일반적인 휴식 상태에서 산소가 분리된 혈액 100mL는 53mL에 해당하는 이산화탄소를 포함하고 있으며, 용해된 상태로 조직세포에서 혈액으로 확산된 이산화탄소는 혈액에 의해 세 가지 형태로 운반된다.
첫째로, 혈액에 녹아서 운반된다. 7%의 이산화탄소는 혈장에 용해된 상태로 운반된다. 폐에 도달하면 이산화탄소는 폐포로 확산되어 몸밖으로 배출된다. 동맥혈에는100mL당 약 2.4mL, 정맥혈에는 약 2.7mL가 녹아 있어 혈액 100ml당 약 0.3mL의 이산화탄소가 운반된다.
둘째로, 카바미노화합물로 운반된다. 약 23%의 이산화화탄소는 혈액 속에 있는 단백질과 아미노산의 아미노산과 결합하여 카바미노화합물(carbamino compounds)을 만든다. 혈액 속에 있는 가장 많은 단백질은 헤모글로빈으로 대부분의 이산화탄소는 헤모글로빈과 결합한다. 이산화탄소가 결합하는 주요 결합 부위는 두개의 알파와 베타 사슬의 끝에 있는 아미노산이다. 이산화탄소와 결합한 헤모글로빈을 카바미노헤모글로빈(carbaminohemoglobin)이라고 한다. 카바미노헤모글로빈이 만들어지는 것은 이산화탄소 분압의 영향을 크게 받는다. 예를 들어 조직세포에서는 이산화탄소의 분압이 높아 카바미노헤모글로빈의 형성이 촉진되지만 폐포의 모세혈관에서는 이산화탄소 분압이 상대적으로 낮아 이산화탄소가 글로빈으로부터 쉽게 분리되고 확산에 의해 폐포로 들어간다.
셋째로, 탄산수소이온(bicarbonate ion, 중탄산이온)으로 운반된다. 70%의 이산화탄소는 탄산수소이온의 형태로 혈장에 의해 운반된다. 적혈구 속으로 들어간 이산화탄소는 탄산탈수소효소(carbonic anhydrase)의 작용에 의해 물과 반응하여 수소이온(H+)과 탄산수소이온(HCO3-, 중탄산이온)으로 나누어진다. 따라서 혈액으로 이산화탄소가 이동하면 적혈구 내에 탄산수소이온이 축적된다. 이 중 일부의 탄산수소이온은 혈장으로 빠져나가 농도경사를 감소시키고, 그대신 염화이온이 혈장으로부터 적혈구로 들어간다. 이러한 음이온의 교환은 혈장과 적혈구 내의 전기적 평형을 유지시켜준다. 이러한 반응은 조직세포로부터 이산화탄소를 제거한다. 혈액이 폐의 모세혈관을 지나갈 때 이러한 반응이 역으로 일어나고 이산화탄소가 배출된다.
산소를 떼어내고 폐 모세혈관으로 돌아온 혈액은 이산화탄소가 혈장에 용해되어 있거나, 글로빈(globin)과 결합한 카바미노헤모글로빈, 적혈구에 탄산수소이온(HCO3-)에 포함되어 있다. 적혈구는 헤모글로빈이 수소와 결합(Hb-H)하여 혈액 내 수소이온이 증가하여 pH가 낮아지는 것을 막는 완충작용을 한다. 혈액이 폐의 모세혈관을 지나가는 동안 글로빈으로부터 분리된 이산화탄소와 혈장 속에 용해되어 있던 이산화탄소는 폐포로 확산되어 외부로 배출된다. 동시에 폐포로부터 확산되어 적혈구로 들어온 산소는 헤모글로빈과 결합하여 산소헤모글로빈을 만든다.
탄산탈수효소(Carbonic anhydrase)
탄산탈수효소는 물에 녹아 있는 이산화탄소가 물과 반응하여 탄산을 형성하도록 하거나 그 역반응을 촉매하는 효소이다. 적혈구 안에 있는 이 효소는 물과 이산화탄소의 반응을 약 5000배 빠르게 한다.
적혈구 내에서 탄산탈수효소에 의해 형성된 탄산은 수소이온과 탄산수소이온으로 해리되고 수소이온의 대부분은 헤모글로빈과 결합(Hb-H)한다. 이러한 헤모글로빈의 작용은 혈액 내 수소이온농도를 조절하여 pH가 급격하게 낮아지는 것을 막는 완충작용을 한다. 이렇게 만들어진 탄산수소이온은 운반단백질에 의해 빠르게 혈장으로 빠져나가고 염소이온이 적혈구 안으로 들어온다.
보어(Bohr)- 할데인효과(Haldane)
이산화탄소분압이 상승하거나 또는 pH가 낮아지면 헤모글로빈에서 산소가 쉽게 해리되는 현상을 보어효과, 헤모글로빈이 산소와 결합하면 혈액으로부터 이산화탄소의 유리가 증가하는 현상을 할데인효과라고 한다.