혈액과 조직세포 사이의 가스교환

혈액과 조직세포 사이의 가스교환 (Internal Respiration, 내부 호흡)

혈액과 조직세포 사이의 가스교환은 조직 모세혈관과 조직세포 간의 확산(diffusion) 과정을 통해 이루어집니다.
이 과정에서 산소(O₂)는 혈액에서 조직세포로 이동하고, 이산화탄소(CO₂)는 조직세포에서 혈액으로 이동합니다.

가스교환의 주요 원리는 분압 차이(Partial Pressure Gradient)에 따른 확산이며, 이는 폐포에서 이루어지는 가스교환(External Respiration)과 유사합니다.

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1. 조직에서의 산소 교환 (O₂ 이동)

(1) 동맥혈 내 산소 분압 (PaO₂)

• 폐에서 산소를 받아온 동맥혈의 산소 분압(PaO₂)은 약 95 mmHg입니다.
• 산소는 대부분 헤모글로빈(Hb)에 결합된 상태(98%)로 운반되며, 일부는 혈장에 용해(2%)되어 있습니다.

(2) 조직세포 내 산소 분압 (PₜO₂)

• 조직세포는 대사 과정에서 산소를 지속적으로 소비하므로, 세포 내 산소 분압(PₜO₂)은 약 20~40 mmHg로 낮습니다.
• 산소는 고농도(95 mmHg) → 저농도(20~40 mmHg)로 확산되어 혈액에서 조직세포로 이동합니다.

(3) 미토콘드리아에서의 산소 이용

• 조직세포로 들어온 산소는 미토콘드리아(mitochondria)에서 산화적 인산화(Oxidative Phosphorylation) 과정에 사용됩니다.
• 이 과정에서 산소는 전자전달계(ETC)에서 최종 전자 수용체(terminal electron acceptor) 역할을 하며, ATP 합성에 관여합니다.
• 산소는 수소(H⁺)와 결합하여 물(H₂O)로 변환됩니다.

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2. 조직에서의 이산화탄소 교환 (CO₂ 이동)

(1) 조직세포 내 이산화탄소 분압 (PₜCO₂)

• 조직세포는 대사 과정(산화적 인산화, Kreb’s cycle 등)에서 이산화탄소를 지속적으로 생성합니다.
• 이로 인해 조직세포 내 CO₂ 분압(PₜCO₂)은 약 45~50 mmHg로 높습니다.

(2) 정맥혈 내 이산화탄소 분압 (PvCO₂)

• 조직으로 산소를 공급한 혈액(정맥혈)의 이산화탄소 분압(PvCO₂)은 약 40 mmHg로 낮습니다.
• 따라서 고농도(45~50 mmHg) → 저농도(40 mmHg)로 확산되어 이산화탄소가 조직에서 혈액으로 이동합니다.

(3) 혈액 내 CO₂ 운반 형태

이산화탄소는 세 가지 방식으로 혈액 내에서 운반됩니다.

1. 중탄산 이온(HCO₃⁻, 70%)
   • 적혈구 내 탄산무수화효소(Carbonic Anhydrase, CA)가 CO₂와 H₂O를 결합하여 탄산(H₂CO₃)을 형성
   • 탄산(H₂CO₃)은 빠르게 해리되어 중탄산 이온(HCO₃⁻)과 H⁺을 생성
   • 중탄산 이온(HCO₃⁻)은 혈장으로 방출되어 CO₂의 주요 운반 형태가 됨
   반응식:CO2+H2O→탄산무수화효소↔HCO3−​↔HCO3−​+H+
2. 카바미노헤모글로빈(Carbaminohemoglobin, HbCO₂, 23%)
   • CO₂는 적혈구 내 헤모글로빈의 아미노기(-NH₂)와 결합하여 HbCO₂ 형태로 운반됨
   • 조직에서 산소를 방출한 헤모글로빈은 CO₂와 더 잘 결합함 (Haldane Effect)
3. 물리적으로 용해된 형태(7%)
   • 일부 CO₂는 혈장에서 직접 용해된 상태로 운반됨

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3. 혈액 내 가스교환을 조절하는 요인

(1) 산소-헤모글로빈 해리 곡선 (Oxygen-Hemoglobin Dissociation Curve)

• 조직에서 산소가 더 잘 방출되도록 도와주는 요인들:
  • Bohr 효과(Bohr Effect): 혈액 내 CO₂ 증가 → H⁺ 증가 → pH 감소 → 산소 해리 촉진
  • 온도 상승: 대사 활성 증가 → 산소 소비 증가 → 산소 해리 촉진
  • 2,3-BPG 증가: 적혈구 내 2,3-비스포스포글리세레이트 증가 → 산소 해리 촉진

(2) Haldane 효과 (Haldane Effect)

• 조직에서 산소가 방출되면 헤모글로빈이 CO₂를 더 잘 결합하여 운반
• 폐에서 산소가 결합하면 CO₂가 방출되어 폐포로 배출

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4. 정리

• 산소(O₂)는 동맥혈(95 mmHg) → 조직세포(20~40 mmHg)로 확산
• 이산화탄소(CO₂)는 조직세포(45~50 mmHg) → 정맥혈(40 mmHg)로 확산
• CO₂는 중탄산 이온(HCO₃⁻, 70%), 카바미노헤모글로빈(HbCO₂, 23%), 용해 형태(7%)로 운반
• Bohr 효과와 Haldane 효과가 조직에서의 가스교환을 조절