혈액의 구성, circulating fluid, 지질의 순환 방법, 호흡색소

우리몸을 순환하는 유체, 체액(fluid)은 크게 두가지 구성 성분으로 나눌 수 있다. 혈장과 세포 성분들이다. 혈장의 경우에는 물을 포함하는 다양하고 널리 퍼져있는 분자들로 구성된 것이며 세포 성분의 경우에는 전문화된 종류의 세포들로 구성된 부분을 의미한다. 혈액림프에는 혈구라고 불리는 면역 기능을 담당하는 다양한 세포들로 구성되어 있고 혈액응고 기능을 하기도 하며 산소 운반을 맡는다. 척추동물에는 이러한 기능들이 혈장속에 3가지 특별하고 구체화된 세포들에 의해서 시행된다. 첫 번째로는 흔히 적혈구라고 불리는 Erythrocytes이다. 산소 운반이 주 역할이다. 두번째로는 백혈구인 Leukocytes이다. 주로 면역을 담당한다. 세번째는 혈소판이다. 혈액의 응고를 담당한다.

Hematocrit이라고 혈구와 혈장을 원심분리하여 혈액속에서 혈구가 얼마나 차지하고 있는지를 판단하는 방법이다. 전체 혈액 샘플을 튜브에 넣고, 항응고 처리를 한뒤 원심 분리를 하게 되면 무거운 쪽이 아래로 가라앉고 상대적으로 가벼운 혈장 성분들은 위로 뜨게 된다. 이러한 과정을 Hematocrit, 또는 Packed cell volume이라고 한다.

척추동물에서 이 값은 산소운반용적의 중요한 지표가 된다. 척추동물은 진화론적으로 산소 요구량이 증가하거나 저산소 환경에서 이 값이 높아지도록 진화되어 왔다.

 

혈장은 주로 90% 이상이 물로 구성되어 있다. 이것은 체액을 통해 운반되는 다량의 무기 또는 유기 물질의 배지 역할을 한다. 포유류에서 가장 많은 유기 구성물질은 혈장단백질이며 이것은 혈장의 전체 무게에 약 8%을 차지 한다. 혈장 속 가장 풍부한 이온으로는 HCO3-, K+, Ca2+ 등이 있다. 이러한 세포외액 이온들의 가장 특징적인 기능으로는 막전위(항상 휴지상태에서 분극을 유지하거나 탈분극 후 재분극에 있어서 칼륨이온의 역할이 중요하다.) 세포외액과 세포간의 삼투압 작용 그리고 산염기 조절에 중요한 버퍼 역할이다. 혈장 속 나머지 작은 부분을 자치하는 것으로는 포도당, 아미노산, 지질과 같은 영양소와 크레아티닌, 빌리루빈, 요소 등과 같은 노폐물질이 있으며 산소와 이산화탄소같은 용해된 기체물질 그리고 호르몬도 존재한다.

대부분의 물질은 거의 수송되거나 혈장속에서 기능을 딱히 따로 가지지는 않는다.

 

혈장 단백질의 불특정한 중요한 기능에 대해서 설명해보자면

첫번째는 콜로이드 삼투압 작용이다. 다른 혈장 구성성분과는 다르게 혈장 단백질은 콜로이드 형태로 혈장속에 퍼져 있다. 더 나아가서, 혈장 단백질은 가장 혈장속에서 큰 분자량으로, 간질액(interstitial fluid)로 들어가기 위해 혈관 벽의 구멍을 통해서 다니지 않는다.

그러므로 혈장 단백질은 잔류하면서 혈액과 간질액 사이에 삼투압 농도구배를 형성한다. 이 콜로이드 삼투압은 주로 혈장이 혈관에서 간질액으로 이탈하여 손실을 막아 혈장 부피를 유지하는데 도움을 준다.

두번째는 버퍼(buffer)역할이다. 혈장 단백질은 부분적으로 산염기 균형이 깨지는 것을 막는 역할을 한다. 과도하게 생성되는 H+이온을 완충하는 역할을 수행한다.

 

척추동물은 3가지 주요 혈장 단백질로 구분할 수 있다.

첫번째는 피브리노겐(fibrinogen)이다. 혈액 응고 과정에 관여한다. (피브린)

두번째는 알부민(albumin)이다. 포유류 혈장속에 가장 풍부하게 들어있는 단백질로서 많은 물질과 결합한다. 특히 빌리루빈이나 담즙염, 지방산등이 있다. 빌리루빈의 경우에는 간에서 conjugate되기 전까지는 수용성이 아니므로 운반될 때 반드시 알부민에 부착해서 간까지 운반된다. 간으로 들어갈때는 알부민과 다시 분리가 되고, unconjugated 빌리루빈은 간의 과정을 거쳐 수용성인 conjugated 빌리루빈으로 가공된다.

세번째는 글로불린(globulins)이다. 글로불린은 알파, 베타, 그리고 감마 형태로 나뉜다.

역할로서 구분지어보면, 수송역할에는 알파와 베타 글로불린이 많은 혈장속 물질들과 결합하고 수송하는 역할을 한다. 여기에는 갑상선 호르몬, 콜레스테롤, 철이 있다.

혈액응고로서는 많은 요소들이 혈액응고과정에 관여하는데 이것은 간단하게 설명하면 알파와 베타글로불린이 관여한다고 생각하면 된다.

조절자로서의 역할과 면역역할이 있는데 조절자의 역할로서는 호르몬과 같이 전구체의 형태로 활성화 되기 위해서 특별한 신호가 필요한 비활성화 단백질들이 알파글로불린 그룹에 속한다.

면역역할자로서는 감마 글로불린이 일명 항체(Antibodies)인 면역글로불린인데 이것은 척추동물에 있어서 방어체계에 매우 중요한 역할을 한다.

 

이러한 단백질은 주로 간에서 합성된다. 몇몇은 혈관내막 세포에서 생성되기도 한다.

 

지질의 경우는 물에 녹지않는 소수성이기 때문에 혈액이나 혈액림프액에 녹을 수가 없다. 이러한 이유로, 거의 모든 지질들은 apolipoprotein이라 불리는 혈장단백질 수송물질에 붙는 droplet형태로 바뀌어 혈액속을 순환한다.

이러한 droplets은 lipoproteins이라고 불리는데 혈액속을 순환할 수 있으며 조직사이로 지질을 운반할 수 있다.

모든 동물들의 세포는 이러한 지질을 필요로 하는데 두가지 이유가 있다.

첫번째는 에너지의 목적이다. 중성지방(triglycerides)의 경우에는 화학 에너지의 큰 저장고를 형성하는 한편 구조용 지질은 막 형성에 사용된다. 후자에는 일차 담즙 자체를 구성하는 인산화물과 막의 안정화를 위한 콜레스테롤의 두 종류가 있다. 또한 몇몇 특수 세포 타입은 스테로이드 호르몬이나 담즙염과 같은 분비물의 합성의 재료로 콜레스테롤을 이용한다. 대부분의 세포는 이러한 지질들을 충분히 조절할 수 없기 때문에 보충적인 지질들을 전달하기 위해 순환에 의존해야 한다. 식이 섭취에는 두 가지 원인이 있는데, 식이 섭취에는 동물 조직이 식물 조직과 비교하여 특히 콜레스테롤이 풍부하다. 그리고 다른 장기에 의한 생합성, 예를 들어 척추동물의 간이다.

 

밀도 특성에 의해 크게 4가지 주요 지질단백질을 설명할 수 있다.
• 장내 흡수 세포에서 생성되는 킬로마이크론(CM)은 식사 후 트리글리세리드, 콜레스테롤, 인지질을 운반한다.
• 고밀도지질단백질(HDL)이 있는데 이것은 거의 모든 단백질과 일부 인지질, 가장 적은 콜레스테롤을 함유하고 있다.
• 단백질 함량이 적은 저밀도 지단백질(LDL), 일부 인산화물을 포함하고 있으며, 콜레스테롤 함량이 더 높다.
• 극저밀도 지단백질(VLDL)은 가장 적은 단백질과 가장 많은 지질을 함유하고 있으나 이들이 운반하는 지질은 에너지용 트리글리세라이드다.

 

지질이 포장되고 운반되는 과정을 정리를 해보면 다음과 같다.

 

1. 에너지(트리글리세리드)와 구조(인산화물, 콜레스테롤)에 대한 식단의 지질은 소장에 의해 림프와 혈액에 들어가는 차일론자로 포장된다.
2. 아디포스(adipose)로서 트리글리세리드의 일부를 프리 지방산(FFA)으로 추출하여 저장하기 위해 트리글리세리드로 다시 전환한 다음 남은 음식인 칠로미크론 잔존물은 간으로 간다.
3. 간은 지질을 VLDL로 다시 포장하여 혈액으로 운반하며, VLDL은 에너지 지질을 아디포즈 및 기타 신체 세포에 전달한다.
4. 남은 음식은 중밀도 지단백질(IDLs)이 되고, 그 다음 LDLs가 되어 구조지질이 지배한다.
5. LDL은 혈관벽에 안감을 주는 것을 포함하여 대부분의 체세포(5단계)에 콜레스테롤과 인지질을 전달한다. LDL은 혈관 벽에 LDL 콜레스테롤이 병적으로 축적된 Plague가 사람과 돼지와 같은 많은 국내 포유류에서 차 심혈관 질환의 주요 원인이고 연어와 같은 일부 야생 척추동물에서 발생할 수 있기 때문에 "나쁜" 콜레스테롤이라고 불리는 경우가 많다.
6. 이와는 대조적으로 HDL 콤플렉스에서 운반되는 콜레스테롤은 세포에서 과도한 콜레스테롤을 제거하여 간으로 운반하기 때문에 "좋은" 콜레스테롤이라고 불린다.
7. 과잉은 담즙으로 부분적으로 제거된다. 담즙은 장내에 들어가며, 담즙염은 소화과정에 참여한다(지방 소화에 관여). 분비되는 콜레스테롤과 담즙염의 대부분은 나중에 장(회장에서 재흡수된다.)에서 혈액으로 다시 흡수되어 간으로 재활용되지만, 흡수에 의해 재생되지 않는 콜레스테롤 분자는 대변에서 제거된다.

 

세포는 LDLs의 아폴리포단백질을 결합할 수 있는 혈장막에서 수용체 단백질에 의해 인산염과 콜레스테롤을 흡수한다. LDL 입자가 세포막 수용체 중 하나에 결합하면 세포는 세포내 분열에 의해 입자를 집어삼킨다. 세포 내에서, 라이소좀 효소는 LDL을 분해하여 지질을 자유롭게 하여 세포가 새로운 세포막의 합성을 가능하게 한다.

 

많은 동물들에서, 다른 중요한 순환 단백질의 종류의 기능 중 하나는 호흡색소이다. 이것들은 세포호흡을 위해 O2를 운반하는 데 필수적인 산소 결합 단백질이다. 동물의 호흡 색소는 망상에 따라 상당히 다르며, 특정 종에서 하나 이상의 이소형일 수 있다. 가장 흔한 두 가지는 헤모글로빈과 헤모시아닌이다. 헤모글로빈의 경우 척추동물의 단백질이며, 비척추동물에게는 O2 분자를 묶기 위해 철 원자를 사용하는 단백질이다. 그리고 갑각류와 같은 많은 연체동물들의 단백질과 절지동물에는 헤모시아닌으로 존재한다.

하나의 산소 분자를 묶기 위해 두 개의 구리 원자를 사용한다. 대부분의 곤충들은 호흡 색소를 가지고 있지 않다. 왜냐하면 그들의 기관 체계는 조직으로 직접 O2를 운반하기 때문이다. 그러나, 어떤 종들은 기관지가 부족한 반면에 다른 종들은 조직으로 확장되지 않는 기관들을 가지고 있기 때문에, Arachnids은 헤모시아닌을 가지고 있다. 헤모시아닌은 폐나 기관단말기 사이에 O2를 근육과 다른 장기로 전달하기 위해 용혈로 순환한다.
색소 단백질은 용혈이나 혈액 속에 용해될 수 있는데, 이것은 대부분의 annelids, 절지동물, 그리고 몇몇 다른 비척추동물들의 경우 그러하다. 그러나 많은 동물에서 이러한 단백질은 혈장 자체에 있는 것이 아니라 전문화된 세포에 들어 있다. 만약 그것들이 산소가 결합되었을 때 불그스름한 헤모글로빈을 함유하고 있다면, 이 세포들은 에리스트로시테스(erytro, "red")라고 불린다.

 

 참고서적 : Animal physiology from genes to organisms 2nd edition