모세혈관에서 물질 교환은 어떻게 일어나는가

모세혈관 벽의 내피세포(endothelium)는 물질의 특성에 따라 서로 다른 경로로 교환을 허용하며, 짧은 통과 시간 안에 거의 완벽한 교환이 이루어진다.

❶ 생각해 보셨나요?

모세혈관의 지름은 5~9 마이크로미터, 적혈구 하나가 겨우 통과할 정도로 좁다. 그런데 이 좁은 통로를 지나는 짧은 시간 동안 산소, 포도당, 이온이 조직으로 충분히 전달될 수 있을까?

모세혈관 내피세포를 통과하는 경로는 크게 두 가지다.

경로 1 — 내피세포 전체를 통과 (지용성 물질) 산소(O₂), 이산화탄소(CO₂), 지용성 물질은 세포막이 지질 이중층으로 이루어져 있어 세포 어디서든 자유롭게 통과한다. 내피세포 전체 표면적을 이동 경로로 쓸 수 있으므로 교환 속도가 매우 빠르다.

경로 2 — 내피세포 사이 간극(cleft)을 통과 (수용성 물질) 소듐(Na⁺), 포타슘(K⁺), 염소이온(Cl⁻), 포도당 같은 수용성 물질은 지질 이중층을 통과하지 못한다. 대신 세포와 세포 사이의 간극(약 6~7 나노미터)을 이용해 이동한다.

이 간극은 적혈구 직경의 약 1/1,000에 불과할 만큼 좁다. 그러나 간극이 워낙 많고 확산이 빠르기 때문에 모세혈관을 통과하는 동안 혈장이 간질액과 약 80회 교환될 수 있다. 20번만 교환해도 거의 완벽한 평형에 도달한다.

알부민(albumin) 같은 단백질은 간극보다 크기 때문에 정상 상태에서는 통과하지 못한다.

앞서 설명한 구조는 골격근 등 일반 조직의 모세혈관 기준이다. 장기별로 기능에 맞게 설계가 다르다.

간(liver) — 내피세포 사이 간극이 넓어 단백질도 자유롭게 통과한다. 장에서 흡수된 물질을 포함해 모든 성분을 일단 받아들여 해독·검사할 수 있는 구조다.
신장 사구체(glomerulus) — 매우 높은 압력으로 혈액을 밀어 넣어 이온과 물을 여과시킨다. 단백질은 통과시키지 않지만 이온 투과성은 근육보다 훨씬 높다.

즉 모세혈관은 한 가지 표준 구조가 아니라, 각 장기의 기능에 맞게 투과성이 조율되어 있다.

모세혈관의 교환은 물질 특성(지용성 vs 수용성)과 장기별 내피 구조에 따라 정밀하게 나뉜다. 좁은 간극과 짧은 통과 시간에도 거의 완벽한 교환이 가능한 것은, 확산 속도가 빠르고 교환 횟수가 충분하기 때문이다.

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