본문으로 이동

산-염기 항상성: 두 판 사이의 차이

위키백과, 우리 모두의 백과사전.
다음 편집 →
내용 삭제됨 내용 추가됨
시각위키텍스트
새 문서: {{산과 염기}} '''산-염기 항상성'''(酸-鹽基恒常性, {{llang|en|acid-base homeostasis}})은 생물이 세포 안의 수소 이온 농도 또는 pH를 일정하게 유지하는 기제를 가리킨다. 많은 경우, 생물을 둘러싼 환경에 수소 이온은 매우 적은 농도로만 존재한다. 하지만 수소 이온은 반지름이 매우 작아 전하 밀도가 높기 때문에 주변에 강한 전기장...
(차이 없음)

2024년 6월 17일 (월) 08:52 판

산과 염기
Diagrammatic representation of the dissociation of acetic acid in aqueous solution to acetate and hydronium ions.
여러 가지 산
여러 가지 염기

산-염기 항상성(酸-鹽基恒常性, 영어: acid-base homeostasis)은 생물이 세포 안의 수소 이온 농도 또는 pH를 일정하게 유지하는 기제를 가리킨다. 많은 경우, 생물을 둘러싼 환경에 수소 이온은 매우 적은 농도로만 존재한다. 하지만 수소 이온은 반지름이 매우 작아 전하 밀도가 높기 때문에 주변에 강한 전기장을 만든다. 따라서 수소 이온 농도가 조금만 바뀌어도 용액 속 각종 분자의 입체구조적 변화가 일어날 수 있다. 특히 효소 등 단백질은 수소 이온 농도에 따라 2차·3차 구조가 크게 변할 수 있어 매우 좁은 pH 범위 안에서만 제대로 기능하곤 한다. 이런 까닭에 많은 생물은 세포와 그 주변의 수소 이온 농도를 정밀하게 조절하는 기제를 갖추고 있다. 예컨대 건강한 사람 혈액의 수소 이온 농도는 보통 40 nM = 0.000040 mM로 매우 낮지만, 그 변동 폭 역시 약 3-5 nM에 지나지 않아 상당히 일정하게 유지된다.[1][2]

변화하는 환경 속에서 세포의 pH를 일정하게 유지해야 한다는 과제는 식물이나 세균을 비롯하여 모든 생물이 마주하는 보편적인 도전이지만[3][4], 이 문서에서는 동물, 그 중에서도 특히 사람에 주로 초점을 맞춘다. 사람 몸에서는 세포 대사가 쉴새없이 일어나 각종 유기산이 만들어지며, 음식을 먹으면 무기산도 유입된다.[5] 그 양이 얼마인지 짐작하기란 매우 어렵지만[6], 체내에서 대사 산물로 만들어지는 유기산은 하루에 약 15,000 밀리몰, 음식으로 섭취하는 무기산은 하루에 약 70-80 밀리몰이라고 추산된 바 있다.[1][5] 이처럼 산이 계속 만들어지거나 유입되는데도 사람 체액의 수소 이온 농도는 변화가 크지 않아 pH 7.4에서 거의 벗어나지 않는다. 혈액, 허파, 콩팥이 함께 작용하여 산-염기 항상성을 유지하기 때문이다.[1][5]

생리학

사람 체액의 산-염기 항상성을 유지하는 기제는 크게 세 가지이다. 첫째는 혈액 속 여러 화학적 완충계이다. 용액 속에 약산과 그 짝염기 혹은 약염기와 그 짝산이 함께 있으면, 산염기 변동이 일어났을 때 르 샤틀리에의 원리에 의해 변동을 되돌리는 방향으로 반응이 진행된다. 따라서 산이나 염기가 생겨나거나 유입되어 수소 이온 농도가 변화하려고 할 때 즉시 중화하는 효과가 있다. 둘째는 호흡계통이다. 세포 대사로 생겨나는 막대한 양의 이산화탄소 및 유기산은 결국 탄산을 만든다. 탄산은 비교적 강한 산으로, 혈액에서 대부분 수소 이온과 탄산수소 이온으로 해리한다. 그런데도 수소 이온 농도가 크게 변하지 않는 것은 이산화탄소가 날숨으로 배출되기 때문이다. 호흡으로 이산화탄소를 배출하는 기제는 매우 효과적이어서, 호흡계통 기능이 정상이기만 하다면 세포 대사로 탄산이 얼마나 만들어지든 그대로 제거된다. 셋째는 콩팥으로, 배설되는 소변의 조성을 조절함으로써 체액의 산염기 상태를 정상으로 되돌린다.[1][7]

산염기 변동이 일어나면 혈액 속 완충계가 수 초 이내에 작동하여 pH 변화를 완화한다. 이어서 수 분 이내에 호흡계통이 반응하여 이산화탄소와 탄산을 제거한다. 마지막 방어선인 콩팥은 비교적 느려서, 수 시간에서 수 일이 지나야 효과를 나타낸다. 하지만 인체의 산-염기 항상성 기제 가운데 가장 강력한 것이 바로 콩팥에 의한 조절이다.[1]

산·염기와 완충용액의 화학

화학이 발전함에 따라 산과 염기의 정의도 여러 차례 변했다. 19세기에 스반테 아레니우스는 수용액에서 해리하여 수소 이온을 내놓는 물질이 산, 수산화 이온을 내놓는 물질이 염기라는 이른바 '아레니우스 산·염기 정의'를 제안했다. 이후 수산화 이온에 초점을 맞추기를 그치고 수소 이온을 주고받는 관계에 주목한 브뢴스테드-로우리 산염기 이론, 전자쌍 개념을 바탕으로 더 일반적으로 고친 루이스 산염기 이론 등이 등장했다.[8] 그러나 생체 내에서는 거의 대부분의 산-염기 반응이 수용액에서 일어나고, 루이스 산염기 정의가 포괄하고자 하는 예외 사례들은 거의 일어나지 않기에, 생리학·의학에서는 여전히 브뢴스테드-로우리 등 전통적인 산·염기 정의가 유용하게 쓰인다.[1][8][9][10]

 완충 용액 문서를 참고하십시오.

수소 이온의 중요성을 인정하는 브뢴스테드-로우리 정의를 받아들인다면, 혈액이 수소 이온 농도 변화에 저항하는 원리를 밝히는 것이 중요한 문제가 된다. 이를 설명하는 화학 개념은 완충 용액으로, 가역적으로 수소 이온과 결합하는 물질로 이루어진 용액을 가리킨다.[1][11]

이를테면 위와 같은 반응이 평형을 이루고 있는 용액에서 과 이 모두 얼마간의 농도로 존재한다면, 은 완전히 해리하지 않았으므로 약산이고 은 그 짝염기이다. 반대로 을 약염기로 보면 은 그 짝산이다. 이처럼 수소 이온과 가역적으로 결합·해리하는 물질로 이루어진 용액은 곧 약산-짝염기 혹은 약염기-짝산 쌍으로 이루어진 용액이라고 볼 수 있다.[11]

이를테면 위 용액에 강산 를 첨가하는 경우, 대부분이 와 로 이온화할 텐데, 해리되어 나온 수소 이온 가운데 일부는 과 결합하므로 pH 변화가 완화된다.

완충 작용이 일어나는 정도는 여러 요인에 영향을 받는다. 고려해야 할 중요한 요소 한 가지는 각 화학종의 농도이다. 생리학적인 상황에서 , 의 농도는 나노몰 단위이다. , 의 농도가 이보다 충분히 높기만 하다면, 강산을 첨가하여 생긴 수소 이온의 대부분이 과 결합하여 제거되리라고 예측할 수 있다. 이온의 양이 똑같이 변하더라도 원래 농도에 대한 상대적인 변화율은 , 의 경우가 보다 훨씬 작을 것이므로, 과 을 변화시키기가 를 변화시키기보다 훨씬 쉬울 것이기 때문이다. 그러므로 용액 속에 및 이 많이 존재할수록 완충계의 완충 능력도 크다.[11]

다만 총량뿐만 아니라 상대적인 농도 비도 중요하다. 만 많고 이 적으면 수소 이온을 제거할 수가 없고, 이 너무 적으면 조금만 늘어나도 상대적인 변화율로는 급격하게 변하는 셈이기 때문에 반응이 진행하기 어려워진다. 따라서 총량이 일정하면 과 의 농도 비가 1:1일 때 완충계의 완충 능력이 극대화된다.[7] 이를 달리 표현하는 방식은 산 해리 상수를 이용하는 것이다. 질량작용의 법칙에 따르면 화학 평형 상태에서 다음 식의 값은 온도에만 의존하는 상수이다.

따라서 완충 능력이 극대화되는 것은 일 때이다. 혹은 라고 정의하면, pH가 pKa와 같을 때라고도 표현할 수 있다.[11]

중탄산염 완충계

 중탄산염 완충계 문서를 참고하십시오.

중탄산염 완충계는 ― 쌍으로 이루어진 완충계로, 세포외액의 완충 작용에서 가장 중요한 역할을 한다.

세포외액에 탄산은 많지 않으며, 그 pKa 값도 혈액의 정상 pH와 제법 달라서 와 의 농도 비는 보통 1:20이다. 그런데도 중탄산염 완충계가 중요한 까닭은 열린 계이기 때문이다. 탄산수소 이온이 수소 이온을 제거하면서 탄산이 만들어지면, 혈액에 그대로 남아 있는 것이 아니라 금세 이산화탄소가 되어 날숨으로 배출된다. 혈액이 알칼리화되는 변동이 일어나는 경우에도 마찬가지로 호흡을 통해 탄산이 쉽게 공급된다.[12] 이처럼 이산화탄소 농도가 외부 공기와 언제나 평형을 이루고 있기에 중탄산염 완충계의 완충 능력은 크게 향상되어, 닫힌 계를 가정했을 때에 비해 수십 배 증폭된다.[13]

물과 이산화탄소가 탄산을 만드는 반응 및 그 역반응은 매우 느려서 탄산무수화효소가 없으면 거의 일어나지 않는다.[12] 사람 몸에서 탄산무수화효소는 몇몇 부위에 풍부하게 존재하는데, 대표적으로 적혈구 세포질에 많다. 조직에서 세포 대사의 산물로 만들어진 이산화탄소는 확산을 통해 적혈구 세포질로 유입되는데, 조직에서와 달리 탄산무수화효소가 있으므로 탄산이 된다. 이산화탄소가 소모되어 세포 안팎의 이산화탄소 농도 기울기가 가파르기 때문에 확산이 활발히 일어날 수 있다. 반대로 이산화탄소가 적은 허파에서는 탄산무수화효소의 촉매 작용으로 탄산이 이산화탄소가 되어 날숨으로 빠져나간다. 적혈구는 이처럼 일종의 '이산화탄소 싱크(sink)' 구실을 하면서 조직과 허파 사이에서 이산화탄소를 날라 옮긴다(shuttling).[7]

혈액의 다른 완충계

인산염 완충계는 ― 쌍으로 이루어진 완충계이다.

pKa 값이 6.8로 혈액의 정상 pH인 7.4에 상당히 가깝지만, 세포외액 중 농도가 탄산수소 이온의 8% 정도로 낮기에 전체 완충 능력은 중탄산염 완충계에 비해 훨씬 약하다. 하지만 인산염 완충계는 세포내액 및 세뇨관을 흐르는 액체 속에서는 중요한 역할을 한다. 이들 액체는 인산염 농도가 훨씬 높고, 또 pH가 낮아 인산염 완충계의 pKa 값에 더욱 가깝기 때문이다.[12]

단백질은 세포 내에 매우 풍부하여 완충 능력이 뛰어나다. 체액 완충 용량의 60-70%는 세포내액의 완충 능력에서 비롯하며, 이는 대부분 세포 내 단백질 덕택인 것으로 보인다. 세포 내 완충 작용에 기여하는 대표적인 단백질은 적혈구의 헤모글로빈이다.[12]

체내의 갖가지 조직에서 만들어진 이산화탄소가 적혈구 세포질로 확산되어 들어오면, 탄산무수화효소의 촉매로 탄산수소 이온과 수소 이온이 만들어진다. 이때 헤모글로빈의 완충 작용 덕택에 적혈구 안의 pH 변화가 완화된다.[7]

병태생리

데이븐포트 그림은 혈액의 산염기 상태를 평가하는 데에 흔히 쓰이는 계산도표이다. 가로축은 pH, 세로축은 중탄산 이온 농도를 나타낸다.

산-염기 항상성이 유지되지 못하면 체액의 수소 이온 농도가 비정상적으로 높아지거나 낮아질 수 있다. 동맥혈의 pH가 정상 값인 7.4보다 심하게 낮아지는 경우를 산혈증(영어: acidemia), 높아지는 경우를 알칼리혈증(영어: alkalemia)이라고 한다. pH가 6.8 미만으로 낮아지거나 8.0보다 높아지면 사람은 수 시간 이내에 죽는다.[1] 보통 pH 7.35 미만을 산혈증, 7.45 이상을 알칼리혈증이라고 본다.[7]

사람 몸의 갖가지 산-염기 항상성 기제 가운데 하나가 망가지더라도 나머지가 더욱 활발하게 작동하여 보상하곤 하기에, pH만 보고 산-염기 항상성을 평가하기는 어렵다. 따라서 산-염기 장애(영어: acid-base disorder, acid-base disturbance)는 실제로 나타난 변화가 아니라 경향성을 기준으로 정의된다. 체액을 산성화하는 경향을 보이는 기제나 과정이 있으면 이를 산성혈증(영어: acidosis) 또는 산증이라고 하며, 체액을 알칼리화하는 기제나 과정을 알칼리증(영어: alkalosis)이라고 한다. 겉으로 드러난 pH 변화는 여러 산증·알칼리증이 중첩된 결과일 수 있다.[1][7]

역사

혈액의 산염기 성질

영국의 약재상 존 콜배치(영어: John Colbatch)는 다수 의화학자의 견해와 달리 알칼리가 건강에 해롭고 산이 이롭다고 주장했다. 사진은 콜배치의 이론을 비판하는 책의 표지이다.
 화학사, 산, 염기 및 완충용액 문서를 참고하십시오.

물질 가운데 산성인 것과 염기성인 것이 있다는 관찰은 고대부터 있었다. 산(라틴어: acidus→시다)은 신맛을 내는 물질로 정의되었고, 알칼리(아랍어: اَلْقِلْي→재)는 산의 작용을 거슬러 중화할 수 있는 물질로 생각되었다. 산과 알칼리의 개념이 생리학·의학에 영향을 미치기 시작한 것은 16세기부터였다. 화학이 연금술과 구별되는 독자적인 학문 분과로 갈라지면서 파라켈수스 등 의화학(iatrochemistry)을 내세우는 사람들이 나타났다.[14] 이들은 전통적인 갈레노스 의학에 맞서 다양한 주장을 새롭게 내놓았다. 예컨대 소화를 열 때문에 음식물이 익는 과정으로 간주한 통설에 반대하여, 음식물이 산성 위액을 만나 일종의 발효가 일어나는 것이 소화라고 보았다. 의화학자들에게 소화 이론은 생명 현상을 화학 반응으로 설명하는 한 가지 틀을 제공해 주었다. 얀 밥티스타 판 헬몬트는 모든 물질이 산 아니면 알칼리이며 화학적·생리학적 과정이란 대개 산-알칼리 반응으로 말미암아 일어난다고 주장했다. 17세기 의화학자들은 판 헬몬트의 이론을 널리 받아들여 산과 알칼리의 관점에서 건강과 질병을 바라보았다.[15] 이를테면 프란시스퀴스 실비우스는 질병이란 모두 산이나 알칼리의 과잉 때문에 생기는 것이며, 반대 성질을 띠는 약물을 투여함으로써 교정할 수 있다고 생각했다.[16]

의화학자들은 위액을 비롯하여 각종 체액의 산-알칼리 성질을 밝히려고 했다.[17] 특히 이들은 갈레노스 의학의 사체액설을 대체할 이론을 마련하고자 했으므로 혈액의 화학적 조성을 규명하는 일을 중요하게 여겼다.[18] 로버트 보일은 (비록 의화학자들의 일부 과격한 견해에는 회의적이었지만) 혈액을 증류하여 알칼리 성분을 추출했다고 기술했고[18], 이 성분이 생리학적으로 중요한 역할을 할지도 모른다고 추측했다.[17] 일레르마랭 루엘(프랑스어: Hilaire-Marin Rouelle)은 적정·지시약 등을 이용하여 혈액이 알칼리성임을 밝혔다.[19] 19세기에 이르러 혈액의 알칼리성은 화학계에서 널리 알려진 사실로 자리 잡았다.[19][20] 이와 더불어 혈액이 산·염기를 중화하는 능력이 매우 뛰어나다는 사실 또한 밝혀졌는데, 이 무렵의 산·염기 이론은 정의가 다소 모호하였으므로 연구 결과를 올바로 해석하기가 어려웠다. 예컨대 용액의 '산성도'를 지시약의 색이 바뀔 때까지 첨가해 주어야 하는 염기의 양으로 측정하곤 했다. 이처럼 산·염기의 세기와 양이 잘 구분되지 않았기 때문에, 산이든 염기든 효과적으로 중화하는 혈액의 성질은 한동안 수수께끼였다.[20]

이온화 이론을 바탕으로 산·염기의 정의를 제시한 스웨덴 화학자 스반테 아레니우스.

한편 산과 염기가 만나 물과 염을 만난다는 도식[21]은 수용액에서 산·염기·염이 어떤 상태로 있는지 이해하기 어렵게 만들었다. 19세기에 혈액을 이루는 유기물이 차례로 규명되었던 반면 무기 화합물의 혈중 조성과 역할에 대한 연구는 진전이 늦었다. 혈액 속 무기 화합물은 염으로 존재한다고 생각되었으므로 '포타시(칼리, 영어: potash)', '소다(영어: soda)' 등으로 불리고 측정되었다. 스반테 아레니우스가 수용액에서 염이 해리하는 이치를 밝힌 공로로 1903년에 노벨 화학상을 받고서부터야 이온과 전해질의 개념을 바탕으로 혈액의 산염기 성질을 설명하려는 시도가 탄력을 받기 시작했다.[22]

혈액의 완충 능력을 이론적으로 해명하여 산염기 생리학의 지평을 연 로런스 조지프 헨더슨의 사진.

산염기 생리학의 태동

아레니우스는 자신의 이온화 이론에 입각하여 수용액에서 수소 이온을 내놓는 물질이 산, 수산화 이온을 내놓는 물질이 염기라고 정의했다.[14] 이로써 산·염기의 세기 개념이 양 개념과 어떻게 서로 다른지 해명할 수 있었다. 쉽게 해리하여 이온을 많이 내놓을수록 강한 산·염기이고, 잘 이온화하지 않아 수소 이온을 적게 내놓을수록 약한 산·염기라는 것이다.[22] 아레니우스의 이론에 고무된 학자들이 수소전극으로 혈액의 이온 조성을 측정해 본 결과, 혈액이 실제로는 수소 이온과 수산화 이온이 거의 같은 농도로 존재하여 중성에 상당히 가까운 용액이라는 사실이 밝혀졌다.[20]

헨더슨의 수식에 따르면, 완충용액이 산성도 변화에 저항하는 능력은 산과 염의 농도 비가 1에 가까울 때 가장 클 것으로 계산되었다. 그림은 산 해리 상수가 10-7인 약산으로 이루어진 완충용액의 완충용량이 용액의 pH에 따라 어떻게 변화하는지 나타낸 그래프이다.

19세기 말 세포대사 과정에서 황산·인산·탄산·젖산 등이 만들어진다는 사실이 실험으로 확인되었다.[20] 그럼에도 혈액이 중성을 유지하는 원리가 무엇인지 다양한 추론이 이어졌다. 한 가지 가설은 혈액 속 단백질이 산·염기와 결합하여 중화한다는 것이었다. 한편 중탄산염 완충계도 후보로 주목 받았다. 이전부터 약산의 염이 강산의 작용을 완화하는 현상이 알려져 있었고, 20세기 초에는 중탄산염 용액을 탄산으로 포화시키면 마치 혈액처럼 산성도 변화에 저항한다는 사실이 밝혀졌다. 산이 많으면 중탄산나트륨이 중화하고 염기가 많으면 탄산이 중화하는 식으로 혈액의 중성이 유지된다는 가설이 제기되었다.[24] 갖가지 관찰과 추측을 종합하여 완충용액의 이론으로 아우른 사람은 하버드 대학교의 생화학자 로런스 조지프 헨더슨이었다.[14] 헨더슨은 처음에 인산 나트륨 용액이 중성을 유지하는 성질에 관심이 있었으나, 이후 약산과 그 염으로 이루어진 용액이라면 무엇이든 같은 원리로 설명할 수 있음을 깨달았다. 그는 화학 평형에 대한 질량작용의 법칙을 바탕으로 용액의 수소 이온 농도가 산과 염의 농도 비에 의존한다는 수식을 이끌어냈다. 용액에 다른 산이나 염기를 첨가하더라도 이 농도 비가 비교적 일정하기에 용액의 중성이 유지된다는 것이 완충 작용에 대한 헨더슨의 설명이었다.[22][25]

헨더슨은 이어서 서로 다른 여러 완충계가 함께 존재하는 용액의 경우를 고찰하여, 완충계가 한 종류만 있는 용액보다 더 효율적으로 중성을 유지함을 밝혔다.[26] 이러한 연구 끝에 헨더슨은 혈액의 완충 작용이야말로 생체가 산염기 변동에 대응하는 제1방어선이라고 결론 지었다. 이때 혈액의 여러 완충계 가운데 가장 중요한 것은 중탄산염 완충계, 버금가는 것은 인산염 완충계이며, 그 밖에 헤모글로빈 등 단백질이 부수적으로 기여한다고 보았다.[14][22][26]

완충용액이 제아무리 효과적으로 산염기 변동에 저항한들, 부족한 성분을 보충하고 축적된 성분을 제거하지 않으면 완충 능력은 언젠가 바닥나기 마련이다. 헨더슨이 완충용액의 이론을 정립하던 무렵, 혈액의 장기적인 산-염기 항상성에 허파와 콩팥이 중요하다는 사실이 잘 알려져 있었다.[23][26] 내부 환경(프랑스어: milieu intérieur)의 개념을 창안한 생리학자 클로드 베르나르는 일찍이 허파와 콩팥의 역할을 인지했던 학자 중 하나로[14][27], 동물 실험을 통해 식단에 따라 소변의 산성도가 변화함을 관찰하였다.[27][28][29]

“ 산이나 알칼리가 지나치게 많을 때 이를 제거하여 혈액을 언제나 알칼리성으로 유지해 주는 것은 바로 콩팥이다. 콩팥을 비롯한 분비 기관들은 혈액의 항상성을 유지하는 위대한 균형자(great equilibrator)이다. ”
 
— 클로드 베르나르[30]

한편 헨더슨과 동시대에 활동한 영국 생리학자 존 스콧 홀데인은 호흡수를 조절하는 기제에 관심을 기울였다. 그는 호흡이 혈액의 pH 산소 분압을 정상으로 유지하는 방향으로 조절된다고 결론 지었다.[14][31] 20세기 초에 이루어진 초창기 연구 가운데는 오늘날의 기준에서 볼 때 모호하거나 세부사항이 부정확한 것도 더러 있었으나, 이 무렵 산염기 생리학의 주요 쟁점이 모두 확립되었다는 것은 틀림없다.[23]

1952년 소아마비 대유행과 횡대서양 대논쟁

헨더슨 이후로 산염기 생리학을 연구한 학자들이 주목한 한 가지 문제는 대사성 산-염기 장애의 척도를 찾는 일이었다. 공기 중 이산화탄소 분압이 변하면 곧 환자의 산-염기 상태가 변하니, 이것이 호흡성 산-염기 장애라는 사실은 일찍부터 알려졌다. 그렇다면 호흡을 제외한 나머지 요인만을 따졌을 때 산-염기 상태가 어떠한지를 평가하는 가장 적절한 방법을 찾으려고 다양한 시도가 이어졌다.[8] 1916년 카를 알베르트 하셀바흐가 제안한 “환원 pH(reduced pH)”는 혈액을 38℃에서 이산화탄소 분압이 40 mmHg인 기체와 평형을 이루도록 둔 상태에서 측정한 pH로 정의되었다. 반대로 도널드 반 슬라이크가 제안한 “알칼리 예비력(영어: alkali reserve)”은 pH를 7.4로 맞춘 상태에서 측정한 를 뜻하는 개념이었다.[32]

여러 시도 가운데 오늘날까지 살아남아 임상에서 활용되고 있는 것은 대표적으로 염기과잉(영어: base excess, BE)이다. 염기과잉 개념이 정의된 계기는 1952년 덴마크 코펜하겐에 발발한 심각한 소아마비 유행이었다. 10월부터 12월 사이에만 3천여 명의 환자가 입원했으며 3백여 명이 호흡마비 증세를 보였다. 환자들의 혈액에서는 총 이산화탄소 농도가 높아져 있었는데, 처음에 이는 원인 미상의 대사성 산증으로 인한 것이라고 간주되었다. 블레그담 병원(덴마크어: Blegdamshospitalet)의 마취과 의사였던 비외른 입센과 임상병리 실험실 총책임자였던 폴 아스트럽(덴마크어: Poul Astrup)은 환자들의 산염기 이상이 대사성 알칼리증이 아니라 호흡성 산증 때문에 생겼던 것이라고 추론하였다.[33] 아스트럽은 동맥혈을 채취하여 pH를 측정했고, 실제로 환자들이 알칼리혈증이 아니라 산혈증을 겪고 있음을 확인했다.[32] 올레 시고르-안데르센(덴마크어: Ole Siggaard-Andersen)을 중심으로 한 덴마크 학자들은 이때의 경험을 바탕으로 염기과잉 개념을 제안했다. 염기과잉이란 혈액을 이산화탄소 분압이 40 mmHg인 기체와 평형을 이루도록 둔 상태에서 pH를 7.40으로 되돌리기 위해 첨가해 주어야 하는 강산의 양(mM 단위)으로 정의하였다.[8]

1963년 보스턴 터프츠 대학교의 슈바르츠와 렐만은 염기과잉 개념을 비판하며, 중탄산염 중심의 경험적 접근법을 제시했다.[35] 첫 번째 비판은 생체 내에서 혈액은 완충 능력이 상대적으로 떨어지는 간질액과 맞닿아 있으므로, 혈액만 분리하여 시험관 내에서 산염기 성질을 평가해서는 안 된다는 것이었다. 두 번째 비판은 호흡성 산염기 장애가 만성적으로 지속되는 경우에 대사성 보상이 일어나는데, 염기과잉 계산에서는 정상적인 보상이 별도의 대사성 산염기 장애처럼 다루어지므로 부적절하다는 것이었다.[8][36] 이들은 대신 정상적인 보상 반응의 정도를 경험적으로 관찰함으로써 도출한 6가지 간단한 규칙을 사용해서 산-염기 장애를 평가하자고 제안했다. 규칙에 들어가는 수치가 정확히 얼마인지는 학자마다 조금씩 다르게 기술하곤 하지만, 대강 다음과 같다.[37][38]

  1. 대사성 산증에 대한 호흡보상: (윈터스 공식(영어: Winters's formula))
  2. 대사성 알칼리증에 대한 호흡보상:
  3. 급성 호흡성 산증에 대한 대사성 보상: ("10 당 1씩 오른다")
  4. 만성 호흡성 산증에 대한 대사성 보상: ("10 당 4씩 오른다")
  5. 급성 호흡성 알칼리증에 대한 대사성 보상: ("10 당 2씩 내린다")
  6. 만성 호흡성 알칼리증에 대한 대사성 보상: ("10 당 5씩 내린다")

보스턴 방법에 따르면 이와 같은 정상적인 보상 반응을 고려하고도 남는 만큼의 이산화탄소·탄산수소 이온 농도 변화만이 산-염기 장애라고 간주된다. 이에 대응하여 시고르-안데르센은 혈액의 헤모글로빈 농도를 5 g/dL라는 낮은 값으로 고정해서 염기과잉을 계산하는 방법을 고안했는데, 이렇게 셈한 값을 표준염기과잉(영어: standard base excess, SBE)이라고 한다. 덴마크 학자들은 보상 반응의 정도에 대한 경험적 연구의 가치를 인정하면서도, 표준염기과잉 수치를 가지고도 얼마든지 실용적인 규칙을 도출할 수 있다고 주장했다.[36] 염기과잉 개념의 유용성을 둘러싼 '코펜하겐 학파'와 '보스턴 학파'의 이러한 대립은 횡대서양 산염기 대논쟁(영어: great trans-atlantic acid base debate)이라고 불렸다.[39] 논쟁의 결과로 보스턴 학파의 경험적 접근이 큰 호응을 얻어, 오늘날 많은 의료기기와 교과서는 염기과잉 등의 개념을 활용하지 않는다.[8][36]

스튜어트의 정량적 접근

강이온차이 개념을 중심으로 한 물리화학적 산염기 이론을 제창한 캐나다의 생리학자 피터 스튜어트.

1980년대에 캐나다의 생리학자 피터 스튜어트는 중탄산염 중심의 전통적인 접근법이 불만족스럽다고 느끼고, 산-염기 생리학을 새롭게 이해하는 방식을 고안했다.[40] 스튜어트는 기존 산염기 생리학이 중시했던 등의 변수는 반드시 다른 요인에 의해 결정되는 종속변수라고 강조하며, 독립변수를 중심으로 체액의 산염기 상태가 결정되는 원리를 이해하자고 제안했다. 스튜어트 산염기 이론에서 온도를 제외한 독립변수는 세 가지로, 첫째는 이산화탄소 분압, 둘째는 비휘발성 약산 총량, 마지막은 강이온차이(영어: strong ion difference, SID)이다. 여기서 강이온차이는 수용액에서 완전히 이온화하는 강한 전해질 가운데 양이온 총량과 음이온 총량의 차이로 정의된다. 이온으로 존재할 뿐 아무런 반응에도 참여하지 않으니, 유입되거나 배출되지 않는 한 그 값이 변할 일도 없고 따라서 독립변수 구실을 한다는 것이다.[8] 이들 독립변수가 결정되면 체액의 산염기 상태는 다음 6가지 방정식에 의해 완전히 결정된다.

  1. 물의 자동 이온화 반응()의 평형 조건: .
  2. 탄산 해리 반응의 평형 조건, 즉 헨더슨-하셀바흐 방정식: .
  3. 탄산수소 이온 해리 반응()의 평형 조건: . 이 반응은 사실상 무시할 수 있는 것으로 간주된다.
  4. 비휘발성 약산 전체를 로 뭉뚱그려 생각할 수 있다고 했을 때, 그 해리 반응()의 평형 조건: .
  5. 비휘발성 약산 전체의 질량 보존 법칙: . 이 값은 물질의 출입에 의해 변할 뿐 반응이 진행함에 따라 변하지는 않는 상수이다.
  6. 전기 중성 원리(electroneutrality principle): .

모두 연립하면 에 대한 사차방정식을 얻고, 이를 수치적으로 풀면 각종 평형 상수 및 , , 의 값에 따라 가 어떻게 변화하는지 분석할 수 있다.[41][42]

스튜어트 접근법은 지금까지도 논쟁의 대상이 되고 있다.[8] 한 가지 중요한 쟁점은 스튜어트 접근법이 임상적으로 유용한지 여부이다. 스튜어트 접근법의 지지자들은 강이온차이 개념을 바탕으로 환자의 대사성 산-염기 이상을 한결 정확히 평가하는 척도를 마련하고, 나아가 산-염기 이상을 진단하는 유용한 기준을 새롭게 발굴하고자 하였다.[43][44][45] 일부 연구에서는 스튜어트 이론에 기반한 새로운 임상 접근법이 전통적인 방법에 비해 더 바람직한 결과를 낳지 않은 것으로 나타난 반면[46][47], 다른 한 연구는 혈액투석을 통해 염화 이온을 선택적으로 제거함으로써 산혈증을 교정하는 데에 성공했다고 보고해[48] 편집자들로 하여금 “중탄산염 시대의 끝”이 도래한 것이 아닌지 조심스레 질문하게 만들었다.[49]

다른 생물에서

식물 역시 생존에 필수적인 각종 단백질의 기능이 pH에 의존하기 때문에, 세포 내 pH를 정밀하게 조절하여 7.1 ~ 7.5 사이로 유지한다.[50] 동물과 마찬가지로 식물 세포도 끊임없이 산성화 경향을 거슬러야 한다. 식물 세포에서 큰 부피를 차지하는 전세포벽과 액포는 둘 다 상당히 산성이고, 식물의 세포 대사 과정에서는 다량의 수소 이온이 생성된다. 또한 식물이 자라는 토양의 pH는 지역과 상황에 따라 크게 변할 수 있다.[3] 이에 대응하여 산-염기 항상성을 유지하기 위한 기제는 크게 세 가지로, 첫째는 중탄산염·인산염·단백질 등 완충계에 의한 화학적 완충 작용이고, 둘째는 세포질에서 수소 이온을 소모하거나 생성하는 대사 활동이며, 셋째는 각종 양성자 펌프와 이온 펌프를 통해 세포 안에서 밖으로 수소 이온을 능동수송하는 과정이다.[3][50]

진핵생물이 대체로 세포를 둘러싼 체내 환경을 조절하는 방식으로 세포 내의 pH를 일정하게 유지하는 반면, 세균은 세포 안팎의 pH 차이를 잘 견뎌내기 위한 장치를 갖추는 전략을 택한다. 세균은 생존하기 용이한 pH 범위에 따라 호중성(neutralophilic), 호산성(acidophilic), 호염기성(alkaliphilic) 등으로 구분된다. 호중성 세균은 5.5 ~ 9.0 사이의 pH에서 생장하지만, 그러면서도 세포 내 pH를 7.5 ~ 7.7 사이로 유지한다. 즉 산성 환경에서는 주변보다 세포질을 염기성으로 유지하고, 염기성 환경에서는 주변보다 세포질을 산성 환경으로 유지하는 기제를 갖추고 있는 것이다. 여기에 더해 세균은 생장 범위 바깥의 pH 환경에서도 생존하는 능력이 있다. 예컨대 대장균 등 장내세균은 산성인 위 속을 지나갈 때 생장을 그칠지언정 생존하여 창자에 도착한다.[4][51][52]

각주

  1. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 자 Hall, Hall, & Guyton, 2021, pp. 403-405.
  2. ↑ Kellum, Elbers, & Stewart, 2009, pp. 35-36.
  3. ↑ 가 나 다 Schumacher, Karin (2014년 12월). “pH in the plant endomembrane system — an import and export business”. 《Current Opinion in Plant Biology》 (영어) 22: 71–76. doi:10.1016/j.pbi.2014.09.005. 
  4. ↑ 가 나 Krulwich, Terry A.; Sachs, George; Padan, Etana (2011년 5월). “Molecular aspects of bacterial pH sensing and homeostasis”. 《Nature Reviews Microbiology》 (영어) 9 (5): 330–343. doi:10.1038/nrmicro2549. ISSN 1740-1526. PMC 3247762. PMID 21464825. 
  5. ↑ 가 나 다 Danziger, Zeidel, & Parker, 2012, pp. 155-157.
  6. ↑ Yartsev, Alex (2023년 11월 14일). “What is meant by "acid-base balance"”. 《Deranged Physiology》. 2024년 6월 16일에 확인함. 
  7. ↑ 가 나 다 라 마 바 Danziger, Zeidel, & Parker, 2012, pp. 157-162.
  8. ↑ 가 나 다 라 마 바 사 아 Story, David A (2004). “Bench-to-bedside review: A brief history of clinical acid–base”. 《Critical Care》 8 (4): 253. doi:10.1186/cc2861. PMC 522833. PMID 15312207. 
  9. ↑ Kellum, Elbers, & Stewart, 2009, pp. 36-38.
  10. ↑ Yartsev, Alex (2023년 12월 18일). “Lewis' definition, and the modern concept of acids and bases”. 《Deranged Physiology》. 2024년 6월 17일에 확인함. 
  11. ↑ 가 나 다 라 Boron, 2017, pp. 628-629.
  12. ↑ 가 나 다 라 Hall, Hall, & Guyton, 2021, pp. 405-408.
  13. ↑ Boron, 2017, pp. 630-633.
  14. ↑ 가 나 다 라 마 바 Eknoyan, Garabed (2022년 9월 22일). “Acid–base homeostasis: a historical inquiry of its origins and conceptual evolution”. 《Nephrology Dialysis Transplantation》 (영어) 37 (10): 1816–1823. doi:10.1093/ndt/gfac014. ISSN 0931-0509. 
  15. ↑ Clericuzio, Antonio (2012년 6월). “Chemical and mechanical theories of digestion in early modern medicine”. 《Studies in History and Philosophy of Science Part C: Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences》 (영어) 43 (2): 329–337. doi:10.1016/j.shpsc.2011.10.025. 
  16. ↑ Beukers, H (1999). “Acid spirits and alkaline salts: the iatrochemistry of Franciscus dele Boë, Sylvius” (PDF). 《Sartoniana》 12: 39-59. 
  17. ↑ 가 나 Parascandola, 1968, pp. 41-44.
  18. ↑ 가 나 Clericuzio, Antonio (1993년 9월). “From van Helmont to Boyle. A study of the transmission of Helmontian chemical and medical theories in seventeenth-century England”. 《The British Journal for the History of Science》 (영어) 26 (3): 303–334. doi:10.1017/S0007087400031071. ISSN 0007-0874. 
  19. ↑ 가 나 Severinghaus, John W.; Astrup, Poul; Murray, John F. (1998년 4월 1일). “Blood Gas Analysis and Critical Care Medicine”. 《American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine》 (영어) 157 (4): S114–S122. doi:10.1164/ajrccm.157.4.nhlb1-9. ISSN 1073-449X. 
  20. ↑ 가 나 다 라 Parascandola, 1968, pp. 44-46.
  21. ↑ Jensen, W. B. (2016). 《Acid Base Chemistry and Related Topics》. Collected Papers 3. Cincinnatti, OH: Oesper Collection. 69-70쪽. 
  22. ↑ 가 나 다 라 Malkin, Harold M. (2003). “Historical review: concept of acid-base balance in medicine”. 《Annals of Clinical and Laboratory Science》 33 (3): 337–344. ISSN 0091-7370. PMID 12956453. 
  23. ↑ 가 나 다 Cameron, James N. (1989년 7월). “Acid-Base Homeostasis: Past and Present Perspectives”. 《Physiological Zoology》 (영어) 62 (4): 845–865. doi:10.1086/physzool.62.4.30157933. ISSN 0031-935X. 
  24. ↑ Parascandola, 1968, pp. 46-49.
  25. ↑ Parascandola, 1968, pp. 49-56.
  26. ↑ 가 나 다 Parascandola, 1968, pp. 63-66.
  27. ↑ 가 나 Imenez Silva, Pedro Henrique; Mohebbi, Nilufar (2022년 8월). “Kidney metabolism and acid–base control: back to the basics”. 《Pflügers Archiv - European Journal of Physiology》 (영어) 474 (8): 919–934. doi:10.1007/s00424-022-02696-6. ISSN 0031-6768. PMC 9338915. PMID 35513635. 
  28. ↑ Arunachalam, C.; Woywodt, A. (2010년 8월 1일). “Turbid urine and beef-eating rabbits: Claude Bernard (1813-78)--a founder of modern physiology”. 《Clinical Kidney Journal》 (영어) 3 (4): 335–337. doi:10.1093/ndtplus/sfq058. ISSN 2048-8505. PMC 4421511. PMID 25949423. 
  29. ↑ Fine, Leon G. (2017년 9월). “Have the principles of experimental medicine become obsolete in the era of big data?”. 《Kidney International》 (영어) 92 (3): 556–557. doi:10.1016/j.kint.2017.04.016. 
  30. ↑ Eknoyan, Garabed (2021년 2월 20일). “On the origins of experimental renal physiology”. 《Nephrology Dialysis Transplantation》 (영어) 36 (3): 392–395. doi:10.1093/ndt/gfaa238. ISSN 0931-0509. 
  31. ↑ Parascandola, 1968, p. 81.
  32. ↑ 가 나 Severinghaus, John W.; Astrup, Poul B. (1985년 10월). “History of blood gas analysis. II. pH and acid-base balance measurements”. 《Journal of Clinical Monitoring》 (영어) 1 (4): 259–277. doi:10.1007/BF02832819. ISSN 0748-1977. 
  33. ↑ West, John B. (2005년 8월). “The physiological challenges of the 1952 Copenhagen poliomyelitis epidemic and a renaissance in clinical respiratory physiology”. 《Journal of Applied Physiology》 (영어) 99 (2): 424–432. doi:10.1152/japplphysiol.00184.2005. ISSN 8750-7587. PMC 1351016. PMID 16020437. 
  34. ↑ Brandis, Kerry. “The Great Trans-Atlantic Acid-Base Debate”. 《Acid-Base Physiology》. 2024년 6월 17일에 확인함. 
  35. ↑ Schwartz, William B.; Relman, Arnold S. (1963년 6월 20일). “A Critique of the Parameters Used in the Evaluation of Acid-Base Disorders: Whole-Blood Buffer Base and Standard Bicarbonate Compared with Blood pH and Plasma Bicarbonate Concentration”. 《New England Journal of Medicine》 (영어) 268 (25): 1382–1388. doi:10.1056/NEJM196306202682503. ISSN 0028-4793. 
  36. ↑ 가 나 다 Severinghaus, John W. (1993년 1월). “Siggaard-Andersen and the “Great Trans-Atlantic Acid-Base Debate””. 《Scandinavian Journal of Clinical and Laboratory Investigation》 (영어) 53 (sup214): 99–104. doi:10.1080/00365519309090685. ISSN 0036-5513. 
  37. ↑ Lloyd, P.; Freebairn, R. (2006년 3월). “Using quantitative acid-base analysis in the ICU”. 《Critical Care and Resuscitation: Journal of the Australasian Academy of Critical Care Medicine》 8 (1): 19–30. ISSN 1441-2772. PMID 16536715. 
  38. ↑ Yartsev, Alex (2023년 8월 14일). “Assessment of compensation: Boston and Copenhagen methods”. 《Deranged Physiology》. 2024년 6월 17일에 확인함. 
  39. ↑ Bunker, J. P. (1965). “THE GREAT TRANS-ATLANTIC ACID-BASE DEBATE”. 《Anesthesiology》 26: 591–594. ISSN 0003-3022. PMID 14338914. 
  40. ↑ Stewart, Peter A. (1983년 12월 1일). “Modern quantitative acid–base chemistry”. 《Canadian Journal of Physiology and Pharmacology》 (영어) 61 (12): 1444–1461. doi:10.1139/y83-207. ISSN 0008-4212. 
  41. ↑ Kellum, Elbers, & Stewart, 2009, pp. 134-135.
  42. ↑ Morgan, T. John (2009년 5월). “The Stewart approach--one clinician's perspective”. 《The Clinical Biochemist. Reviews》 30 (2): 41–54. ISSN 0159-8090. PMC 2702213. PMID 19565024. 
  43. ↑ Fencl, Vladimir; Leith, David E. (1993년 1월). “Stewart's quantitative acid-base chemistry: Applications in biology and medicine”. 《Respiration Physiology》 (영어) 91 (1): 1–16. doi:10.1016/0034-5687(93)90085-O. 
  44. ↑ Story, David A. (2016년 8월). “Stewart Acid-Base: A Simplified Bedside Approach”. 《Anesthesia & Analgesia》 (영어) 123 (2): 511–515. doi:10.1213/ANE.0000000000001261. ISSN 0003-2999. 
  45. ↑ Ghosh, Supradip (2024). 〈Acid Base Homeostasis: Stewart Approach at the Bedside〉. Malbrain, Manu L.N.G.; Wong, Adrian; Nasa, Prashant; Ghosh, Supradip. 《Rational Use of Intravenous Fluids in Critically Ill Patients》 (영어). Cham, Switzerland: Springer International Publishing. 153–165쪽. doi:10.1007/978-3-031-42205-8_7. ISBN 978-3-031-42204-1. 
  46. ↑ Masevicius, Fabio D (2015). “Has Stewart approach improved our ability to diagnose acid-base disorders in critically ill patients?”. 《World Journal of Critical Care Medicine》 (영어) 4 (1): 62. doi:10.5492/wjccm.v4.i1.62. ISSN 2220-3141. PMC 4326765. PMID 25685724. 
  47. ↑ Kimura, Satoshi; Shabsigh, Muhammad; Morimatsu, Hiroshi (2018년 1월). “Traditional approach versus Stewart approach for acid–base disorders: Inconsistent evidence”. 《SAGE Open Medicine》 (영어) 6: 205031211880125. doi:10.1177/2050312118801255. ISSN 2050-3121. PMC 6156212. PMID 30263119. 
  48. ↑ Zanella, Alberto; Caironi, Pietro; Castagna, Luigi; Rezoagli, Emanuele; Salerno, Domenico; Scotti, Eleonora; Scaravilli, Vittorio; Deab, Salua A.; Langer, Thomas (2020년 4월 1일). “Extracorporeal Chloride Removal by Electrodialysis. A Novel Approach to Correct Acidemia”. 《American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine》 (영어) 201 (7): 799–813. doi:10.1164/rccm.201903-0538OC. ISSN 1073-449X. 
  49. ↑ Cove, Matthew; Kellum, John A. (2020년 4월 1일). “The End of the Bicarbonate Era? A Therapeutic Application of the Stewart Approach”. 《American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine》 (영어) 201 (7): 757–758. doi:10.1164/rccm.201910-2003ED. ISSN 1073-449X. PMC 7124708. PMID 31658424. 
  50. ↑ 가 나 Zhou, Jin-Yan; Hao, Dong-Li; Yang, Guang-Zhe (2021년 11월 30일). “Regulation of Cytosolic pH: The Contributions of Plant Plasma Membrane H+-ATPases and Multiple Transporters”. 《International Journal of Molecular Sciences》 (영어) 22 (23): 12998. doi:10.3390/ijms222312998. ISSN 1422-0067. PMC 8657649. PMID 34884802. 
  51. ↑ Baker-Austin, Craig; Dopson, Mark (2007년 4월). “Life in acid: pH homeostasis in acidophiles”. 《Trends in Microbiology》 (영어) 15 (4): 165–171. doi:10.1016/j.tim.2007.02.005. 
  52. ↑ Lund, Peter A.; De Biase, Daniela; Liran, Oded; Scheler, Ott; Mira, Nuno Pereira; Cetecioglu, Zeynep; Fernández, Estefanía Noriega; Bover-Cid, Sara; Hall, Rebecca (2020년 9월 24일). “Understanding How Microorganisms Respond to Acid pH Is Central to Their Control and Successful Exploitation”. 《Frontiers in Microbiology》 11. doi:10.3389/fmicb.2020.556140. ISSN 1664-302X. PMC 7553086. PMID 33117305. 

참고문헌

같이 보기

외부 링크

  • AcidBase.org (스튜어트 산염기 이론을 홍보하는 웹사이트)
  • Acid-Base Physiology (다양한 관점을 종합적으로 소개하는 온라인 산염기 생리학 교과서)
원본 주소 "https://ko.wikipedia.org/w/index.php?title=산-염기_항상성&oldid=37381216"