혈액 중의 가스운반과 호흡의 조절

혈액 중의 가스운반

허파에서 가스교환으로 혈액 중으로 이동된 산소는 혈액에 의해 조직으로 운반되고, 조직에서 생성된 이산화탄소는 혈액에 의해 허파꽈리 내로 운반되어 공기 중으로 배출된다.

 

혈액 중의 산소운반

혈액 내에서 산소의 운반은 주로 적혈구 내의 헤모글로빈과 결합된 상태로 99%가 운반되고 1%만이 물리적으로 용해된 상태로 운반된다.

용해된 상태로 운반되는 산소

혈액 중에서 산소용해는 산소분압에 비례하며 산소분압이 100mmHg일 때의 용해 산소량은 혈장 100ml당 0.3ml이다.

헤모글로빈에 의한 산소운반

1개의 헤모글로빈은 4개의 산소분자와 결합하며, 산소와 결합되어 있는 헤모글로빈을 산화 헤모글로빈(oxyhemoglobin)이라고 하고 산소와 결합되어 있지 않은 헤모글로빈을 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)이라고 한다.
산소해리곡선은 온도 상승, 허파꽈리공기의 이산화탄소 분압 증가, pH 감소, DPG의 농도가 증가하면 해리곡선이 오른쪽으로 이동하여 산소해리가 촉진되고, 온도 하강, 허파꽈리공기의 이산화탄소 분압 감소, pH 상승, DPG의 농도가 감소하면 해리곡선을 왼쪽으로 이동시킨다.

일산화탄소 중독

일산화탄소는 헤모글로빈에 대해 산소보다 200배 이상이나 강한 친화성을 가지고 있어 대부분의 헤모글로빈이 일산화탄소와 결합하므로 산소는 헤모글로빈과 결합할 수 없게 되고, 조직에 산소를 공급할 수 없게 되어 생명이 위험해진다. 특히 중추신경, 심장근육 등 산소 소비가 많은 기관에 영양이 가장 크다.
 

혈액 중의 이산화탄소의 운반

이산화탄소는 혈액에서 세 가지 형태로 운반되는데 70%의 이산화탄소는 중탄산이온의 형태로, 25%는 Carbamino 화합물의 형태로, 5%는 물리적 용해 이산화탄소로 운반된다.

물리적 용해에 의한 운반

혈액에 물리적으로 용해되어 운반되는 양은 소량이다.

중탄산이온(HCO3) 형태로 운반

혈액 중으로 들어온 이산화탄소는 물과 결합하여 탄산(H2CO3)이 된다. 탄산이 포화상태가 되면 탄산은 수소이온(H)과 중탄산이온(HCO3)으로 해리되어, 중탄산이온의 형태로 총 이산화탄소의 70%가 운반된다.
CO2(이산화탄소)+H2O(물) ↔ H2CO3(탄산) ↔ H(수소) + HCO3(중탄산이온)

Carbamino 형태로 운반

헤모글로빈이나 혈장단백질의 아미노기(-NH2)는 이산화탄소와 결합하여 Carbamino 이산화탄소를 형성한다.
HbNH2+CO2 → HbNHCOO+H
protein-NH2+CO2 → protein-NHCOO+H
 

호흡의 조절

호흡운동은 언제나 일정치 않고 활동에 맞추어 호흡을 조절해야 한다. 산소의 요구량이 많을 때에는 호흡의 빈도와 깊이가 증가하여 허파환기량(폐환기량)이 많아지고, 산소의 요구량이 작을 때에는 허파환기량이 감소하는 것을 볼 수 있으며, 이와 같은 현상을 호흡조절이라고 한다.

호흡조절의 기전은 뇌의 호흡중추의 활동을 통하여 율동적이고 규칙적인 환기가 되게하는 신경성 조절과 순환혈액 및 체액의 화학적 조성의 변화를 통해서 신경성 조절을 보완하는 화학적 조절이 있다.

 

신경성 조절(Neural control)

호흡중추는 숨뇌(연수)와 다리뇌(뇌교)에 있다. 숨뇌에 있는 호흡중추는 들숨중추(흡식중추)와 날숨중추(호식중추)로 되어 있고, 들숨중추는 들숨근육(흡식근)을 지배하는 운동뉴런에 흥분성을 보내는 들숨뉴런의 무리이고, 날숨중추는 날숨근육(호식근)을 지배하는 운동뉴런에 흥분성을 보내는 날숨뉴런의 무리로서 이 두 중추는 서로 대항적(길항적)으로 작용한다. 다리뇌에도 지속성 들숨중추(지속성 흡식중추)와 날숨조절 중추(호식조절 중추)의 두 개의 호흡조절 중추가 있다. 지속성 들숨중추는 다리뇌의 하부 2/3에 위치하고 지속적인 들숨운동을 일으키고, 날숨조절 중추는 다리뇌의 상부 1/3에 위치하고 날숨운동을 조절한다. 들숨이 진행하여 허파가 확장되면 허파의 폄 수용기(신전 수용기)가 흥분되어 들신경(구심신경)인 미주신경에 의해 들숨중추(흡식중추)에 전달되어 들숨중추를 억제하여 날숨이 나타나게 하는 반사를 Hering-Breuer 반사라 한다.

 

화학적 조절(Chemical control)

혈액 내에 있는 PO2, PCO2, H(pH) 등의 변동에 의하여 호흡의 주기성이 조절되는 것을 화학적 조절이라 하고, 이때 혈액 내의 화학적 환경변화 상태를 알아낼 수 있는 장치를 화학수용기라 하며, 중추 화학수용기와 말초 화학수용기가 있다.

중추 화학수용기

중추 화학수용기는 숨뇌의 배쪽면 가쪽(복측면 외측) 표면에 있으며 이산화탄소 또는 수소에 예민하게 반응하는 화학수용기이다.
호흡은 이산화탄소 분압과 수소 농도에 비교적 예민하다. 혈액 내 이산화탄소의 농도가 높아지면 탄산이 많아지고, 그중 이산화탄소는 빠른 속도로 혈액을 통해 뇌척수액에 들어가므로 수소와 중산탄이온으로 해리되면 뇌척수액 수소 농도가 높아져 중추 화학수용기에 영향을 미쳐 호흡중추가 흥분하면서 호흡이 촉진된다. 수소 농도의 증가는 환기를 촉진하고 수소 농도의 감소는 환기를 억제한다. 호흡에 대한 이산화탄소의 영향은 이산화탄소가 뇌척수액에 들어가 수소 농도를 상승시켜 숨뇌의 중추 화학수용기를 자극하는 데 기인한다.
한편, 정상상태에서는 산소분압이 화학수용기를 흥분시킬 만큼 감소하는 일이 없으나 위급한 저산소증 시에는 볼 수 있다.

말초 화학수용기

말초 화학수용기는 온목동맥(총경동맥)의 분지부에 있는 목동맥토리(경동맥소체)와 대동맥활(대동맥궁)에 있는 대동맥토리(대동맥소체)이다. 동맥혈액의 산소분압 감소, pH 감소, 이산화탄소 분압 증가 시에 말초 화학수용기가 자극을 받아 호흡중추의 흥분성을 높여 호흡이 촉진된다.