생명과학 ① 4-5. 호흡 – 이산화탄소의 기체교환

▎생명과학 ① 4-5. 호흡 – 이산화탄소의 기체교환

 

 

◈ 호흡운동과 기체 교환

 

1. 이산화탄소의 기체교환
아래 그림 (가)와 같이 조직세포는 양분과 산소를 이용하여 ATP와 이산화탄소(CO₂), 물(H₂O)을 생성한다. 그 중 이산화탄소(CO₂)는 우리 몸에서 보면 일종의 노폐물이다. 이산화탄소가 많아지면 우리 몸은 산성화 된다. 즉, 가 낮아지게 된다. 는 수소이온(H⁺)와 관계가 있는데 수소이온(H⁺)의 농도가 많아지면 는 낮아지게 된다. 따라서 우리 몸 안에 수소이온(H⁺)이 많아지면 우리 몸은 산성화되어 조직세포들이 붓는 근육 경직현상이 일어나게 된다. 흔히 쥐가 났다고 표현한다. 근육경직은 혈관이 눌려서 조직에 산소를 제대로 공급해주지 못하고 노폐물인 이산화탄소가 몸 밖으로 나오지 못하기 때문에 일어나는 현상이다. 그렇기 때문에 이러한 이산화탄소가 조직세포에 많으면 분압에 의해 밀려나오게 되는데 이것을 ‘호흡운동’이라 한다.

 

 

 

조직세포에 있는 이산화탄소가 운반되는 형태는 세 가지고 나뉜다.

 

① 혈장의 직접적인 운반 (HCO⁻₃에 의한 운반) - 그림 (나)
조직세포에 이산화탄소의 농도가 높아지면 기체분압에 의한 확산에 의해 혈관으로 밀려들어와 혈장과 만나게 된다. 이때 이산화탄소(CO₂)는 90% 정도가 물(H₂O)로 되어 있는 혈장속의 물과 만나 탄산(H₂CO₃)를 형성한다.
>  CO₂ + H₂O ⟶ H₂CO₃
이 탄산은 다시 이온화되어 수소이온(H⁺)+탄산수소이온(HCO₃⁻)으로 된다.
>  H₂CO₃ ⟶ H⁺ + HCO₃⁻
그럼 수소이온(H⁺)의 농도가 점점 증가하게 되므로 혈장은 산성화되고 몸은 위험한 상태가 될 수 있다. 그래서 이러한 형태로 폐포까지 운반되는 이산화탄소의 양은 약 7%밖에 되지 않고 나머지 이산화탄소의 대부분은 적혈구 안으로 밀려들어간다.

 

 

② 적혈구 운반 (HbCO₂에 의한 운반) - 그림 (다)
적혈구 속에는 철을 포함한 다량의 헤모글로빈(Hb)이 있고, 헤모글로빈 1분자는 4개의 산소와 결합할 수 있다. 폐포에서 결합하여 헤모글로빈에 의해 운반된 산소는 적혈구내의 분압이 높기 때문에 적혈구에서 혈장으로 밀러나가게 되고, 이 산소는 상대적으로 분압이 낮은 조직세포로 확산되어 들어가게 된다. 이것을 ‘기체교환’이라고 한다.
> <적혈구> Hb + O₂ ⟶ HbO₂ ⇨ <혈장> HbO₂ ⟶ Hb + O₂ ⇨ <조직세포> O₂
그 뒤 산소가 해리된 후 산소와 결합되었던 헤모글로빈의 자리에 이산화탄소가 결합하게 되어 카바미노헤모글로빈(HbCO₂)이 된다.
> CO₂ + Hb ⟶ HbCO₂
이렇게 운반되는 이산화탄소의 양은 약 23%정도로 폐포까지 운반된다.

 

 

③ 혈장의 간접적인 운반 (NaHCO₃에 의한 운반) - 그림 (다)
적혈구 속에서 전체 이산화탄소 운반의 약 70%가 이루어지는데, 적혈구로 들어간 이산화탄소(CO₂)는 혈장에서 이루어지는 직접적인 반응과 같이 물(H₂O)과 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 만든다. 그런 다음 ‘탄산무수화 효소’에 의해 H⁺ + HCO₃⁻로 반응이 일어난다. 탄산무수화 효소라는 것은 탄산에서 물을 제거하는데 관여하는 효소로 혈장에서 일어나는 위의 반응보다 훨씬 더 빠르게 반응을 일어나게 한다.
> CO₂ + H₂O ⟶ H₂CO₃ : ⟶ 탄산무수화 효소 ⟶ : H⁺ + HCO⁻₃
여기서 생성된 탄산수소이온(HCO⁻₃)은 적혈구 밖으로 나와 나트륨이온(Na⁺)과 결합하여 탄산수소나트륨(NaHCO₃)이 된다. 이것은 혈액 내에서 완충제로 많이 사용되는 것으로 이러한 형태로 폐포까지 운반되어 몸 밖으로 배출되게 된다.
> HCO⁻₃ + Na⁺ ⟶ NaHCO₃

폐포까지 운반되는 이산화탄소의 형태를 보면 HCO⁻₃, HbCO₂, NaHCO₃, 가 된다. 이렇게 운반된 이산화탄소는 조직세포에서 보면 폐포는 이산화탄소 농도가 낮고 그와 접해있는 조직세포는 농도가 높으므로 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로의 확산에 의해 밀려나가게 되어 몸 밖으로 배출되는 것이다.

 

 

 

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