헤모글로빈의 역할과 태아의 기체 교환

 

혈액 내 산소운반자, 헤모글로빈

모세혈관과 조직 세포 사이의 기체 교환은 확산에 의해 이루어집니다. 기체는 실제 압력의 차이에 따라 확산되는데 공기와 같은 혼합 기체에서 각각의 기체 압력에 따라 작용합니다. 기체 분자의 수가 많고 온도가 높을수록 압력이 높으며, 혼합 기체에서 각각의 기체가 차지하는 분압의 차이에 따라 각 기체 분자가 확산됩니다. 기체는 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하므로 산소가 풍부한 혈액에서 조직 세포로 산소가 이동합니다. 조직 세포는 세포 호흡으로 산소를 소모하여 산소 분압을 일정하게 유지합니다. 산소가 조직 세포로 들어가듯이 동시에 세포 호흡 결과 생성된 이산화탄소는 조직세포에서 모세혈관으로 분압차에 따라 확산됩니다.

 

혈액 중 산소의 대부분은 물에 잘 녹지 않고 적혈구의 헤모글로빈에 의해 이동됩니다. 헤모글로빈 분자는 두 종류의 폴리펩티드 사슬 4개로 구성되어 있습니다. 각 폴리펩티드는 중앙에 철 원자를 가지고 있는 heme분자가 결합되어 있습니다. 각 철 원자는 극히 일부만이 녹아서 하나의 산소분자와 결합하며 헤모글로빈 한 분자가 4 분자의 산소를 이동시키게 됩니다. 헤모글로빈은 허파에서 산소와 결합한 후, 혈류를 따라 온몸으로 이동하며 각 조직세포에 산소를 전달해 줍니다. 

 

이산화탄소 운반과 pH조절에 관여하는 헤모글로빈

헤모글로빈은 여러가지 기능을 갖는 분자로써 확산에 의해 산소를 운반하고 이산화탄소의 이동에도 관여하며 혈액의 완충작용을 도와 pH 변화를 방지합니다. 소량의 이산화탄소는 혈장에 녹아있으나 대부분은 적혈구로 들어가서 헤모글로빈과 결합합니다. 나머지는 물분자와 결합하여 탄산을 형성하는데, 탄산은 혈장보다 적혈구 내에서 더욱 잘 형성됩니다. 대부분의 중탄산 이온은 적혈구에서 혈장으로 확산되어 허파로 전달됩니다. 중탄산 이온과 헤모글로빈에서 해리된 수소 이온이 결합하여 탄산이 되며, 탄산은 다시 이산화탄소와 물로 전환되고 이산화탄소는 혈액으로부터 허파꽈리로 확산되어 숨을 내쉬는 과정을 통해 몸 밖으로 나가게 됩니다.

 

우리 몸은 대사 결과로 생긴 이산화탄소를 몸 밖으로 내보내기 전에 중탄산 이온으로 전환시킴으로써 혈액의 완충에 중요한 역할을 합니다. 만약 혈장의 pH가 감소하면, 중탄산 이온은 탄산으로 전환되어 혈장 내의 수소이온 농도를 감소시키는 작용을 하며 반대로 pH가 증가하면 탄산은 해리되어 수소 이온을 혈액으로 돌려보내게 됩니다. 

 

모체의 혈류를 통해 이루어지는 태아의 기체교환

태아는 양수 속에서 수영을 하고 있으며 이때 허파는 물로 차 있어서 기능을 하지 못하는 상태입니다. 그렇다면 태아는 어떻게 자궁 속에서 외부와 기체 교환을 할까요?

 

정답은 바로 태아와 모체의 조직으로 구성된 태반을 통해 기체 교환을 한다는 것입니다. 태반은 태아와 모체로부터 조직으로 만들어져 있습니다. 태아의 탯줄의 혈관으로부터 태반으로 모세혈관 망이 펼쳐져 있으며 이 모세혈관으로 태반을 순환하는 모체의 혈액과 기체 교환을 하고 모체의 순환계를 이용하여 모체의 허파로 기체를 전달합니다. 태아의 헤모글로빈은 모체의 헤모글로빈보다 산소에 대한 친화력이 크므로 태아에서의 산소 유입이 용이합니다. 

 

태아가 출생하면 어떤 일이 일어날까요? 갑자기 태반을 통한 기체 교환이 중지되고 신생아의 허파가 작동을 시작해야 합니다. 신생아의 혈액 내에 있는 이산화탄소가 신호로 작용하는데 태아로부터 태반으로의 이산화탄소가 신호로 작용하는데, 태아로부터 태반으로의 이산화탄소 확산이 멈추자마자 신생아 혈액 내의 이산화탄소가 증가되어 pH가 감소되면 신생아 뇌의 호흡조절 중추가 자극됨에 따라 최초의 호흡이 시작됩니다. 

 

사람이 태어나면서 경험하게 되는 급격한 기체 교환 방법의 변화는 매우 이례적인 사건입니다 이것은 수백만 년에 걸친 진화적인 적응의 결과로 맨머리 거위가 먼 거리를 날 수 있는 뛰어난 비행 실력을 갖게 된 것과 같은 이야기입니다. 거위가 산소가 희박한 높은 하늘에서의 비행에 적응한 것과 태아가 물속에 살면서 모체의 혈액을 이용해 기체 교환 하다가 갑자기 공기를 직접 호흡할 수 있는 것은 모두 기관의 호흡계에 급격한 적응을 요구하는 일입니다. 그리고 기체 교환 기능으로 호흡계를 보조해주는 순환계의 적응도 동시에 일어나야 합니다.