33장 호흡

(1)

33장 호흡

(2)

(3)

33.1 왜 가스를 교환하는가?

• 호흡

– 세포호흡

• 당과 같은 영양분을 세포가 이용할수 있는 에너지인 ATP로 전환시키는 과정

• 산소가 필요하고 이산화탄소를 발생시킴

– 외호흡

• 코로 숨쉬는 작용

• 세포호흡에 필요한 산소를 공급해주고 부산물인 이산화 탄소를 배출시키는 과정

– 호흡기관과 순환기관은 밀접하게 연관

• 호흡기관을 통한 산소를 순환기관을 통해 몸의 각 세포

로 전달, 각 세포의 이산화 탄소는 폐로 모아져 몸 밖으

로 배출

(4)

33.2 가스교환을 위한

진화적인 적응은 무엇인가?

• 가스교환: 확산현상에 의존

– 동물에서 확산이 잘 되게 하는 특징 3가지

• 습한 호흡계 표면

– 가스는 물에 용해되어 확산됨

• 호흡계 표면은 얇다

– 확산용이

• 호흡계 표면적이 넓다

– 환경과 접하는 면적 극대화

4

(5)

• 습한 환경에 사는 동물- 호흡계 구조 결핍

– 특별한 호흡계 구조 없이도 가스교환 가능

• 얇고 가스가 투과할 수 있으며 표면적이 넓은 피 부

– 회충, 편충

• 에너지 요구도가 낮은 세포를 가짐

– 해파리는 체형이 크지만 안쪽세포는 거의 불활성

• 모든 체세포가 물과 인접한 상태로 위치

– 해면동물은 안쪽으로 해수를 순환시킴

• 확산이 일어나는 피부표면이 순환조직과 결합

– 지렁이는 피부 모세혈관에 혈액이 산소운반 – 효율적인 순환계에 의해 체내 곳곳에 산소 분배

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(7)

• 호흡계는 확산에 의해 가스교환 용이

– 외부환경에서 혈액을 거쳐 세포로 들어가는 가스운반은 확산과 부피유동의 교호적인 현상

• 부피유동(bulk flow): 액체나 가스는 고압부위에서 저압부위로 상당히 큰 공간을 통해 대량으로 이동

• 잘 발달된 호흡계의 가스교환 단계

– 1. 산소농도가 높고 이산화탄소 농도가 낮은 공기나 물은 부피유동에 의해 호흡표면으로 이 동

• 호흡과 같은 근육운동으로 촉진

(8)

– 2. 가스는 확산에 의해 호흡 면에서 교환

• 농도 구배에 따라 산소는 순환계의 모세혈관으로 확산, 이산화탄소는 반대방향으로 확산

– 3. 가스는 심장에서 펌프 되는 혈액의 부피유 동에 의해 호흡계와 조직 사이로 이동

• 심장근육의 펌프운동에 의해 부피유동

– 4. 가스는 확산에 의해 조직과 순환계 사이에 서 교환

• 농도 구배에 따라 산소는 모세혈관 밖의 이웃조직 으로 확산, 이산화탄소는 조직으로부터 모세혈관 으로 확산

8

(9)

O

₂

O

₂

CO

₂

alveoli (air sacs) Oxygenated blood

Deoxygenated blood Gases move in and out of the lungs by breathing

O

₂

and CO

₂

are exchanged in the lungs by diffusion

Gases dissolved in the blood are transported by the circulatory system

2 3 O

₂

O

₂

1 CO

₂

left ventricle left atrium

O

₂

and CO

₂

are exchanged in the tissues by diffusion

4 O

₂

right atrium

right ventricle

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

O

₂

(10)

• 아가미(gill): 수중환경에서 가스교환

– 연체동물, 양서류

• 물과 접하는 체표면에 많은 돌출구조 형성

• 표면적을 극대화: 정교한 분지구조

– 크기는 수중환경에서 순환수의 산소 이용도에 의해 결정

» 예) 웅덩이에 사는 도롱뇽은 용존산소가 많은 물에사 는 물고기보다 훨씬 큰 아가미

• 정교한 외막 바로 아래까지 미세하게 돌출된 모세 혈관을 가짐

– 가스교환이 일어나는 표면 부까지 혈액공급

10

(11)

(12)

– 물고기

• 아가미 막을 아가미 덮개 뼈로 보호

– 입→ 아가미 부위로 끊임없이 유출시켜 물의 흐름 유지

» 헤엄치는 속도에 의해 물 흐름이 증가 →아가미에 공 기가 잘 통과함

• 물속 산소양은 1%(해수) 정도로 적어 대기 중 호흡 보다 훨씬 많은 에너지 소모

– 역류교환 이용: 물과 함께 가스를 교환할 수 있 는 방법

– 역류교환(countercurrent exchange): 아가미에서 물과 혈액은 상 당히 일정한 농도구배를 유지하면서 서로 다른 방향으로 흐르게 하여가스교환을 하는 방법

12

(13)

(14)

water in

(a) Water flows over gills (b) Gill structure (c) Lamella gill arch

water out

gill filament gill arch

lamellae

lamella water flow

(protective flap removed)

blood flow

capillaries

deoxygenated blood

oxygenated blood

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• 육상동물- 내부 호흡구조

– 동물이 수중 → 육상으로 진화

• 호흡구조는 얇은 표면 막으로 보호 지탱하며 수막 구조를 유 지하도록 진화

• 기관(곤충), 폐(척추동물)

– 곤충: 기관을 이용하여 호흡

• 정교하게 연결된 내부통로→ 공기를 직접 체세포까지 이동

• 기관: 키틴질로 보강, 내부 체 조직까지 뻗어있음

– 기관은 기관 세지(미세 가지)로 분지

» 끝부분은 액체로 채워져 가스교환 – 입구: 기문(몸의 양 옆에 위치)

» 복부근육을 움직여 공기이동

– 말단부: 체세포에 의해 막혀있어 확산거리 최소화

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tracheae spiracles

air

air spiracle

tracheae tracheoles

(a) Insect respiratory system

(c) Gas exchange pathway (b) Spiracle and tracheae

body cells

CO

₂

O

₂

O

₂

tracheae

spiracle

external

skeleton of

the insect

(17)

– 육상척추동물: 폐호흡

• 폐(lungs): 습한 호흡표면을 가진 주머니

– 수분손실 최소화

– 체 벽 유지(몸 속에서 보호)

• 최초 척추동물의 폐: 담수어류로부터 출현

– 소화관의 외부 주머니로 형성

– 어류가 용존 산소가 적은 웅덩이에서 서식하기 적합

• 양서류: 유생단계-아가미, 성체-폐

– 성체는 추가적인 피부호흡(습한 피부) 병행

• 파충류: 폐호흡

– 피부는 수분손실을 방지하고 건조 환경에서 서식 가능한 비늘 로 덮임

– 양서류보다 발달된 폐를 가짐(비늘로 인해 피부호흡을 못하므 로)

(18)

(19)

– 조류: 폐호흡

• 가스교환을 극대화 시킬 수 있게 적응

– 산소가 희박한 높은 고도까지 비행 가능

• 7~9개의 기낭: 전기낭과 후기낭으로 연결, 부풀어 공기저장고로 이용

• 파라기관지(parabranch): 주머니 모양의 속이 빈 얇은 관

– 양 방향으로 공기가 지나갈 수 있음

– 파라기관지는 양끝에서 열려서 공기가 폐를 통해 완전히 흘러가면서 가스교환을 하도록 되어 있으며, 치밀한 모세 관망으로 둘러싸인 서로 연결된 미세기낭들로 벌집같이 구멍투성이인 조직으로 둘러싸여 있다

19

(20)

(21)

• 들숨 →기도 → 후기낭 팽창 →폐(산소추출) →전 기낭은 사용한 공기로 채워짐

• 날숨 →모든 기낭은 압축되고 축소 → 전 기낭 → 조류의 비강을 통해 사용된 공기가 빠져 나가고 동 시에 후 기낭에 있는 신선한 공기는 폐로 이동

– 조류의 폐는 조류가 들숨이든 날숨이든 모두

신선한 공기를 받아들인다

(22)

33.3 인간의 호흡계는

어떻게 기능을 수행하는가?

• 인간및 다른 척추동물의 호흡계-2부분으로 구획

– 기도부분(conducting portion)

• 코 ↔ 입 ↔폐

– 가스교환부분(gas-exchange portion)

• 폐포 ↔ 혈액

• 기도부분: 공기를 폐까지 운반

– 코(입) ↔구강(비강) ↔ 인두(pharynx)↔후두(larynx)

• 후두(소리통): 후두개에 의해 보호

– 후두개: 납작한 연골조직

» 정상호흡시 위로 기울어져있음

» 음식을 삼킬때 아래로 닫혀 후두를 막아 식도로 넘김

» 이물질이 목에 걸렸을때- 하임리크 조작법

22

(23)

(a) Human respiratory system (b) Alveoli with capillaries bronchiole

pulmonary venule

alveoli capillary

network pulmonary veins

pulmonary artery diaphragm

nasal cavity pharynx

oral cavity epiglottis

larynx

esophagus trachea

bronchi bronchioles rings of

cartilage

pulmonary arteriole

(24)

object ejected lungs

compressed

diaphragm pushed upward

Grasp the hands between the navel and breastbone

Quickly and

forcefully pull upward and toward your body

1

2

(25)

• 성대(vocal cords): 후두 안에 존재

– 근육에 의해 조절되는 탄성조직

» 수축: 후두 안에서 열림을 차단

» 호기: 성대를 떨게 하여 소리(말, 노래)

» 성대의 이완: 소리조절(혀, 입술 운동)

• 기관(trachea)

– 후두↔기관

– 단단한 나선상의 연골 띠로 구성된 유연한 관 – 기부는 두 갈래의 기관지로 나뉨

• 기관지(bronchi)

– 각각의 폐와 연결

(26)

• 세기관지(bronchiole)

– 기관지는 여러 개의 균일한 관으로 분지 – 폐포로 연결

• 폐포(alveoli)

– 작은 주머니 – 가스교환

26

(27)

(b) Alveoli with capillaries bronchiole

pulmonary venule

alveoli capillary

network

pulmonary arteriole

(28)

– 섬모, 점액

• 기관지, 기관, 인두는 점액에 의해 걸러진 세균, 먼 지 등을 위로 올려 재채기, 또는 삼킴으로 제거

– 흡연: 섬모를 마비시켜 정화과정 방해

– 천식: 세 기관지의 근육조직이 과도하게 흥분하여 점액생 성 증가

» 기도직경 감소, 기도가 점액이동 방해- 세 기관지를 통한 호흡곤란

28

(29)

(30)

• 가스교환: 폐포

– 포도송이 처럼 각 세기관지 끝에 달림

• 성인: 두개의 폐에 약 3억개의 폐포, 직경 0.2mm

– 확산

• 표면적 증가(143m

²

)

• 면적의 85%- 모세혈관 그물망

– 한 층의 상피세포로 구성

• 안쪽에 호흡막 형성

– 폐포 상피층과 모세혈관 내피세포층으로 구성

» 단백질 섬유로 결합

» 한층의 세포들로 짧은 확산거리

• 폐포 안쪽으로 계면 활성 물질(오일) 분비-수용액

– 표면장력을 줄이고 호기시 폐포의 붕괴 방지

» 폐기종: 흡연으로 인해 폐포 파괴 – 가스는 수용액에 녹아 교환

30

(31)

from the pulmonary artery

alveolar membrane respiratory membrane surfactant fluid

to the pulmonary vein

(air) CO

₂

O

₂

capillary

Oxygen diffuses into the red blood cells

Carbon dioxide diffuses

into the alveolus

(32)

• 산소와 이산화탄소는 다른 기작을 통해 운 반

– 폐포로 들어오는 혈액에는 산소가 적다

• 심장→ 정맥혈이 폐로 이동

– 이산화탄소: 농도가 높은 혈액에서 밖으로 → 농도가 낮 은 폐포로 확산

– 산소: 분압이 높은 폐포 →혈액 내로 확산

• 폐포로 들어온 산소가 풍부한 동맥혈 →심장으로 재순환

– 온몸을 순환 → 산소는 조직 세포 내로 확산

32

(33)

– 산소: 혈액에 의해 운반

• 헤모글로빈 분자와 결합

– 헤모글로빈 1분자 + 산소 4분자

» 혈장용액에서 산소를 떼어냄

» 농도 구배를 형성하여 폐(공기)→ 혈액으로 산소 이 동

– 효율적으로 산소운반(70배)

• 일산화탄소(CO)

– 산소보다 헤모글로빈과의 결합력이 200배 강함

» 산소운반 방해로 사망

(34)

(air in alveolus)

(extracellular fluid)

alveolar wall

surfactant fluid

red blood cells

hemoglobin

(a) O

₂

transport from the lungs to the tissues O

₂

O

₂

O

₂

capillary

walls

(plasma) ^{cells of}

body tissues respiratory

membrane

(35)

– 이산화탄소: 혈액에서 3가지 다른 방법으로수송

1. 혈장에 용해(10%)

2. 헤모글로빈과 결합(20%)

– 혈장에서 용해되지 않고 헤모글로빈과 느슨하게 결합

3. 중탄산염 이온 형성(70%)

– 물과 결합하여 중탄산염 이온 형성

» CO

₂

+ H

₂

O → H

⁺

+ HCO

₃ ^-

:적혈구 세포(탄산탈수소 효소 의 작용) 에서 일어남

» H

⁺

(헤모글로빈과 결합-혈장의 산성화 방지), 4. HCO

₃ ^-

(혈장으로 확산), 혈장의 일부 CO

₂

는 헤모글로빈과 결합- 혈장에서의 CO

₂

를 감소시켜 체세포에서 혈장으로의 농 도구배

혈액이 폐포주변 모세혈관을 통과할때와 반대의 반응

5. HCO

₃

－(적혈구 세포로 역확산) + H+ → CO

₂

＋ H

₂

O 폐포를 지나면서 이산화탄소 유출, 산소 흡수

(36)

(b) CO

₂

transport from the tissues to the lungs CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

CO

₂

+ H

₂

O

H

₂

O

+ H

⁺

H

⁺

HCO

₃^–

1

2

3 4 5 HCO

₃^–

HCO

₃^–

(37)

• 흡기- 능동적, 호기- 수동적

– 호흡: 2단계

• 1. 들숨(inhalation)

– 흉강증가

» 횡격막(diaphragm)근육을 수축하여 횡격막을 아래로 잡아 당김

» 늑골근육이 수축하여 늑골을 위로 당김

– 흉강이 확장되면서 폐도 팽창하여 공기가 폐로 유입

• 2. 날숨(exhalation)

– 들숨으로 수축했던 근육이 이완될 때 자동으로 일어남

» 횡격막 위로, 늑골 아래로, 흉강 감소, 공기는 폐 밖으로 나감

– 부가적인 공기는 복부근육이 수축할 때 빠짐

• 날숨후 폐에는 공기가 남아있음 (350ml/500ml)

– 페포 보호, 호흡계 기관부위의 공간 유지 (150ml)

(38)

Air moves in Air moves out

Rib cage

contracts Lungs

compress

Diaphragm relaxes upward Diaphragm

contracts downward Rib cage

expands Lungs

expand

(a) Inhalation (b) Exhalation

(39)

• 호흡률: 뇌의 호흡중추에 의해 조절

– 호흡중추:연수

• 호흡근육을 수축시키는 주기적인 충격파 발생

• 호흡률과 호흡 양 조절

– 호흡률: 연수에 위치한 이산화탄소 수용체에 의해 조절

» 혈액내의 이산화탄소 양을 일정수준으로 유지

– 민감하게 반응하여 0.3% 이산화탄소 농도가 증가하면 호흡률 은 2배로 증가

– 산소농도 변화에는 둔감(정상호흡은 항상 충분한 양의 산소 공 급)

» 일종의 보완장치로 산소농도의 급격한 감소는 대동맥 (aorta)과 경동맥(carotid artery)에 있는 산소 수용체가 호 흡중추 자극