호흡생리 폐의 용적과 용량, 기체 교환과 운반

폐의 용적과 용량, 기체 교환과 운반

1. 폐의 용적과 용량

폐용적과 폐용량은 호흡 중 폐에 출입하는 공기의 양을 부피로 나타내는 지표입니다. 폐용적과 폐용량은 연령, 성별, 신체 상태에 따라 차이가 나며 폐활량계로 측정하여 조건에 따라 공기량을 4개의 용적과 4개의 용량으로 구분합니다. 폐용적은 일호흡용적, 습속성 예비용적, 호식성 예비용적, 잔기용적으로 구분합니다. 일호흡용적은 안정 시의 매 호흡주기, 즉 1회의 습속이나 호식으로 폐 내에 출입하는 기체량으로 정상 성인남자는 약 500mL 정도입니다. 이 중 350mL 정도는 폐포로 들어가 기체 교환을 하고, 약 150mL는 기도에 머뭅니다. 습속성 예비용적은 안정 시에 1회 호흡량을 흡입한 후 최대로 더 흡입할 수 있는 기체량으로, 정상 성인남자는 약 3,000mL입니다. 호식성 예비용적은 안정 시에 1회 호흡량을 호식한 후에 최대로 더 호식할 수 있는 기체량으로 정상 성인남자는 약 1,200mL입니다. 잔기용적은 최대로 강제 호식한 후에 폐 내에 남아 있는 기체량으로 정상 성인은 약 1,200mL입니다. 천식이나 기종 등의 폐 질환 시 잔기용적은 증가되어 실제 기체 교환은 줄어듭니다. 폐용량은 폐용적 중 2가지 이상의 합이며 습식용량, 기능적 잔기용량, 폐활량과 총 폐용량으로 구분합니다. 습식용량은 안정 시에 호식이 끝난 후에 최대로 흡입할 수 있는 기체량으로 일호흡용적과 습식성 예비용적의 합이며 정상 성인남자는 약 3,500mL입니다. 기능적 잔기용량은 안정 시에 호식이 끝난 후에 폐 내에 남아 있는 기체량으로 호식성 예비용적과 잔기용적의 합이며 정상 성인남자는 약 2,400mL입니다. 폐활량은 최대로 습식 한 후에 최대로 호식할 수 있는 최대의 기체량으로 호흡량의 최대치이며 폐 기능을 보여 주는 임상적으로 유용한 지표입니다. 정상 성인남자는 약 4,000~4,800mL입니다. 총 폐용량은 최대로 습식 했을 때 폐 내에 수용할 수 있는 기체량으로 4개의 폐용적을 모두 합친 양입니다. 정상 성인남자는 약 5,200~6,000mL입니다. 폐환기량은 1분당 폐로 들어왔다 나가는 공기의 양을 말하며 1회 호흡량에 호흡률을 곱한 수치와 같습니다. 정상 성인의 1회 호흡량은 500mL이며 분당 호흡률은 12~20회이므로 최소한의 폐환기량은 6,000mL/min가 됩니다. 그러나 호흡의 일부는 기관과 기관지 같은 전도기도에 일부 남아 있기 때문에 호흡계로 들어오는 공기의 일부는 폐포에 도달하지 못합니다. 혈액과 기체 교환을 하지 않는 전도기도를 호흡사강 또는 해부학적 사강이라고 하며 평균 약 150mL입니다. 즉, 습식 시에 들어오는 공기 500mL 중 150mL는 호흡사강에 머물고 나머지 350mL가 기존의 호흡사강에 머물러 있던 150mL와 함께 폐포로 들어가며, 반대로 호식 시에는 폐포에서 나온 500mL의 공기 중에 150mL는 호흡사강에 머물고 나머지 350mL가 기존의 호흡사강에 머물러 있던 150mL와 함께 호식됩니다. 따라서 1회 호흡 시 실제로 기체 교환에 참여하는 공기량은 350mL입니다. 이와 같이 습식 된 공기의 상당 부분이 폐포에 도달하지 못하므로 더 정확한 환기효율의 지표는 분당 폐포에 도달하는 신선한 공기의 양인 폐포환기량입니다. 이러한 폐포환기량은 호흡률 또는 호흡의 깊이에 의해 영향을 받습니다. 폐포환기량을 효과적으로 증가시키기 위해서는 호흡률을 늘리는 것보다 호흡을 깊고 느리게 하는 것이 더 도움이 됩니다. 폐환기량은 신체활동이나 감정 또는 건강 상태에 의해 달라질 수 있습니다. 호흡사 강의 존재는 환기라는 관점에서만 생각하면 70% 효율로 비효과적으로 보이지만 폐로 들어가는 공기의 성분이나 온도에 의한 급격한 변화를 방지하는 데 의의가 있습니다.

2. 기체 교환과 운반

급식되는 공기 중에서 산소는 폐의 기체 교환에 의해서 폐포를 둘러싸고 있는 모세혈관으로 들어가 혈액을 통해서 각 조직으로 운반되는 반면, 조직에서 생성된 이산화탄소는 폐포로 운반된 후 체외로 방출됩니다. 이러한 혈액과 폐포 또는 혈액과 조직세포 사이의 기체 교환은 두 기체에 대한 분압 차이에 의한 확산으로 일어납니다. 분압은 대기 또는 기체 혼합물 속에서 각 기체의 압력으로 이는 해당 기체의 농도에 비례하므로 수증기가 없는 건조한 대기 중 질소분압은 593mmHg, 산소분압은 159mmHg, 이산화탄소분압은 0.3mmHg입니다. 기체는 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산되는데, 산소분압은 대기 중에서 159, 호식공기 안에서는 116, 폐포 내에서는 100~110, 동맥혈은 100, 정맥혈은 40, 조직에서는 40mmHg이며, 이산화탄소분압은 대기 중에서 0.3, 호식공기 안에서는 32, 폐포 내에서는 40, 동맥혈은 40, 정맥혈은 46, 조직에서는 50mmHg입니다. 폐포에서의 기체 교환은 폐포상피와 모세혈관벽을 통하여 폐포와 정맥혈 사이에서 일어나고 조직에서의 기체 교환은 조직과 동맥혈 사이에서 일어나며, 이는 기체분압 차이에 의해서 이루어집니다. 따라서 급식한 공기 중의 산소는 분압 차이에 의해서 혈액 속으로 들어오지만 상대적으로 물에 대한 용해성이 낮으므로 대부분의 산소는 적혈구 내에 있는 혈색소와 가역적으로 결합하여 산소헤모글로빈을 형성하여 혈액을 타고 산소가 필요한 조직으로 운반됩니다. Hb는 4개의 부단위로 구성된 복합 단백질로 각 부단위는 산소와 결합할 수 있는 철이온을 가지고 있는 헴과 글로빈 펩티드로 이루어져 있습니다. 따라서 혈색소 한 분자는 4 분자의 산소를 운반할 수 있습니다. 나머지 0.5%의 산소는 물리적으로 혈장에 용해된 상태로 운반됩니다. 폐포 내의 산소분압은 100~110mmHg이고 그 주위의 모세혈관 내의 정맥혈의 산소분압은 40mmHg이므로 폐포 내의 산소가 이곳을 지나는 정맥혈 속으로 확산되어 들어가서 정맥혈을 동맥혈로 교환합니다. 따라서 조직 내 모세혈관을 지나는 동맥혈의 산소분압은 100mmHg이고 조직 내 산소분압은 평균 40mmHg이므로 혈색소에 결합하고 있던 산소는 산소해리곡선에 따라 효율적으로 해리되어 확산에 의해 조직 쪽으로 이동합니다. 고산지대같이 대기 내 산소분압의 감소나 폐포환기량의 감소, 체내 산소소비량의 증가는 폐포의 산소분압을 감소시킵니다. 이산화탄소분압은 조직에 따라 차이가 있지만 평균 46mmHg입니다. 동맥혈 내의 이산화탄소분압은 40mmHg이므로 분압차에 의한 확산에 의해서 조직에 있는 이산화탄소는 혈액으로 이동하며 혈액 속에서 중탄산이온, CO2 Hb, 이산화탄소의 세 가지 형태로 운반됩니다. 이산화탄소는 그 분압이 높은 곳에서는 주로 탄산 또는 CO2 Hb 화합물의 결합 상태로, 분압이 낮은 곳에서는 주로 해리된 상태로 운반됩니다. 만약 충분한 호흡을 하지 못하면 동맥의 이산화탄소분압의 증가로 인해 혈장의 수소이온 농도가 증가하여 동맥의 pH가 7.2보다 낮아져서 호흡성 산혈증을 유발합니다. 이와는 반대로 과도한 환기는 동맥의 이산화탄소분압과 수소이온 농도를 낮추어 동맥의 pH가 7.45보다 높아지면서 호흡성 알칼리증을 유발합니다.