혈액소, 헤모글로빈(Hemoglobin, Hb)이란?

헤모글로빈(Hemoglobin, Hb)은 적혈구 속에 다량으로 함유되어 있는 붉은색의 단백질로, 우리 몸의 구석구석에 산소를 운반하는 핵심 역할을 수행한다.
주요 기능: 산소 및 이산화탄소 운반
1. 산소 운반: 산소 농도가 높은 허파꽈리에서 산소와 결합하여 산소헤모글로빈이 된 후, 혈액을 통해 전신 조직으로 이동하여 산소를 떼어준다.
2. 이산화탄소 운반 중개: 조직에서 발생한 이산화탄소 일부와 결합하거나, 이산화탄소가 중탄산이온으로 변환되는 과정에 관여하여 허파로 운반되도록 돕는다.
3. 혈액의 색 결정: 헴에 결합한 철이 산소와 반응하면 붉은색을 띠게 되는데, 이것이 우리 피가 붉게 보이는 이유이다.

혈색소의 구성[!^1][!^2]

헤모글로빈은 적혈구에서 산소 운반을 담당하는 핵심 단백질이다. 크게 헴(Heme)과 글로빈(Globin)이 결합한 형태를 띠고 있다.
헤모글로빈은 4분자의 헴과 1분자의 글로빈이 결합하여 완성된다.

구분	성분	주요 특징
헴 (Heme)	철(Fe2+) + 프로토포르피린	실질적인 산소 결합 부위 (1개당 1분자 산소)
글로빈 (Globin)	펩타이드 사슬 (4개)	헴을 보호하고 구조를 유지하는 단백질

헴 (Heme): 철을 포함하는 부분

산소와 직접 결합하는 부위로, 헤모글로빈의 핵심 기능을 수행한다.

구성: 프로토포르피린(Protoporphyrin) 고리 중심에 철(Fe2+)이 결합한 구조이다.
산소 결합: 헴 1개당 산소 1분자가 결합한다.
결합 용량: 헤모글로빈 1분자는 총 4개의 헴을 가지고 있으므로, 최대 4분자의 산소와 결합할 수 있다.

헴(Heme)의 합성 과정

헴의 합성은 세포 내 미토콘드리아와 세포질을 오가며 진행된다.

출발 물질: Glycine + Succinyl CoA
주요 단계
1. 출발 물질들이 결합하여 δ-ALA(δ-aminolevulinic acid)를 합성한다.
2. 여러 단계를 거쳐 고리 구조인 Protoporphyrin이 생성된다.
3. Protoporphyrin 고리 중심에 철(Fe2+)이 결합하면서 최종적으로 헴(Heme)이 완성된다.

완성된 헴은 단백질 사슬인 글로빈(Globin)과 결합하여 최종적으로 산소를 운반할 수 있는 혈색소(Hemoglobin) 형태를 갖추게 된다.

합성과정의 이상과 관련 질환

헴을 만드는 재료(철, 프로토포르피린)의 균형이 깨지면 빈혈이 발생한다.

질환명	주요 병태생리	특징적인 소견
철결핍빈혈	철(Fe)이 부족하여 헴을 만들지 못함	철과 결합하지 못한 프로토포르피린이 적혈구 내에 증가함
철적혈모구빈혈	프로토포르피린 합성에 장애가 생김	활용되지 못한 철이 미토콘드리아 내에 축적되어 고리 모양을 형성함

글로빈 (Globin): 단백질 부분

헴을 감싸고 보호하며 헤모글로빈의 전체 구조를 형성하는 단백질 사슬이다.

글로빈의 구조와 구성

총 4개의 소단위(Subunit) 펩타이드 사슬(Polypeptide chain)로 구성된다.
구성원리: 일반적으로 2개의 α 글로빈 사슬과 2개의 나머지 글로빈 사슬(β, γ, δ)이 쌍을 이룬다.

표기법: 예를 들어 α2β2는 α 사슬 2개와β 사슬 2개가 결합했음을 의미한다.

구조적 특징: 글로빈 사슬 내부에 '헴 주머니'라는 공간이 있어, 이곳에 헴을 하나씩 수용하여 안정적인 헤모글로빈 구조를 완성한다.

시기별 헤모글로빈의 종류

사용되는 사슬의 종류에 따라 헤모글로빈의 명칭과 분포가 달라진다.

혈색소 종류	구성 사슬	주요 특징 및 함유율
HbA (Adult)	α2β2	성인 혈색소의 약 97%를 차지하는 주성분
HbA2	α2δ2	성인 혈색소의 약 2% 존재
HbF (Fetal)	α2γ2	태아기(3개월 이후)의 주성분, 성인은 약 1% 미만

성인은 주로 α2β2 를 사용하며, 태아는 산소 확보에 유리한 α2γ2를 사용한다.
이러한 차이는 태아가 저산소 환경인 자궁 내에서 생존하기 위한 필수적인 적응 기전이다.

태아 혈색소(HbF)의 생리적 특성

태아는 출생 전까지 모체의 혈액으로부터 산소를 공급받아야 하므로 성인과는 다른 특성을 갖는다.

산소해리곡선의 왼쪽 이동(Left Shift)
- HbF는 성인의 HbA보다 산소 친화도가 훨씬 높다.
- 이는 산소 분압이 낮은 환경(태반 등)에서도 모체의 혈액으로부터 산소를 더 강력하게 빼앗아 결합할 수 있게 해준다.
시기별 변화
- 태생기 3개월 이후에는 모두 HbF 상태이나, 출생 직후부터 급속히 성인형인 HbA로 교체된다.

혈액소의 기능: 산소운반

혈색소는 산소를 운반하는 물질이다.
산소를 운반하기 위해서는 산소와 결합해야 하는데 혈색소는 단순히 산소를 붙잡는 것이 아니라, 환경에 따라 결합력을 스스로 조절하는 영리한 운반체이다. 한다. 너무 강하게 결합하면 분리되어야 할 때 곤란해지기 때문에 결합하기 쉽고, 또한 분리되기도 쉬운 성질을 가져야만 하는 것이다.

산소분압에 따른 결합력

혈색소가 산소와 결합하는 능력은 주변의 산소 농도, 즉 산소분압에 달려 있다.

산소분압(PO2): 혈액 속에 산소가 얼마나 녹아 있는지를 나타내는 수치이다.
허파(산소분압 높음): 산소가 풍부한 허파에서는 혈색소와 산소의 친화력이 높아져 쉽게 결합한다.
조직(산소분압 낮음): 산소가 소비되어 분압이 낮은 말초 조직에서는 혈색소가 잡고 있던 산소를 쉽게 놓아주어 세포에 공급한다.

산소해리곡선 (Oxygen Dissociation Curve)

혈색소와 산소의 결합 상태를 그래프로 나타낸 것이 산소해리곡선이다.
혈색소는 산소와 하나가 결합하면 다음 산소가 더 쉽게 결합하고, 하나가 떨어지면 다음 산소도 더 쉽게 떨어지는 협동 현상을 보인다. 이 때문에 그래프는 직선이 아닌 S자형 곡선을 그리게 된다.
이 특징 덕분에 산소분압이 조금만 변해도 조직에 필요한 산소량을 민감하게 조절하여 공급할 수 있다

동맥혈 (PO2 약 100mmHg): 산소포화도 약 98% (산소와 꽉 결합함)
정맥혈 (PO2 약 40mmHg): 산소포화도 약 75% (조직에 산소를 전달하고 남은 상태)
산소 공급량: 동맥과 정맥의 포화도 차이인 23% 분량의 산소가 실제 조직으로 운반되는 양이다.

산소 방출을 돕는 '오른쪽 이동(Right Shift)'

조직이 에너지를 많이 써서 산소가 더 절실할 때, 혈색소는 산소를 더 잘 떼어내도록 성질을 바꾼다.

곡선을 오른쪽으로 이동시키는 요인 (산소 방출 촉진)
1. pH 저하 (산성도 증가): 조직에 CO2가 많아지면 pH가 낮아지며, 이는 대사 활동이 활발하여 산소가 더 필요하다는 신호이다.
2. 2, 3-DPG 증가: 혐기성 해당작용의 부산물이다. 산소가 부족해 해당작용이 항진되면 2, 3-DPG가 늘어나 혈색소에서 산소가 잘 떨어지게 만든다.
3. 체온 상승: 운동 등으로 체온이 오르면 산소 방출이 촉진된다.

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오른쪽 이동(Right Shift) vs 왼쪽 이동(Left Shift) 요인

구분	오른쪽 이동 (Right Shift)	왼쪽 이동 (Left Shift)
산소 친화도	저하 (산소를 잘 떼어줌)	상승 (산소를 꽉 붙잡음)
pH (산성도)	저하 (산성)	상승 (알칼리성)
CO2 분압	상승	저하
2, 3-DPG	증가	감소
체온	상승	저하

혈액소의 대사

적혈구의 파괴와 혈색소의 분해

수명을 다한 적혈구는 지라(비장)의 대식세포에 의해 파괴되며, 내부의 혈색소는 다음과 같이 분해된다.

글로빈(Globin): 아미노산으로 분해되어 신체에서 재이용된다.
철(Iron): Ferritin이나 Hemosiderin 형태로 저장되어 재이용된다.
헴(Heme): 철이 떨어져 나가면서 Biliverdin을 거쳐 빌리루빈(Bilirubin)으로 변환된다.

빌리루빈의 이동과 간에서의 대사

대식세포에서 생성된 빌리루빈은 물에 녹지 않는 성질이 있어 간으로 이동하여 처리 과정을 거친다.

간접 빌리루빈(Indirect Bilirubin): 빌리루빈이 혈장 단백질인 알부민과 결합한 상태이다. 수용성이 아니며 간으로 운반된다.
직접 빌리루빈(Direct Bilirubin): 간세포에서 glucuronic acid conjugation 과정을 거쳐 물에 녹는(수용성) 상태가 된 빌리루빈이다. 이후 쓸개즙(담즙)의 성분이 되어 샘창자(십이지장)로 배설된다.

장내 대사와 배설

장으로 내려간 빌리루빈은 장내 세균과 효소에 의해 최종 산물로 변한다.

Urobilinogen: 직접 빌리루빈이 장내 세균에 의해 환원된 형태이다.
Stercobilin: Urobilinogen이 대장에서 효소 작용을 받아 변한 물질로, 대변의 황갈색을 만드는 주원인이다.
창자간순환: Urobilinogen의 일부는 대장에서 재흡수되어 다시 간으로 돌아간다. 이 과정에서 일부는 혈액을 타고 신장으로 가서 소변으로 배설되기도 한다.

적혈구의 대사

단계	주요 변화 및 물질	비고
지라 (대식세포)	혈색소 → 헴 → 빌리베르딘 → 빌리루빈	철과 글로빈은 재이용됨
혈액 이동	빌리루빈 + 알부민 (간접 빌리루빈)	지용성, 간으로 이동
간 (Liver)	글루쿠론산 포합 (직접 빌리루빈)	수용성, 담즙으로 배설
장 (Intestine)	Urobilinogen → Stercobilin	대변 색(황갈색)의 원인
신장 (Kidney)	Urobilinogen (재흡수된 일부)	소변으로 배설

혈색소의 대사[!^3]

적혈구의 헤모글로빈이나 다른 헴단백질에서 방출된 헴(Heme)은 효소 과정을 통해 분해된다. 이 과정에서 헴 산소화효소(Heme oxygenase)가 관여하며, 이 효소는 NADPH와 산소를 필요로 하는 2단계 반응에서 첫 번째 단계이자 속도 조절 단계 역할을 수행한다. 그 결과로 철(Iron)이 방출되고 일산화탄소(CO)와 Biliverdin이 형성된다. 합성 헴 유사체인 Metalloporphyrins은 헴 산소화효소의 활성을 경쟁적으로 억제할 수 있다.

Biliverdin은 Biliverdin reductase라는 효소에 의해 빌리루빈(Bilirubin)으로 더 환원된다. 생성된 일산화탄소는 guanylyl cyclase (GC)를 활성화하여

cyclic guanosine monophosphate (cGMP)의 형성을 유도할 수 있다. 또한 일산화탄소는 산소헤모글로빈에서 산소를 밀어내거나 호흡을 통해 배출될 수 있다.

형성된 빌리루빈은 간으로 흡수되어 uridine diphosphate 및 monophosphate glucuronosyltransferase에 의해 촉매되는 반응을 거친다. 이를 통해

glucuronic acid과 결합하여 bilirubin monoglucuronide(BMG) 또는 bilirubin diglucuronide(BDG)를 형성한다. 이렇게 결합된 bilirubin glucuronides는 장관 내로 배설되지만, 그림에 나타난 바와 같이 세균에 의해 결합이 해제되어(deconjugated) 빌리루빈 상태로 다시 혈액 순환계로 재흡수될 수 있다.

혈색소에 이상을 일으키는 질환

혈색소는 헴(Heme)과 글로빈(Globin)으로 구성되는데, 어느 부분에 문제가 생기느냐에 따라 크게 세 가지 질환군으로 나뉜다.

헴(Heme)의 철 이온 상태 이상

병태: 헴의 중심에 있는 철이 산소 운반이 가능한 이가철(Fe2+) 상태에서 산소와 결합할 수 없는 삼가철(Fe3+) 상태로 변한 것이다.
관련 질환: 메트헤모글로빈혈증 (Methemoglobinemia)
특징: 혈액의 산소 운반 능력이 현저히 떨어져 피부가 푸르게 변하는 청색증이 나타날 수 있다.

글로빈 사슬(Globin chain)의 양적 결핍

병태: 글로빈을 구성하는 α 사슬이나 β 사슬의 합성량 자체가 줄어들거나 아예 만들어지지 않는 경우이다.
관련 질환: 지중해빈혈 (Thalassemia)
특징: 사슬 간의 불균형으로 인해 적혈구가 제대로 형성되지 못하고 쉽게 파괴되어 빈혈을 일으킨다.

글로빈 사슬의 구조적 이상 (질적 이상)

병태: 글로빈 사슬을 이루는 아미노산의 서열(배열)에 변이가 생겨 단백질의 구조 자체가 비정상적으로 변한 경우이다.
관련 질환: 혈색소이상증 (Hemoglobinopathy)
대표 예시: 낫 모양 적혈구 빈혈(Sickle cell anemia) 등이 여기에 해당하며, 비정상적인 구조 때문에 적혈구가 쉽게 용혈되거나 혈관을 막기도 한다.

혈색소에 이상을 일으키는 질환

이상 부위	변이 형태	대표 질환
헴 (Heme)	철의 산화 상태 변화 (Fe2+ to Fe3+)	메트헤모글로빈혈증
글로빈 (Globin)	사슬 합성량의 부족 (양적 이상)	지중해빈혈
글로빈 (Globin)	아미노산 배열의 변이 (구조적 이상)	혈색소이상증

참고자료

Thomas C, Lumb AB. Physiology of haemoglobin. Contin Educ Anaesth Crit Care Pain 2012;12(5):251–6.
Ahmed MH, Ghatge MS, Safo MK. Hemoglobin: Structure, Function and Allostery. Subcell Biochem 2020;94:345–82.
Dennery PA, Seidman DS, Stevenson DK. Neonatal hyperbilirubinemia. N Engl J Med 2001;344(8):581–90.

적혈구(Red blood cell, RBC)에 대한 이해

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