물과 생명, 첫 번째 이야기 ‘혈액’

약사와 철학⑫ 생화학에 생명을 더하다Ⅲ[제331호] 한국의약통신l승인2017.01.12 13:20:07

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체중의 1/3 차지, 산소 공급·체온 유지 등 기능
물질교환과 순환 맡아, 혈압 이상할 때 삼투압 먼저 봐야

▲ 신창우 약사(충북 단양군 시장약국)

혈액은 인체 체중의 약 1/13을 차지(65kg의 경우 약 5L)하며, 인체의 혈관을 모두 연결하면 약 10만Km로 지구 두 바퀴 반에 해당하는 길이다. 혈관을 따라 혈액이 인체를 한 번 도는 시간은 약 46초이다. 혈액은 인체에 산소를 공급하고, 이산화탄소를 배출한다. 인체의 조직으로 영양소를 운반하고, 조직에서 나오는 노폐물을 신장으로 운반한다. 또 몸에서 발생하는 열을 운반하여 체온을 유지하고, 삼투압, 수분 평형, 수소 이온 농도를 유지한다.

▲ 표1. 혈액의 구성

1) 모세혈관(Capillary)
혈관은 혈액의 이동 통로이고 혈액의 역할은 물질의 이동에 의해서 나타난다. 동맥과 정맥은 많은 세포로 둘러싸여 있어서 물질의 이동이 일어나기 힘들지만, 모세혈관은 한 층의 내피세포(endothelial cell)로 구성되어 있어서 물질의 이동이 용이하다. 

▲ 그림1. 모세혈관벽을 통한 물질 이동

모세혈관에서 물질의 이동은 내피세포와 내피세포 사이의 접합부위에 존재하는 물구멍(water-filled pore)으로 이루어진다. 혈장(plasma)에 녹아 있는 수용성 물질(glucose, amino acid, Na+, K+ 등)은 물구멍으로 이동하고, 지용성 물질(CO2, O2, 지질 등)은 내피세포를 통해서 이동한다. 혈장 단백질(plasma protein)은 내피세포를 통과할 수 없으나, 교환성 단백질(exchangeable protein)은 소포성 운반체(vesicular transport)를 통해서 이동이 된다.
인체의 모세혈관은 투과성(permeability)에 따라 3가지로 구별할 수 있다.

▲ 그림2. 모세혈관 종류

연속성 모세혈관(continuous capillary)은 지방, 근육, 신경조직 등 가장 흔하게 볼 수 있다. 낮은 투과성을 가지고 있지만 포도당 같이 수용성 물질도 이동이 가능하다.

▲ 그림3. 뇌혈관장벽

그러나 뇌 척수액과 연결된 연속성 모세혈관은 tight junction을 가지고 있어서 물구멍이 없다. 이것이 뇌혈관장벽(blood-brain barrier)을 만들고, 내피세포에 의한 세포내 전달만 가능하게 된다. 따라서 수용성 물질(glucose, amino acid, 이온 등)은 물구멍을 통한 단순 확산이 아닌 내피세포에 존재하는 GLUT3, ion channel 등의 단백질에 의한 선택적 이동을 한다.

유창 모세혈관(fenestrated capillary)은 모세혈관에 작은 구멍(fenestration)이 있어서 비교적 높은 투과성을 가지고 있다. 작은 구멍을 통해 작은 분자와 제한된 양의 단백질이 확산된다. 주로 내분비선, 소화기, 췌장 및 신장 사구체에 있다.

동양 모세혈관(sinusoidal capillary)은 커다란 구멍이 많고, 혈구 및 다양한 혈장 단백질도 자유로이 드나들 수 있다. 주로 골수, 림프절 및 부신에 존재한다. 동양 모세혈관 중 세포 사이에 tight junction이 없는 것이 있는데 불연속성 동양 모세혈관(discontinuous sinusoidal capillary)으로 다른 모세혈관보다 혈구나 물질의 이동이 더 용이하다. 이 모세혈관은 간, 비장에 존재하며 기능에 중요한 역할을 한다.

2) 세포간질액(Interstitial fluid)
조직을 이루는 세포의 외부를 둘러싸고 있는 물질을 세포간질액(interstitial fluid)이라고 한다. 세포간질액은 포도당, 전해질, 지방산, 아미노산, coenzyme, 호르몬, 신경전달물질과 세포와 백혈구에서 생성된 폐기물을 포함하고 있다. 간질액의 조성은 세포와 혈액의 교환에 달려있다. 간질액이 둘러싼 세포는 조직의 기능에 따라 다른 물질을 간질액으로 보내고, 인체의 서로 다른 조직이 서로 다른 구성의 간질액(연골조직, 뼈조직이 서로 다른 세포외기질을 가지고 있다)을 가지고 있는 이유이다.

▲ 그림4. 혈장, 세포간질액, 세포내액의 물질조성

혈장과 간질액은 물질구성(전해질)에서 거의 비슷하지만 혈장단백질이 모세혈관벽을 이동하지 못함으로 인해서 단백질의 구성은 차이를 가지고 있다.

3) 교환(Exchange)
혈관의 95%는 전신에 퍼져있는 모세혈관으로 구성돼 있고, 모세혈관은 구조적으로 동맥과 정맥 사이에 있다. 모세혈관의 굵기는 약 10μm정도로 적혈구가 겨우 지나갈 수 있는 크기이고, 모세혈관의 평균길이는 0.5mm이며, 혈액이 모세혈관을 통과하는 시간은 0.5~1초이다.

▲ 그림5. 모세혈관에서의 물질교환

모세혈관에서 물질이동은 정수압(hydrostatic pressure)과 삼투압(osmotic pressure)에 의해서 이루어진다. 심장의 수축작용에 의해서 발생한 정수압은 동맥과 연결된 모세혈관에서 강하게 작용을 하고 정수압과 삼투압의 힘의 차이에 의해서 혈관 내 물질(glucose, amino acid, O2, 물 등)이 세포간질액으로 이동하게 된다. 정맥에 가까워질수록 정수압은 낮아지고 혈장단백질 이동이 없기 때문에 상대적으로 삼투압은 증가하게 되어 세포간질액의 물질(노폐물, CO2, 물 등)이 혈액으로 이동하게 된다.

‘그림5’에서 보는 것처럼 정수압이 삼투압의 힘보다 더 크게 작용을 하고 혈액에서 세포간질액으로 이동하는 것이 더 많게 된다. 세포간질액으로 물질의 이동이 지속되면 부종이 나타나는데 인체는 이것을 막기 위해서 림프계(lymphatic system)를 이용한다. 세포간질액이 림프관(lymph vessels)으로 들어가면 림프액(lymph)이 된다. 림프관은 심장 근처에 있는 정맥과 연결이 되고 림프액은 다시 혈액으로 들어오게 된다. 이 때 혈액에서 세포간질액으로 이동한 혈장단백질 등 모세혈관을 통과하지 못하는 물질도 제거하게 된다.  

▲ 그림6. 순환계와 림프계

4) 확산(Diffusion)
혈액의 역할을 한 마디로 요약하면 물질교환과 순환이다. 혈액에서 물질교환은 수동수송(passive transport) 즉 확산에 의해서 일어나고, 확산은 고농도에서 저농도로 물질의 이동하는 것이다.

▲ 그림 7. 혈액을 통한 물질교환

인체는 서로 다른 농도를 가진 환경을 만든다. 산소가 풍부한 폐, 영양소가 풍부한 소화관, 노폐물을 배설할 수 있는 신장 등을 만든다. 그리고 혈액은 끊임없이 인체의 모든 조직을 순환하고, 모세혈관을 통해서 물질의 농도에 따라 물질의 교환이 일어난다. 호흡을 통해서 들어온 산소는 혈액을 타고 세포간질액으로 이동하고, 세포간질액에서 세포로 또 다시 이동한다. 세포의 대사로 인해서 발생한 이산화탄소는 세포간질액으로 이동하고, 다시 혈액으로 이동한다.

혈액이 혈관을 한 바퀴 순환하는 시간은 46초이다. 혈액이 1mm인 모세혈관을 지나는 시간은 1초이다. 모세혈관은 모든 조직에 있고 직렬구조가 아닌 병렬구조로 연결되어있다.

▲ 그림 8. 모세혈관의 구조

혈액이 모세혈관을 통과하는 시간이 1초이지만 혈액은 끊임없이 흐르고 있고 모세혈관은 매 초마다 새로운 혈액이 지나면서 세포간질액과 물질교환이 일어난다. 혈액과 세포간질액간에 끊임없이 확산이 일어나지만 물질평형은 일어나지 않는다. 바로 세포의 대사로 인해서 끊임없이 세포대사산물이 만들어지기 때문이다.

물질교환에 중요한 것은 혈액 속에 녹아 있는 물질의 농도이고 물질이 이동하기 위해서는 정수압과 삼투압이 일정해야 한다. 심장의 수축은 혈압을 만들고 모세혈관에서 정수압으로 작용한다. 혈액 속에 있는 단백질은 물질을 이동시키는 운반체(transporter)이면서 삼투압에 중요한 물질로 작용한다. 혈압의 변화는 물질교환에 문제가 발생을 한 것이고, 물질교환의 문제는 삼투압의 이상을 나타내기도 한다.

즉, 혈압의 이상은 단지 교감신경계(β-adrenaline receptor)의 이상, renin angiotensin aldosterone system의 이상을 보기 이전에 삼투압의 이상을 먼저보아야 하는 이유이다.

<참고문헌>
위키피디아 검색, capillary, cardiovascular system, passive transport, interstitial fluid
알기쉬운 해부생리, 정담미디어, Berbara Herlihy

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