호흡생리②_기체 교환

01. 기체교환 (Gas Exchange)

기체교환은 폐포와 폐모세혈관 사이에서 이루어지는 산소와 이산화탄소의 확산 현상이다. 이는 단순한 농도차에 따른 수동 확산이지만, 그 효율성과 안정성은 폐 구조와 혈류의 정교한 조율에 의해 보장된다.

1) 폐포-모세혈관 간 확산

• 산소 이동: 폐포 내 산소 분압(PAO2)은 약 100 mmHg, 폐모세혈관 내 혼합정맥혈의 산소 분압은 약 40 mmHg로, 이 차이로 인해 산소가 혈액으로 이동한다.
• 이산화탄소 이동: 혈액 내 CO2 분압(PvCO2)은 약 46 mmHg, 폐포 내는 약 40 mmHg → CO2가 폐포로 확산되어 호기로 배출됨.

2) 확산에 영향을 주는 요소

• 기체 분압 차이: 분압 구배가 클수록 확산 속도 증가
• 폐포 표면적: 총 약 70~100㎡의 면적 제공
• 폐포막 두께: 정상은 약 0.2~0.6 μm, 폐부종이나 섬유화 시 두꺼워져 확산 저하
• 혈류 통과 시간: 적혈구는 폐모세혈관에서 약 0.75초 머무르며, 확산은 0.25초면 완료 가능 → 여유 있는 확산 가능

3) 환기-관류(V/Q) 비율

• 정상 V/Q: 평균 0.8 (환기량 대비 관류량)
• V/Q 불균형 예시:
  • 기도 폐쇄 → V↓, Q 정상 → 저산소혈증 유발
  • 폐색전증 → V 정상, Q↓ → 폐포 죽은 공간 증가
• 보상기전: 혈관수축 또는 기관지 확장을 통해 V/Q 재조정 시도

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02. 혈액의 산소 운반 (Oxygen Transport in Blood)

산소는 혈액 내에서 두 가지 형태로 운반되며, 이 중 대부분은 헤모글로빈과 결합한 상태로 존재한다.

1) 용해형 산소 (Dissolved O2)

• 약 1.5%만이 혈장에 물리적으로 용해
• 헨리의 법칙: 용해량 = 분압 × 용해계수
• PaO2는 이 용해형 산소의 농도를 반영

2) 결합형 산소 (Oxyhemoglobin)

• 대부분의 산소(약 98.5%)는 적혈구 내 Hb에 결합
• Hb 1g당 최대 1.34mL의 산소 결합 가능
• 산소포화도(SaO2): Hb의 산소 결합 비율 (% 단위)
• 산소함량(CaO2): (1.34 × Hb × SaO2) + (0.003 × PaO2)
  • 정상: 약 20mL O2/100mL 혈액

3) 산소해리곡선 (Oxyhemoglobin Dissociation Curve)

• S자형 곡선: 조직에서 산소 방출과 폐에서 결합에 최적화
• 우측 이동 요인 (산소 방출 촉진):
  • 산증(pH↓), CO2↑, 온도↑, 2,3-BPG↑
  • 격렬한 운동 시 조직 산소 공급 증가
• 좌측 이동 요인 (산소 결합 유지):
  • 알칼리증(pH↑), CO2↓, 온도↓, HbF 존재
  • 태아 혈액, 폐에서의 산소 결합 강화

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03. 혈액의 이산화탄소 운반 (Carbon Dioxide Transport in Blood)

CO2는 산소보다 수용성이 높고, 혈액에서 세 가지 주요 형태로 운반된다.

1) 용해형 CO2

• 혈장에 직접 용해된 형태 (약 5~10%)
• 이 형태가 PaCO2 측정의 근거가 됨

2) 중탄산염(HCO3-) 형태

• 가장 주요한 운반 형태 (약 60~70%)
• 탄산탈수효소에 의해 CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3-
• HCO3-는 혈장으로 확산되고, Cl- 이온과 교환 (chloride shift)
• 적혈구 내부에서 일어나는 반응이지만, 혈장의 산-염기 평형 유지에도 관여

3) 카르바미노화합물 (Carbamino Compounds)

• 헤모글로빈의 말단 아민기와 CO2 결합 (약 20~30%)
• Hb-NH2 + CO2 → Hb-NH-COOH
• 산소가 적을수록 결합 증가 (할덴 효과)

4) 조직과 폐에서의 교환

• 조직: 세포 호흡으로 CO2 생성 → 혈액으로 확산
• 폐: CO2가 확산되어 폐포로 이동 → 호기를 통해 배출
• 할덴 효과(Haldane Effect): 산소가 떨어질수록 헤모글로빈은 CO2를 더 잘 운반