폐포와 혈액 사이의 가스교환

폐포와 혈액 사이의 가스교환은 폐포-모세혈관 막을 통한 확산(diffusion) 과정으로 이루어집니다. 이 과정은 주로 산소(O₂)와 이산화탄소(CO₂)의 교환을 포함하며, 기체의 분압 차이(Partial Pressure Gradient)가 중요한 역할을 합니다.

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1. 가스교환의 기본 원리: 확산

가스교환은 Fick의 확산 법칙(Fick’s Law of Diffusion)에 따라 이루어집니다.
이 법칙에 따르면, 확산 속도는 다음 요소에 의해 결정됩니다.

• 분압 차이(ΔP, Partial Pressure Gradient): 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동
• 막의 표면적(A, Surface Area): 넓을수록 확산 증가
• 막의 두께(T, Thickness): 얇을수록 확산 증가
• 확산 계수(D, Diffusion Coefficient): 기체의 물리적 특성에 따라 결정됨

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2. 산소(O₂)의 교환 과정

(1) 폐포 내 산소 분압 (PAO₂)

• 흡기 시 공기 중 산소가 폐포로 들어오며, 폐포 내 산소 분압은 약 100 mmHg입니다.
• 폐포 벽과 모세혈관 벽은 매우 얇아 산소가 쉽게 확산됩니다.

(2) 모세혈관 내 산소 분압 (PaO₂)

• 정맥혈에서 폐포로 유입된 혈액의 산소 분압은 약 40 mmHg로 낮습니다.
• 이 분압 차이(100 mmHg - 40 mmHg = 60 mmHg) 때문에 산소는 폐포에서 모세혈관으로 확산됩니다.

(3) 헤모글로빈과 결합

• 확산된 산소는 적혈구 내 헤모글로빈(Hb)과 결합하여 산화헤모글로빈(HbO₂)을 형성합니다.
• 약 98%의 산소가 헤모글로빈에 의해 운반되며, 나머지 2%는 혈장에 용해됩니다.

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3. 이산화탄소(CO₂)의 교환 과정

(1) 모세혈관 내 이산화탄소 분압 (PvCO₂)

• 조직에서 온 혈액은 대사 과정에서 생성된 이산화탄소를 포함하며, 정맥혈의 CO₂ 분압은 약 45 mmHg입니다.

(2) 폐포 내 이산화탄소 분압 (PACO₂)

• 폐포 내 CO₂ 분압은 약 40 mmHg로 낮습니다.
• 이 분압 차이(45 mmHg - 40 mmHg = 5 mmHg)에 의해 CO₂는 모세혈관에서 폐포로 확산됩니다.

(3) 이산화탄소의 운반 형태

• 혈액 내 CO₂는 세 가지 형태로 존재합니다.
  1. 중탄산 이온(HCO₃⁻, 70%): 적혈구 내 탄산무수화효소(Carbonic Anhydrase, CA)에 의해 HCO₃⁻로 변환
  2. 카바미노화합물(카바미노헤모글로빈, 23%): 헤모글로빈과 결합
  3. 물리적으로 용해된 형태(7%): 혈장에 직접 용해됨
• 폐에서 CO₂가 빠져나가면 탄산무수화효소가 다시 작용하여 HCO₃⁻가 CO₂로 전환되고 폐포로 확산됩니다.

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4. 폐포-모세혈관 장벽의 구조적 특징

가스교환이 원활하게 이루어지는 이유는 폐포-모세혈관 장벽(alveolar-capillary barrier)의 구조적 특성 때문입니다.

• 폐포 상피(제1형 폐포세포, Type I pneumocyte)
• 기저막(Basement membrane)
• 모세혈관 내피세포(Capillary endothelium)

이 장벽은 약 0.5 μm로 매우 얇아 확산이 빠르게 일어납니다.

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5. 가스교환에 영향을 미치는 요인

가스교환이 원활하게 이루어지기 위해서는 여러 조건이 충족되어야 합니다.

1. 폐포 환기(alveolar ventilation)
   • 충분한 공기가 폐포로 유입되어야 합니다.
   • 환기-관류 비(V/Q 비율)가 적절해야 합니다.
2. 폐포-모세혈관 장벽의 정상적인 기능
   • 폐렴, 폐부종, 섬유화 등이 발생하면 가스교환이 저해될 수 있습니다.
3. 헤모글로빈의 산소 운반 능력
   • 빈혈이나 일산화탄소(CO) 중독 시 산소 운반이 저해됩니다.
4. 산소 분압의 유지
   • 고지대(저산소 환경)에서는 폐포 내 산소 분압이 감소하여 가스교환이 저해될 수 있습니다.

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6. 정리

• 산소는 폐포(100 mmHg) → 모세혈관(40 mmHg)으로 확산됩니다.
• 이산화탄소는 모세혈관(45 mmHg) → 폐포(40 mmHg)로 확산됩니다.
• 가스교환은 주로 분압 차이와 확산 거리에 의해 결정됩니다.
• 폐포-모세혈관 장벽이 얇고 넓은 면적을 가지므로 확산이 용이합니다.
• 탄산무수화효소는 CO₂의 변환을 촉진하여 가스교환을 원활하게 합니다.