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생명과학 ① 4-4. 호흡 - 기체의 운반, 산소해리곡선, 헤모글로빈
▎생명과학 ① 4-4. 호흡 - 기체의 운반, 산소해리곡선, 헤모글로빈
◈ 호흡운동과 기체 교환
1. 기체의 운반
① 호흡
생물이 탄수화물, 지방, 단백질과 같은 유기물을 산화 또는 분해하여 생명 활동에 필요한 에너지를 획득하는 과정을 호흡이라고 한다. 그러나 흔히 우리가 말하는 호흡은 폐나 아가미 등의 호흡 기관이 외부로부터 산소를 받아들이고 체내로부터 발생하는 이산화탄소를 방출하는 작용을 말한다. 호흡에는 폐 속으로 공기가 이동하는 것, 폐에서 혈액으로 산소는 건네주는 것, 혈액에 의하여 온몸의 조직 세포로 산소를 운반하는 것, 조직 세포에서 산소가 소비되고 이산화탄소가 생성되는 것(세포호흡), 혈액에 의하여 이산화탄소를 폐로 운반하는 것, 혈액으로부터 폐로 이산화탄소를 건네주는 것, 폐에서 체외로 공기는 내보내는 것 등이 모두 포함된다.
② 산소의 운반
폐에서 혈액으로 확산되어 들어온 산소는 대부분 적혈구 속의 헤모글로빈(Hb)에 결합되어 운반되며 극히 일부만 혈장에 녹는다. 즉, 혈장 100mL에 산소 100mL를 주입하면 0.3mL 정도만 용해되지만, 혈액 100mL에 산소 100mL를 주입하면 20mL가 용해된다. 이와 같이 혈장과 혈액에서 산소의 용해도가 차이가 나는 것은 산소가 적혈구 속에 들어 있는 혈색소인 헤모글로빈과 결합하여 운반되기 때문이다.
ⓐ 헤모글로빈(hemoglobin)
헤모글로빈은 적혈구 속에 든 색소 단백질로, 산소와 이산화탄소를 운반하는 호흡 색소로 작용한다. 헤모글로빈은 4개의 *글로빈 단백질(α₁, α₂, β₁, β₂)에 각각 1개씩의 *헴(heme) 색소가 결합된 복합 단백질이다. 헴은 중심에 철(Fe)을 함유한 화합물로 이 철이 직접 산소 분자와 결합한다. 따라서 1 분자의 헤모글로빈은 최대 4 분자까지의 산소 분자를 운반할 수 있다.
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‣ 글로빈 : 헴과 결합하여 헤모글로빈 등의 헴단백질을 구성하는 구형 단백질. |
ⓑ 헤모글로빈과 산소의 운반
헤모글로빈은 산소의 분압이 높은 폐에서는 산소와 쉽게 결합하여 산소 헤모글로빈이 되고, 산소 분압이 낮은 조직에서는 산소와 쉽게 해리하여 다시 헤모글로빈이 된다. 혈액 내의 모든 헤모글로빈이 산소 헤모글로빈으로 바뀌는 상태를 ‘포화’라 하고, 산소 헤모글로빈에서 헤모글로빈으로 돌아가는 것을 ‘해리’라 한다. 헤모글로빈과 산소 사이의 이러한 *가역반응을 통해 헤모글로빈은 폐포의 산소를 조직 세포로 운반하게 된다.
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‣ 가역(可逆) : 물질의 상태가 바뀐 다음 다시 원래의 상태로 돌아갈 수 있는 반응 |
> 산소 + 헤모글로빈 = 산소 헤모글로빈
> 포화 : 헤모글로빈 ⇨ 산소 헤모글로빈
> 해리 : 산소 헤모글로빈 ⇨ 헤모글로빈
> 해리(분리) Hb + 4O₂ ⇌ Hb(O₂)₄ 포화(결합)
③ 산소 해리 곡선
산 *분압의 변화에 따라 몇 %의 헤모글로빈이 산소와 결합하여 산소 헤모글로빈으로 되는가를 나타낸 그래프를 산소 해리 곡선이라고 한다. 산소 해리 곡선은 S자형을 하고 있는데, 이는 조직에서와 같이 산소 분압이 낮은 조건에서는 산소 분압이 조금만 변해도 산소 헤모글로빈이 쉽게 생성되거나 해리된다는 것을 의미한다. 뿐만 아니라 헤모글로빈의 해리도는 이산화탄소 분압이 높을수록, pH가 낮을수록, 온도가 높을수록 증가한다. 따라서 조직에서는 보다 많은 산소를 산소 헤모글로빈으로부터 해리시키게 된다.
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‣ 분압(分壓) : 몇 가지의 기체가 혼합되어 있을 때 그 성분 기체가 단독으로 전체 용적을 차지했다고 가정할 경우에 나타내는 압력. |
> 헤모글로빈의 해리 증가 요인
이산화탄소의 분압 ⇧, pH ⇩, 온도 ⇧
> 헤모글로빈의 포화 증가 요인
이산화탄소의 분압 ⇩, pH ⇧, 온도 ⇩
④ 이산화탄소의 운반
조직세포가 생활에 필요한 에너지를 얻기 위해 영양소를 분해하는 세포 호흡의 과정에서 생성되는 이산화탄소는 혈액에 의해 폐까지 운반되어 몸 밖으로 배출된다.
ⓐ 조직 세포에서 생성된 이산화탄소는 혈장 속으로 확산되어 들어간다.
ⓑ 그 중 5% 정도의 이산화탄소는 혈장에 용해된 상태로 직접 운반된다.
ⓒ 그러나 이산화탄소의 대부분은 적혈구 속으로 들어간다.
ⓓ 그중 20%정도는 헤모글로빈과 결합된 카바미노헤모글로빈(HbCO₂) 상태로 운반되고, 나머지 75% 정도는 적혈구 속의 탄산무수화 효소의 작용에 의해 탄산(H₂CO₃)이 된다.
ⓔ 이 탄산은 곧 수소 이온(H⁺)과 탄산수소 이온(HCO⁻₃)으로 해리된다.
ⓕ 해리된 탄산수소 이온은 대부분 적혈구에서 혈장으로 나와 탄산수소 이온 상태로 운반되거나, 나트륨이온(Na⁺)과 결합하여 탄산수소나트륨(NaHCO₃)의 상태로 폐까지 운반된다.
ⓖ 한편 수소 이온은 적혈구의 헤모글로빈과 결합한 상태로 폐까지 운반된다.
ⓗ 탄산수소 이온, 탄산수소나트륨, 카바미노헤모글로빈은 폐로 운반된 후, 조직에서와 반대방향으로 반응이 진행되어 이산화탄소를 생성한 다음 몸 밖으로 배출된다.
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혈액에 의한 이산화탄소의 운반 순서 |
① 조직세포에서 발생한 이산화탄소는 혈장 속으로 분압차에 의해 확산되어 들어간다.
② 소수의 이산화탄소(5%)는 혈장에 녹아 직접 운반된다.
③ 대부분의 이산화탄소는 적혈구로 확산되어 들어간다. 그 중 일부(20%)의
이산화탄소(CO₂)는 헤모글로빈에 결합하여 카바미노헤모글로빈(HbCO₂)이 된다.
④ 적혈구에서 이산화탄소 물과 합쳐져 탄산무수화 효소에 의해 탄산(H₂CO₃)이 된다.
⑤ 탄산은 탄산수소 이온(HCO⁻₃)으로 전환되면서 혈장으로 해리되어 나온다.
⑥ 일부의 탄산수소 이온은 나트륨 이온(Na⁺)과 결합하여 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 된다.
⑦ 폐포 쪽에서는 이 과정이 반대로 일어난다. 탄산수소 이온은 적혈구로 들어가 탄산을 거쳐 탄산무수화 효소에 의해 이산화탄소가 되어 혈장으로 나온다.
⑧ 적혈구에서 혈장으로 나온 이산화탄소는 폐포로 분압차에 의해 확산되어 나간 다음 체외로 배출된다.
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