私たちの体では、細胞が酸素を使って栄養素からエネルギーを取り出すたびに、二酸化炭素が生まれます。二酸化炭素はそのまま体内にため続けることはできません。増えすぎると血液のpHが下がり、神経や筋肉、心臓などの働きに影響するため、血液で肺まで運び、呼吸によって外へ排出する必要があります。
ただし、二酸化炭素は酸素とは少し違う方法で運ばれます。血液中の二酸化炭素の多くは、気体のまま運ばれるのではなく、赤血球内で重炭酸イオンへ変換されます。一部は血液に溶けたまま、一部はヘモグロビンなどのタンパク質へ結合して運ばれます。
そして肺へ来ると、この反応が逆向きに進み、重炭酸イオンから再び二酸化炭素が作られます。二酸化炭素は血液から肺胞へ拡散し、呼気によって体外へ出ます。つまり二酸化炭素の排出とは、細胞代謝・血液輸送・肺胞ガス交換・換気をつないだ一連の仕組みです。
二酸化炭素は細胞のエネルギー代謝で生まれる
体の細胞は、糖質や脂質などを分解し、酸素を使ってATPというエネルギー源を作ります。その過程で最終的に二酸化炭素と水が生じます。
とくにミトコンドリアの代謝では、ピルビン酸の酸化やクエン酸回路などを通じて二酸化炭素が発生します。運動して筋肉の代謝が増えれば、二酸化炭素の産生量も増えます。
つまり二酸化炭素は、単なる「肺で作られる排気ガス」ではありません。全身の細胞でエネルギーを作った結果として生まれ、血流に乗って肺へ集められる代謝産物です。
組織で生まれた二酸化炭素は、血液へ拡散する
活動している組織では二酸化炭素分圧が高く、そこを流れる動脈血は相対的に二酸化炭素分圧が低くなっています。
そのため、二酸化炭素は細胞から組織液へ、さらに毛細血管内の血液へ分圧差に従って拡散します。
二酸化炭素は酸素より水や組織へ溶けやすいため、細胞膜や毛細血管壁を比較的移動しやすい性質があります。
こうして末梢組織で作られた二酸化炭素が静脈血へ集められ、心臓を経て肺へ運ばれます。
血液中の二酸化炭素は一つの形だけで運ばれるわけではない
血液中の二酸化炭素には、大きく三つの存在形態があります。
一つは血漿や赤血球内に物理的に溶けた二酸化炭素です。二つ目は、赤血球内で反応して作られた重炭酸イオンです。三つ目は、ヘモグロビンなどのタンパク質のアミノ基へ結合したカルバミノ化合物です。
量として最も大きいのは重炭酸イオンの形です。海外のレビューでも、血液中の二酸化炭素輸送では重炭酸イオンが主要な形であり、溶存二酸化炭素やカルバミノ化合物も合わせて輸送に参加すると整理されています。
二酸化炭素を化学的に別の形へ変えられることで、血液は大量の二酸化炭素を肺まで運べます。
赤血球では炭酸脱水素酵素が二酸化炭素の変換を加速する
二酸化炭素が赤血球へ入ると、水と反応して炭酸になり、さらに水素イオンと重炭酸イオンへ分かれます。
この反応は自然にも起こりますが、そのままでは血液循環の速さに十分対応できません。赤血球には炭酸脱水素酵素という非常に働きの速い酵素があり、二酸化炭素と重炭酸イオンの相互変換を大幅に加速します。
そのため、組織で二酸化炭素をすばやく重炭酸イオンへ変え、肺では逆に重炭酸イオンから二酸化炭素をすばやく再生できます。
炭酸脱水素酵素は、二酸化炭素輸送を血液循環の時間スケールで成立させる重要な酵素です。
重炭酸イオンへ変えることで、二酸化炭素を大量に運べる
二酸化炭素を気体として血液に溶かすだけでは、輸送できる量に限界があります。
赤血球内で二酸化炭素を重炭酸イオンへ変えると、重炭酸イオンは赤血球の外の血漿へ移動でき、血液全体を使って大量に運ぶことができます。
日本の臨床化学資料でも、二酸化炭素は代謝で作られ、炭酸―重炭酸イオン系を通じて肺呼吸と血液pH調節に関わることが説明されています。
この化学変換は、二酸化炭素を単なる気体としてではなく、血液中で運搬しやすいイオン形へ変える仕組みと考えると分かりやすいでしょう。
重炭酸イオンが赤血球から出るとき、塩化物イオンが入れ替わる
赤血球内で増えた重炭酸イオンの多くは、赤血球膜を通って血漿側へ移動します。
そのとき電気的なバランスを保つため、塩化物イオンが反対方向に赤血球内へ入ります。これを塩化物移動、またはchloride shiftと呼びます。
赤血球膜のband 3という陰イオン交換タンパク質が、この重炭酸イオンと塩化物イオンの交換を担います。
この仕組みによって、重炭酸イオンを血漿へ効率よく移し、赤血球内でさらに二酸化炭素を重炭酸イオンへ変換し続けることができます。
水素イオンはヘモグロビンが受け止め、急激なpH低下を防ぐ
二酸化炭素が重炭酸イオンへ変わる反応では、水素イオンも生じます。
水素イオンがそのまま増えれば、血液pHは大きく低下します。そこで赤血球内のヘモグロビンが水素イオンを受け止める緩衝作用を持ちます。
とくに酸素を放した還元型ヘモグロビンは、水素イオンを受け止めやすい性質があります。そのため、組織で酸素を放出した赤血球は、同じ場所で二酸化炭素と水素イオンを受け取るのにも適しています。
酸素輸送と二酸化炭素輸送は、別々ではなくヘモグロビンの性質を通じて互いに結びついています。
一部の二酸化炭素はヘモグロビンへ直接結合して運ばれる
血液中の二酸化炭素の一部は、ヘモグロビンのアミノ基へ直接結合し、カルバミノヘモグロビンとして運ばれます。
二酸化炭素はヘム鉄へ酸素と同じ場所に結合するわけではありません。ヘモグロビン分子の別の部位へ結合します。
また、酸素を放したヘモグロビンの方が、二酸化炭素や水素イオンを受け取りやすい性質があります。
このため、末梢組織で酸素を放した血液は二酸化炭素を運びやすくなります。
Haldane効果により、静脈血は二酸化炭素を受け取りやすい
ヘモグロビンが酸素を放すと、二酸化炭素と水素イオンをより多く受け止められるようになります。この現象をHaldane効果と呼びます。
組織ではヘモグロビンが酸素を放すため、その血液は二酸化炭素を積み込みやすい状態になります。
反対に肺では、ヘモグロビンへ酸素が結合すると二酸化炭素や水素イオンを保持しにくくなり、二酸化炭素を放出しやすくなります。
つまりHaldane効果は、組織では二酸化炭素を積み、肺では二酸化炭素を下ろす方向に働く仕組みです。
静脈血は二酸化炭素を載せて右心系から肺へ戻る
末梢組織で二酸化炭素を受け取った血液は静脈を通り、右心房、右心室へ戻ります。
右心室から肺動脈を通って肺へ送られ、肺胞周囲の毛細血管へ入ります。
ここで血液は、酸素が少なく二酸化炭素が多い状態です。一方、肺胞では換気によって二酸化炭素分圧が比較的低く保たれています。
この分圧差が、血液から肺胞へ二酸化炭素を移す駆動力になります。
肺では重炭酸イオンが赤血球へ戻り、二酸化炭素へ変換される
肺毛細血管では、組織で起きた反応がほぼ逆向きに進みます。
血漿中の重炭酸イオンが赤血球内へ戻り、塩化物イオンが外へ出ます。重炭酸イオンは水素イオンと結びついて炭酸となり、炭酸脱水素酵素によって水と二酸化炭素へ速やかに変換されます。
同時に、肺で酸素がヘモグロビンへ結合すると、Haldane効果によってヘモグロビンから水素イオンや二酸化炭素が放されやすくなります。
こうして血液中に運ばれてきた二酸化炭素が、肺胞へ出せる気体の形へ戻されます。
血液から肺胞へ出るのも、分圧差による拡散
肺毛細血管へ来た静脈血では二酸化炭素分圧が肺胞気より高いため、二酸化炭素は血液側から肺胞側へ拡散します。
二酸化炭素は組織や液体に溶けやすいため、肺胞―毛細血管膜を比較的速く通過できます。
そのため、正常な肺では酸素と同様に非常に短い時間でガス交換が進みます。
ただし、肺胞へ二酸化炭素を出しただけでは排出は完了しません。肺胞の二酸化炭素を呼気として外へ運ぶ換気が必要です。
肺胞換気が二酸化炭素排出量を左右する
体が一定量の二酸化炭素を作っている条件では、肺胞換気が少なくなるほど二酸化炭素は体内に残りやすくなり、動脈血二酸化炭素分圧は上がります。
反対に肺胞換気が増えると、肺胞内の二酸化炭素がより多く外へ排出され、動脈血二酸化炭素分圧は下がります。
このためPaCO2は、酸素化だけでなく「肺胞換気が代謝で作られた二酸化炭素を十分に排出できているか」を見る重要な指標です。
単に呼吸数が多いか少ないかではなく、一回ごとの有効な換気量を含めた肺胞換気が重要です。
浅く速い呼吸では、呼吸数が多くても二酸化炭素を十分に出せないことがある
呼吸数が増えていても、一回換気量が非常に小さいと、吸った空気の多くが気管や気管支などガス交換をしない死腔を出入りするだけになることがあります。
その場合、肺胞まで届く新鮮な空気が十分に増えず、二酸化炭素排出も思ったほど増えません。
逆に、ある程度深い呼吸で肺胞換気がしっかり確保されれば、二酸化炭素を効率よく排出できます。
「速く呼吸している＝換気が十分」とは限らない理由はここにあります。
二酸化炭素排出は血液pHの調節に直結する
二酸化炭素は、水素イオンと重炭酸イオンの平衡に関わります。
二酸化炭素が体内に増えると、反応は水素イオンが増える方向へ進み、血液pHは低下しやすくなります。逆に二酸化炭素を過剰に排出すると、水素イオンは減る方向へ動き、pHは上昇しやすくなります。
海外の酸塩基平衡レビューでも、呼吸器によるPaCO2の調節は炭酸―重炭酸緩衝系を通じて血液pHを保つ中心的な仕組みとされています。
肺が二酸化炭素を排出する意味は、単なる老廃物排泄だけでなく、酸塩基平衡の維持にもあります。
低換気では二酸化炭素がたまり、呼吸性アシドーシスにつながる
呼吸筋の働きが弱い、鎮静薬などで呼吸中枢が抑えられる、重い気道閉塞があるなどの理由で肺胞換気が低下すると、二酸化炭素を十分に出せなくなります。
その結果PaCO2が上昇し、血液pHが下がる呼吸性アシドーシスが起こることがあります。
急激な二酸化炭素上昇では、頭痛、眠気、意識障害などが現れることもあります。
慢性的に高二酸化炭素血症が続く場合には、腎臓が重炭酸イオンを保持するなどしてある程度補正しますが、肺の換気障害そのものがなくなるわけではありません。
過換気では二酸化炭素が減り、呼吸性アルカローシスにつながる
不安、痛み、高地、発熱などで肺胞換気が代謝性二酸化炭素産生量を上回ると、二酸化炭素を出しすぎることがあります。
するとPaCO2が低下し、血液pHが上がる呼吸性アルカローシスが起こります。
急な過換気では、手足や口の周りのしびれ、ふらつき、めまいなどが現れることがあります。
「二酸化炭素は不要物だから、少なければ少ないほどよい」というわけではありません。適切な濃度範囲に保たれることが重要です。
運動すると二酸化炭素産生も排出も増える
運動すると筋肉の代謝が活発になり、酸素消費量とともに二酸化炭素産生量も増えます。
体はそれに合わせて換気量を増やし、増えた二酸化炭素を肺から排出します。通常の運動では、二酸化炭素産生と換気が適切に釣り合うため、PaCO2は大きく上昇せずに保たれます。
さらに強い運動で乳酸が増えると、重炭酸による緩衝反応から追加の二酸化炭素が生じ、換気がさらに増えることがあります。
運動時の換気増加は、酸素を取り込むためだけでなく、増えた二酸化炭素と酸負荷を処理するためにも重要です。
呼吸中枢は二酸化炭素とpHの変化を強く監視している
呼吸の調節では、酸素だけでなく二酸化炭素が非常に重要な情報になります。
二酸化炭素は血液脳関門を通りやすく、脳脊髄液内で水素イオン濃度を変化させます。脳幹の中枢化学受容器はこの変化を感知し、換気を調整します。
また頸動脈小体などの末梢化学受容器も、二酸化炭素、pH、低酸素などの変化へ反応します。
二酸化炭素が増えると呼吸が強く促されるのは、体が二酸化炭素と酸塩基平衡を厳密に管理しているためです。
肺の病気では、二酸化炭素排出が酸素化とは別に問題になることがある
肺炎や肺塞栓などでは酸素化が悪くなっても、二酸化炭素は比較的排出されている場合があります。
二酸化炭素は酸素より拡散しやすいうえ、体は換気を増やして補えることがあるためです。
一方、COPDの重症化や呼吸筋疲労、神経筋疾患などで肺胞換気そのものが維持できなくなると、二酸化炭素が体内へ蓄積しやすくなります。
そのため呼吸不全を考えるときは、酸素が足りているかだけでなく、二酸化炭素を十分に排出できているかも別に評価する必要があります。
まとめ：二酸化炭素排出は、代謝・血液・肺・換気をつなぐ酸塩基調節システム
体で生まれた二酸化炭素が息として排出されるまでには、いくつもの段階があります。
細胞代謝で生じた二酸化炭素は組織から血液へ拡散し、血液中では溶存二酸化炭素、重炭酸イオン、カルバミノ化合物として運ばれます。とくに重炭酸イオンへの変換には赤血球の炭酸脱水素酵素が重要で、ヘモグロビンの緩衝作用やHaldane効果も輸送を助けます。
肺では反応が逆向きに進み、重炭酸イオンから二酸化炭素が再生され、血液から肺胞へ拡散します。そして肺胞換気によって呼気として体外へ排出されます。
この排出量が少なすぎれば二酸化炭素が蓄積して呼吸性アシドーシスにつながり、多すぎれば呼吸性アルカローシスにつながります。
つまり呼吸で二酸化炭素を排出するのは、単に代謝産物を捨てるためではありません。細胞で作られた二酸化炭素を効率よく肺へ運び、血液pHを保ちながら体外へ出す、生命維持に欠かせない調節機構なのです。
参考資料
- 大久保研之「バンド3蛋白質と疾患」臨床化学
- 「生化学分析装置における血清重炭酸塩（総CO2）の測定」医学検査
- Carbon dioxide transport and carbonic anhydrase in blood and muscle
- Blood Gas Transport: Carriage of Oxygen and Carbon Dioxide in Blood
- The respiratory system and acid–base disorders
コメント