우리가 매일 숨 쉬는 공기 속에 산소보다 질소 비율이 훨씬 높은데도 체내에서 산소만 선택적으로 흡수되어 생명을 유지할 수 있는 생물학적 원리가 무엇인가요?

Question

우리가 매일 숨 쉬는 공기 속에 산소보다 질소 비율이 훨씬 높은데도 체내에서 산소만 선택적으로 흡수되어 생명을 유지할 수 있는 생물학적 원리가 무엇인가요?

Answer 1

안녕하세요, 큰닭727님. 이중철 전문가입니다.

먼저, 공기 중 질소 비율이 훨씬 높은데에도 산소만 선택적으로 흡수되는 이유는 적혈구의 헤모글로빈이 산소와만 특이적으로 결합해 지속적인 농도 차를 만들고, 반응성이 없는 질소는 전용 운반체나 체내 소비가 없어 흡수와 배출이 평형을 이루기 때문이랍니다.

■ 헤모글로빈의 선택적 결합과 분압 차에 의한 확산

​폐포 속 기체는 분압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 확산 원리에 따라 모세혈관으로 이동합니다. ​이때 적혈구의 헤모글로빈은 산소와 강력하고 가역적으로 결합하지만, 무극성 질소와는 결합하지 않는데요. ​헤모글로빈이 녹아든 산소를 즉시 붙잡아 혈장 속 산소 분압을 낮게 유지하므로, 폐포와 혈액 사이에 가파른 농도 차가 유지되어 산소가 혈관 속으로 빠르게 빨려 들어갑니다.

​■ 질소의 화학적 안정성과 포화 평형 상태

​반면에, 질소는 강력한 삼중 결합으로 결합력이 강해 체온에서 매우 안정하며 혈액에 녹는 양도 적습니다. 체내에는 질소를 운반하는 단백질이나 이를 대사하는 효소가 전혀 없는데요. ​몸속 질소 분압은 이미 대기와 똑같은 포화 평형 상태를 이루고 있습니다. 따라서 들이마신 질소는 혈관에 순흡수되지 않고 숨을 낼 때 고스란히 빠져나가거든요. 결국 세포가 생명 활동으로 산소만 계속 소비하기 때문에 산소의 흡수 흐름만 지속됩니다.

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정리하자면,

질소는 수송체와 체내 소비가 없어 이미 포화 평형 상태로 들어온 만큼 배출되지만, 산소는 헤모글로빈의 선택적 결합과 세포의 지속적인 호흡 소비 덕분에 가파른 분압 차가 형성되어 체내로 선택적 흡수가 되는 것이랍니다.

※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉

Answer 2

안녕하세요. 임형준 수의사입니다.

공기에는 질소가 약 78% 산소가 약 21% 있지만 폐에서는 기체의 분압 차이에 따라 산소가 혈액으로 확산되고, 헤모글로빈이 산소와 선택적으로 결합해 운반합니다. 질소는 반응성이 낮고 혈액에 거의 이용되지 않아 대부분 다시 내쉽니다.

Answer 3

결론부터 말씀드리면 기체의 화학적 안정성과 적혈구 내 헤모글로빈의 화학적 특성 때문입니다.

공기 중 질소는 강한 삼중 공유 결합을 아류고 있어 화학적으로 매우 안정적입니다.

이 때문에 질소는 혈액과 체액에 거의 녹지 않는 불활성 기체로 작동합니다. 그래서 들이마신 질소는 세포와 반응하지 않고 날숨을 통해 그대로 배출되는 것이죠.

반면 산소는 반응성이 높아 체내 단백질과 손쉽게 화학 결합을 형성합니다.

혈액 속 적혈구에는 산소 운반 전담 단백질인 헤모글로빈이 있어 헤모글로빈 중심의 2가 철 이온은 산소 분자와 선택적으로 배위 결합합니다. 하지만 반응성이 없는 질소는 헤모글로빈의 철 이온과 결합할 수 없습니다.

게다가 헤모글로빈 분자 하나에 산소 분자 1개가 결합하면 구조가 변하면서 나머지 3개의 산소 결합 부위의 친화도가 크게 올라가는데, 이 덕분에 공기 중 산소 농도가 약 21% 수준이어도 폐포를 지나는 적혈구는 산소를 거의 100% 가깝게 포화 상태로 채울 수 있습니다.

결국 질소의 화학적 불활성 덕분에 체내 반응이 일어나지 않고, 헤모글로빈 내 철 이온이 산소에만 특이적으로 결합하는 성질이 있기 때문에 질소가 80%에 달하는 공기 속에서도 산소만 선택적으로 흡수할 수 있는 것입니다.