[물 및 산 염기의 화학] 완충액 - 2부

생체에서의 pH 조절기구

정상적인 대사과정에서는 산화에 의해 끊임없이 유기산이나 이산화탄소가 발생하므로 세포나 체액을 산성으로 기울게 하지만 생체에서는 언제나 생리적, 화학적 조절이 작용하기 때문에 이들의 pH는 극단적으로 한쪽으로 치우치지 않고 일정하게 유지된다.

이것은 세포 내외의 여러 가지 완충계에 의해 가능하며 생체내의 pH는 화학적 및 생리적 작용에 의한 완충계에 의해 조절된다. 

대부분의 세포내 액체는 인산이온 농도가 효과적인 완충을 위해 충분하지만 혈액에서 인산이온 수준은 완충을 위해 불충분하므로 다른 계가 여기에 작용한다. 

혈액에서 완충계는 탄산(H2CO3)의 해리에 기인하며 pKa는 36.5℃에서 6.1이다. 사람 혈액의 pH 7.4는 이 완충계의 완충범위의 거의 한계이지만 다른 요인이 이 상황에 개입한다. 단백질 헤모글로빈은 적혈구 세포의 주된 구성분이고 이것의 작용은 폐에서 조직으로 산소를 그리고 조직에서 폐로 이산화탄소를 운반하는 것이다. 

이산화탄소는 물과 혈액에 용해될 수 있으며 용해된 이산화탄소는 탄산을 형성한 다음에 중탄산이온 HCO3-를 생성하도록 반응한다. 탄산의 pKa'보다 1 단위 높은 혈액의 pH에서 용존 CO2의 대부분은 HCO3-로 존재한다. 숨을 내쉬기 위해 폐로 운반된 CO2는 헤모글로빈의 전하를 가진 기와 이온결합으로 결합된 HCO3-형으로 존재한다. 폐의 이산화탄소 가스의 압력과 혈액의 pH 사이에는 직접적인 상관관계가 있다. 

혈액의 pH는 탄산의 해리평형에 크게 의존하며 다음과 같은 Henderson-Hasselbalch 식이 성립한다. 

혈액의 정상 pH는 7.4이고 탄산의 해리상수 pKa'는 36.5℃에서 6.1이므로 

으로부터 [HCO3-]/[H2CO3] = 20이 된다. 

또 이산화탄소 분압에 대한 정상체온에서의 혈장중의 흡수계수(mmol/mmHg)는 0.03이고 pCO2가 40mmHg라면

[H2CO3] = 0.03 pCO2 = 0.03 × 40 = 1.2mEq/ℓ = 0.12mEq/㎗

[HCO3-] = 20 × 0.12 = 2.4mEq/㎗ 

그러므로 pCO2 = 40mmHg일 때 [H2CO3] = 0.12mEq/㎗, [HCO3-] = 2.4mEq/㎗로 된다. 

그리고 인산은 혈액 중에서 다음과 같은 평형상태를 형성한다. 

인산의 해리상수 pKa' = 6.8(36.5℃)이고 혈액의 정상 pH는 7.4이므로 다음과 같은 식이 성립한다. 

그러므로 정상 pH의 혈액에서 [HPO42-] / [H2PO4-]는 4이므로 HPO₄^2- 이온이 4, H2PO4- 이온이 1의 비율로 존재한다. 

1. 화학적 pH 조절 

생체내에서는 중탄산계, 인산계, 암모니아, 헤모글로빈, 단백질계, 유기산계 등의 완충작용에 의해 화학적으로 pH를 조절한다. 

중탄산계에 의한 조절작용	HCO3- + H+ → H2CO3 → H20 + CO2
인산계에 의한 완충작용	HPO42- + H+ →H2PO4-
헤모글로빈에 의한 완충	HbO2- + H+ → HHb + O2
암모니아에 의한 완충작용	NH3 + H+ → NH4+
단백질계에 의한 완충작용	protein- + H+ →H-protein
유기산계에 의한 완충작용	RCOO- → RCOOH

2. pH의 생리적 조절

생체내의 pH는 다음과 같은 작용을 통해서 생리적으로 조절된다. 

1) 호흡

혈중의 H+ 농도가 높으면 직접 또는 뇌의 화학감수성 영역을 매개하여 호흡중추를 자극시키면 과호흡의 결과로 CO2 분압이 내려가고 H+농도도 내려간다.

2) 신장

신장에서 산성뇨 또는 알칼리성뇨를 만들어 배설하는 것으로 혈액의 pH 변동을 방지하고 있다. 대사과정에서 생긴 젖산, pyruvate 등의 불휘발산이나 염산, 인산, 황산 등의 무기산 등의 일부 음이온은 Na+에 의해 중화되어 있으나 세뇨관에서의 재흡수시에 H+와 치환되면 요는 산성화된다. 

3) 암모니아의 생성

아미노산의 탈아미노반응 등으로 생긴 암모니아는 다른 염기성 양이온의 대용으로 사용되어 암모니아 염을 형성하며 1일에 30∼40㎎이 요 중으로 배설된다. 또 암모니아는 이산화탄소와 반응하여 요소를 형성하여 배설된다.

4) 뼈의 칼슘 용출

산성증이 오래 계속되면 Na+ 대신 Ca2+이 요중에 나타난다. 칼슘이온은 뼈의 구성성분인 hydroxyapatite[Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂]가 혈장중에 용출하여 생성되며 H2CO3와 반응하여 HCO3-를 생성하고 산의 중화에 이용된다.

3. 산증과 알칼리증

생체 내는 여러 가지 완충작용에 의해 pH가 일정하게 유지되고 있으며 혈액에서는 pH 7.4로 일정하다. 혈액 중에는 이때에 H2CO3 : HCO3- = 1 : 20 또는 H2PO4-: HPO42- = 1 : 4의 비율로 이들의 성분이 함유되어 있다.

그러나 이 평형이 무너지면 산증(acidosis)이나 알칼리증(alkalosis)이 된다. 혈액의 pH 상승이 급격하여 산성쪽으로 급하게 기울면 혈중의 Ca2+이 감소하여 테타니(tetany)가 일어나고 pH의 저하가 급격하면 의식장해나 혼수가 일어난다. 호흡성 산증은 주로 H2CO3의 증가에 의하며 HCO3-의 농도는 변화하지 않는다.

이것은 폐의 가스교환 저하, 폐렴, 폐울혈, 폐기종, 기관지천식, 기도폐색, 심질환, 호흡중추의 억제(morphine 중독), 불완전하게 작동하는 인공호흡장치에 의해 일어난다. 대사성 산증은 H2CO3의 변화는 없으나 HCO3-가 감소하는 일반적인 산증이다.

체내의 상대적인 산의 증가에 의해 일어나는 것으로 당뇨병, 기아, 운동이나 경련 등에 의한 젖산 생성 그리고 다량의 단백질 섭취, 구토나 하리 등에 의한 HCO3-의 손실, 세뇨관 이상에 의한 HCO3-의 재흡수 부전 등에 의해 일어난다.

호흡성 알칼리증은 HCO3- 농도에 상응하지 않는 H2CO3의 감소에 의한 것으로 폐의 가스교환 상승, 과호흡, 뇌염, 발열, 뇌성혼수, 호흡계에 영향을 주는 중추신경질환, 살리실산 유도체 중독초기, 부적당한 인공호흡 장치의 사용, 고지(高地)에서의 생활 등으로 나타난다.

대사성 알칼리증에서는 H2CO3는 그다지 변화하지 않으나 HCO3-가 특별히 증가하며 체내의 상대적인 염기의 증가, 위궤양이나 십이지장궤양 등에서 알칼리제제나 NaHCO3의 투여, 구토나 위세척에 의한 위분비물 중의 염소의 결핍으로 일어난다.

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