일반생물학, 생물학의 기본 - 호흡계

1. 호흡계의 구성

 호흡계는 산소와 이산화탄소를 교환하는 호흡 기능뿐만 아니라 혈액의 pH를 조절하고 호흡 펌프로 작용하여 정맥 환류의 조절을 돕는다. 

호흡계는 인두, 기관지, 폐포, 횡격막, 흉막과 늑막으로 구성되어 있다.

인두 : 인두는 호흡계와 소화계의 공통적인 통로로 성대를 포함하는 후두,  소화기의 식도와 연결되어 있다. 기관지는 공기를 체온으로 가열하여 찬 공기로부터 폐포를 보호한다.

기관지 :기관지의 배상세포(Goblet cell)가 점액을 분비하여 바이러스, 세균 등을 여과한다. 또한 기관지의 섬모는 점액을 끊임없이 인두 쪽으로 이동시킨다.

폐포 : 폐포는 단층 편평 세포로 구성되어 있다. 모세혈관이 주변을 둘러싸고 있어 폐포에서만 가스교환이 일어난다. 폐포에서 가스교환은 산소와 이산화탄소의 분압차에 따른 단순확산을 통해 이동한다. 폐포에는 평활근이 존재하지 않으므로 흡기 시 확장된 폐포는 스스로 수축이 불가능하다. 그러나 폐포 사이의 결합조직에 엘라스틴이 풍부하므로 탄성 반동에 의해 확장된 폐는 쉽게 돌아온다. 폐포는 기체교환과 관련된 1형 폐포 세포와 계면활성제(surfactant)를 분비하는 2형 폐포 세포로 구성된다. 폐포 내의 얇은 수분 막을 구성하는 물은 응집력을 통해 표면장력을 형성한다. 폐포는 계면활성제를 분비하여 물 분자의 응집력과 표면장력을 낮춰줌으로 폐포가 오그라들지 못하게 막고 쉽게 팽창될 수 있도록 한다. 계면활성제는 태아 발달 25주째에 시작되어 34주째에 충분한 수준에 이른다. 34주 이전에 태어난 미숙아의 경우 계면활성제 분비량의 적어 폐포를 부풀리는 것이 어려워 탈진 또는 질식으로 사망할 수 있다. 따라서 폐가 성숙하여 스스로 계면활성제를 생성할 때까지 계면활성제를 분무 투여하여 치료한다. 

횡격막 : 흉강의 바닥을 형성하는 횡격막은 복강에서 흉강을 분리하는 골격근판에 해당한다. 숨을 들이마실 때 횡격막은 수축하여 흉강 부피를 증가시켜 외부 공기를 내부로 유입시킨다. 횡격막은 평상시 호흡에서 75%의 역할을 담당한다.

흉막, 능막 : 표면과 흉벽의 내면을 싸고 있는 막이다. 폐는 이중벽의 흉막에 의해 분리되며 흉강 내의 흉막액이 호흡 시 마찰을 줄여주고 흉막이 서로 분리되지 않도록 한다. 또한 흉막과 폐는 서로 붙어있어 흉강의 부피에 따라 폐의 부피도 같이 변하게 된다.

 

2. 호흡 운동

(1) 호흡 작용

 포유류의 폐는 숨을 내쉴 때 완전히 비워지지 않고 같은 통로를 이용해 신선한 공기를 들이마신다. 산소가 풍부한 공기와 폐에 남아있는 산소가 서로 섞이게 된다. 그 결과 폐포 내 산소 분압은 항상 외부 공기에 비해 작게 나타난다. 흡식은 체성 운동 신경에 의한 능동적 근수축에 의해 일어나며 호식은 수동적 탄성 반응에 의해 일어난다.

 숨을 들이마시는 흡기 동안 외늑간근과 횡격막은 수축하고 늑골은 상승하여 흉강의 부피는 증가한다. 부피가 증가하게 되면서 흉강 내부의 압력은 낮아지게 되고 폐포의 부피는 증가하면서 외부 공기가 내부로 들어온다. 반대로 숨을 내쉬는 호기 동안 외늑간근과 횡격막은 이완되고 늑골은 하강한다. 흉강의 부피가 감소하면서 흉강 압력은 증가한다. 결과적으로 폐포는 수축하고 내부의 공기가 외부로 방출된다.

 우리가 심호흡할 때 강제로 숨을 들이마시고 내쉬는 강제 흡기와 강제 호기의 과정을 거친다. 강제 흡기 동안 외늑간근, 횡격막과 더불어 목에 위치한 흉쇄유돌근과 사각근의 수축이 일어난다. 반대로 강제 호기 동안 내늑간근과 복근의 수축으로 흉강과 폐의 부피를 더욱 감소시킨다. 결과적으로 폐포 내압과 대기압의 차이는 수동적 호기보다 더 크게 나타난다.

 

(2) 호흡에서 나타나는 압력 변화

 흡식이 시작되면 흉강의 부피가 증가한다. 흉강의 부피가 증가하면서 폐포압력은 대기압보다 약 1mmHg 하강하고 공기가 폐로 유입된다. 흡식이 진행되면서 흉막과 폐가 신장한다. 이때 폐의 탄성 반동은 신장에 저항하여 더 안쪽으로 잡아당기면서 흉막강 내압은 더 음압이 형성된다. 흉강의 부피변화가 공기의 흐름보다 빠르므로 폐포압력은 흡식의 중간지점에서 최저치에 도달한다. 흡식 말기에 폐의 부피는 최대에 도달하고 폐포압력은 대기압과 같아진다. 흉강의 부피가 감소하여 폐포압이 대기압보다 1mmHg 정도 높아지면서 폐로부터 공기가 빠져나가면서 호식이 일어난다. 호식 말기에 폐포압이 대기압과 동일해져서 공기의 이동이 멈춘다. 폐 부피는 호흡주기에서 최소치로 돌아온다. 

3. 가스 교환

 폐와 혈액의 가스 교환은 분압차에 의한 산소와 이산화탄소의 단순 확산에 기인한다. 폐포의 산소분압은 100mmHg이며, 정맥혈은 40mmHg이다. 따라서 산소는 분압차에 의해 폐포에서 혈액으로 이동하여 폐를 떠나는 혈액의 산소 분압은 폐포와 동일한 100mmHg이다. 말초 조직의 세포는 세포호흡을 통해 산소를 소모하므로 휴식상태에서 조직의 산소 분압은 40mmHg이다. 폐에서 산소를 받은 동맥혈의 산소 분압은 100mmHg이며 분압차에 의해 동맥에서 조직으로 산소가 확산한다.

 혈액에서 적혈구는 헤모글로빈의 헴(heme)의 Fe2+에 O2가 결합하게 되면서 산소를 운반한다. 산소 분압이 낮으면 헤모글로빈과 산소의 친화도가 감소하면서 산소가 조직으로 방출된다. 헤모글로빈이 산소와 가역적으로 결합하는 능력은 산소 분압에 의존하며 그 외에도 온도, pH 그리고 2,3-이인산 글리세르산(2,3-BPG)의 영향을 받는다. 2,3-BPG는 적혈구에서만 생산되는 해당과정의 부산물이다. 헤모글로빈과 결합하여 산소 친화도를 감소시킨다. 동맥에 산소분압이 낮을 때 적혈구의 2,3-BPG 생산이 증가하며 조직으로 산소 공급이 원활해진다. 온도가 높을수록, pH가 낮을수록, 이산화탄소의 분압이 높을수록 그리고 2,3-BPG가 존재하는 경우 헤모글로빈의 산소 친화도는 감소한다. 결과적으로 운동을 격하게 한 경우 체온은 올라가고 조직의 이산화탄소 분압은 증가하게 되고 혈액의 pH가 감소한다. 헤모글로빈의 산소 친화도는 더욱 감소하여 조직으로 산소의 공급을 더욱 원활하게 한다.