이러한 물질들은 헤모글로빈에서 산소가 결합하는 부위에 결합하지는 않지만, 이 물질들이 헤모글로빈과 결합하면 산소와 헤모글로빈의 결합을 방해하는 역할을 한다. 따라서 수소 이온, 이산화탄소, 2,3-DPG의 농도가 증가하면 헤모글로빈의 산소에 대한 친화도를 감소시키며, 그결과 산소해리곡선은 오른쪽으로 이동하게 된다.

이렇게 산소와의 친화도가 감소하기 때문에 헤모글로빈이 충분한 양의 산소와 결합하기 위해서는 증가된 산소분압을 필요로 하게 된다. 산소해리곡선이 오른쪽으로 이동하는 것은 또한 심한 운동을 했을 경우 또는 빈혈의 경우 조직세포로의 산소이동을 용이하게 해주는 역할을 한다. 수소 이온, 이산화탄소, 2,3-DPG의 농도 감소는 헤모글로빈의 산소에 대한 친화도를 증가시켜 산소해리곡선은 왼쪽으로 이동하게 된다.

이러한 해리곡선의 이동으로 인해 낮은 산소분압에서도 산소와 헤모글로빈이 잘 결합하게 되므로 산소가 희박한 고지대에서는 대단히 중요하다. 온도도 해리곡선에 영향을 주어 온도가 상승하면 산소해리곡선을 오른쪽으로 이동시킨다. 그러나 사람의 체온은 거의 일정하므로 온도와 관련된 산소친화도의 변화는 생리적으로 중요하지 않다.

이산화탄소의 이동

혈중에서 이산화탄소의 이동은 매우 복잡하다.

이산화탄소의 약 5%는 화학식이 변하지 않은 형태로 혈중에 녹아 운반되고 나머지는 적혈구 또는 혈장에서 가역적인 화학변화를 일으킨다. 혈중 이산화탄소의 약 88%는 탄산수소염(HCO^―)의 형태로, 그리고 일부는 혈장단백질 특히 헤모글로빈과 결합하여 카르바민산염(carbamate)의 형태로 운반된다. 탄산수소염은 적혈구보다는 혈장 속에, 카르바민산염은 혈장보다는 적혈구에 보다 많이 분포한다.

혈액을 통해 운반되는 총이산화탄소량의 약 10% 만 폐를 통해 밖으로 배출된다. 이산화탄소는 조직세포에서의 분압이 그 주위를 순환하는 혈액 중 분압보다 크기 때문에 조직세포로부터 혈액 쪽으로 이동한다. 혈액으로 이동된 이산화탄소는 물과 결합하여 약산인 탄산염(H₂CO₃)이 된 후 이것은 다시 수소 이온과 탄산수소염으로 분해되는데, 헤모글로빈은 이때 해리된 수소 이온과 결합함으로써 혈액의 산성화를 억제시키는 완충작용을 한다.

이산화탄소에서 탄산으로의 전환은 자연상태에서는 매우 느리게 진행되나 탄산탈수효소에 의해 촉매될 경우에는 1초 이내에 일어나는 매우 빠른 반응이다. 탄산탈수효소는 적혈구에만 존재하므로 탄산수소염은 주로 적혈구 속에서 생성되는데, 이때 생성된 탄산수소염은 혈장 속의 염소 이온(Cl^－)과 교환되어 적혈구로부터 혈장으로 이동하게 된다.

따라서 이산화탄소의 26%는 적혈구에, 62%는 혈장에서 탄산수소염의 형태로 존재하고 있다. 헤모글로빈은 이산화탄소와 결합하여 카르바민산염을 형성함으로써 이산화탄소의 이동에 관여하는데, 헤모글로빈은 결합되어 있던 산소를 배출함으로써 분자모형에 변화를 일으켜 이산화탄소와의 결합을 촉진시키게 된다. 따라서 조직세포에서 헤모글로빈으로부터 산소가 배출되면 이산화탄소와 헤모글로빈과의 결합력을 증가시키고, 폐에서 헤모글로빈과 산소와의 결합은 이산화탄소의 배출을 일으킨다.

총이산화탄소의 5% 만이 그 분자형태가 변하지 않은(즉 유리이산화탄소) 형태로 운반되나 오직 유리이산화탄소의 형태로만 모든 생물학적 막을 통과할 수 있기 때문에 매우 중요한 부분이라 할 수 있다. 실제로 대사과정에서 생성된 모든 이산화탄소는 유리이산화탄소의 형태로 조직에서 혈액으로, 폐의 모세혈관으로부터 밖으로 배출되며 이 두 과정 사이에서 탄산수소염이나 카르바민산염의 형태로 이동하게 된다.

폐에서의 가스 교환

호흡은 기도를 통해 일어나는 주기적인 현상이므로 흡입된 공기가 모두 가스 교환에 참여하는 것은 아니고 일부분만이 가스 교환이 일어나는 폐포까지 도달하게 된다.

즉 휴식시에는 1회 호흡량의 약 1/3, 운동시에는 약 10%가 폐포까지 이르지 못하게 된다. 그러나 이러한 호흡의 주기적 특성과는 달리 폐에서의 혈액흐름은 연속적인 것이어서 폐에 도달한 모든 혈액은 가스 교환에 참여하게 된다. 폐에서 가스 교환의 효율성은 혈액의 흐름과 흡입된 공기가 폐의 전지역에 얼마나 균일하게 분포되는가에 따라 좌우된다.