생명 유지 필수적인 수소 발생, buffer system 제거
한계 오면 뼈 안의 무기질 손상, 단백질 기능 이상 발생

▲ 신창우 약사(충북 단양군 시장약국)

인체는 매일 음식을 섭취하며 섭취한 음식은 catabolism 및 많은 대사과정을 통해서 산을 생산(표1)한다. 이 반응으로 수소이온(hydrogen ion)은 40~80mmol/24h이 생성이 되고, 생성된 산은 크게 carbonic acid(H2CO3, 휘발성)와 non carbonic acid(비휘발성)로 구분이 된다.

▲ [표 1] 인체 대사에 따른 산(acid)의 종류

1. carbonic acid
지방과 탄수화물의 대사산물로 CO2를 15~20mol/24h을 생성한다. 폐에서 제거되기 전 이산화탄소는 적혈구에 흡수되어 아래와 같이 H2O와 반응하여 carbonic anhydrase(histidine 잔기와 zinc ion을 가지고 있음)에 의해서 carbonic acid(H2CO3)를 형성한다. carbonic acid는 수소이온과 bicarbonate로 해리된다.

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

2. non-carbonic acid
황(H2SO4)과 인(H2PO4-)을 포함한 음식과 단백질의 대사에 의해서 생성된다. 보통의 식이에 의해서 수소이온이 50~100meq/24h 생성되며, 신장에 의해서 배설된다. 황함유 아미노산(cysteine, methionine 등)은 sulfuric acid를 형성하고, lysine, arginine, histidine은 hydrochoric acid를 형성한다.

물론 알칼리 함유 음식(예 citrate)이나, 아미노산(aspartate, glutamate)의 대사로 알칼리를 유도한다. 이 알칼리로 매일 생성되는 산(acid)의 일부를 중화하지만 알칼리보다 산이 더 많이 생성된다.

인체의 효소 및 생화학 과정의 대부분은 pH7에 최적으로 작용하기 때문에 인체는 pH를 매우 좁은 범위 내에서 조절한다. 혈액의 pH는 7.35~7.45(수소이온농도는 35~45nmol/L)이고, 세포의 pH는 7.0(수소이온농도는 100nmol/L)이다. 수소이온농도가 변화하는 상황에서 pH의 변화를 제한하는 것이 완충계(buffer system)이고, 혈액 및 세포외액, 세포내액의 pH를 유지하는데 필수적인 역할을 한다. 완충계는 약산(weak acid)과 염(salts)으로 이루어진 완충액(buffer solution), 산염기(acid-base)의 역할을 하는 단백질로 이루어져있으며, 호흡과 신장배설을 통해서 과도한 산을 배출한다.

▲ [그림 1] buffer system

3. chemical buffer system

인체의 대사에 의해 생성된 수소이온(H+또는 H3O+)은 proton hopping mechanism(약사와 철학⑬ 혈액 두 번째 이야기, pH 참조)에 의해서 인체에 존재하는 양이온(Na+, K+, Ca2+, Mg2+)보다 우선적으로 음이온과 먼저 결합을 한다. 특히 완충작용을 하는 음이온(HCO3-, HPO42-, proteins-)은 수소이온과 결합하여 free hydrogen ion 농도의 변화를 최소화한다.

▲ [그림 2] body fluid의 양이온과 음이온

만약 수소이온이 증가하게 되면 뼈의 표면에 있는 Na+과 K+이온이 수소이온과 교환이 일어나고, 결과적으로 뼈의 미네랄이 용해가 되면서 NaHCO3, CaHCO3, CaHPO4와 같은 완충 화합물이 방출된다. 뼈는 산 증가에 대한 완충작용을 하며 만성적인 산증인 경우에는 뼈의 무기화에 나쁜 영향을 미치고, 구루병, 골연화증 및 골감소증과 같은 뼈 질환을 유발할 수 있다.

1) extracellular buffer

세포외액에서 가장 중요한 buffer는 수소이온과 결합하여 carbonic acid를 형성하는 bicarbonate이다.

수소이온이 증가하게 되면 carbonic acid(H2CO3)가 생성되고, 반대로 수소이온이 감소하게 되면 수소이온과 bicarbonate(HCO3-)를 생성하게 된다. carbonic acid는 carbonic anhydrase에 의해서 이산화탄소와 물로 분해되고, 이산화탄소는 폐를 통해서 제거가 된다.

CO2 + H2O(폐) ↔ H2CO3(혈액) ↔ H+ + HCO3-(혈액)

혈액가스를 측정하여 혈액의 pH를 구하면 다음과 같이 된다.

pH=pKa(H₂CO₃) + log[HCO₃-)/H₂CO₃(=0.03 x pCO₂)] = 6.1 + log 24/1.2 = 7.4
(pKa는 H₂CO₃의 해리상수=6.1, HCO₃-=24mEq/L, pCO₂=40mmHg x 0.03=1.2mEq/L= H₂CO₃)

bicarbonate buffer system은 HCO3-(H2CO3:HCO3-의 비는 1:20)이 풍부(55.6mmol/L)하여서 수소이온의 제거와 CO2의 배출(적혈구의 hemoglobin과 함께)에 매우 효과적으로 작용한다. 세포외액에서 작용하는 다른 완충액은 혈장 단백질과 무기 인산염이 있다.

2) intracellular buffer

세포내액에의 buffer에는 단백질, 유기/무기 인(phosphate)과 적혈구에 존재하는 hemoglobin이 있다. 세포내액의 수소이온은 Na+/K+의 균형에 영향을 미치고 buffer는 수소이온을 조절함으로서 Na+/K+의 항상성을 유지한다.

HPO42-와 H2PO42-이 4:1로 구성된 phosphate buffer system(비탄산 완충액으로 혈장에는 5%, 적혈구에는 16%존재)은 bicarbonate buffer와 거의 동일한 작용을 하며 주로 세포내액과 소변에 고농도로 존재하고, 이곳에서 buffer작용을 가지고 있다.

혈장 및 적혈구에서 H2PO4- + H2O ↔ H3O+ + HPO42-

수소이온이 증가하면 H2PO4- + H2O ← H3O+ + HPO42-

hydorxide ion이 증가하면 H2PO4- + OH- → H2O  + HPO42-

H2PO4-/HPO42-의 해리상수(pKa)는 7.21로서 세포질의 평균 pH인 6.9~7.4와 비슷하여서, phosphate buffer는 pH를 유지하는데 효과적이다.

3)  protein buffer

다양한 모든 단백질은 수소이온에 대한 buffer 기능을 가지고 있다. 단백질의 buffer 능력은 단백질 구조에 가지고 있는 극성 아미노산에 달려 있다.

적혈구에 필수 buffer인 헤모글로빈은 수개의 수소이온을 받을 수 있다. 헤모글로빈의 특별한 buffer 효과는 산소와 결합하지 않을 때 나타난다. 따라서 이 기능은 헤모글로빈에서 산소의 유리를 촉진(Bohr effect)한다.

혈장단백질(알부민)도 수소이온에 대한 buffer 기능을 가지고 있다. 하지만 혈장단백질은 헤모글로빈보다 낮은 농도를 가지고 있어서 buffer능력이 헤모글로빈보다는 낮다.

세포내 단백질의 buffer기능은 만성 산증(예, 만성신장질환)인 경우에 많은 기여를 한다. 만성 산증인 경우 단백질은 신체의 완충 능력 중 1/3을 차지한다. 나머지는 구강 bicarbonate보충요법으로 한다.

4. physical buffer system

bicarbonate buffer를 비롯한 chemical buffer system은 즉각적으로 pH를 조절하지만, 폐(respiratory buffer system)를 통한 pH조절은 반응은 즉각적으로 나타내는 반면 pH를 조절하는데 수분에서 몇 시간이 필요하다. 신장(metabolic buffer system)은 다량의 산을 제거(또, 염기도 제거함)할 수 있지만 pH를 조절하는데 몇 시간에서 며칠이 걸릴 수 있다.

1) respiratory buffer system

respiratory buffer system은 bicarbonate buffer와 함께 조직 세포에서 생성된 CO2를 제거하는 역할을 하고, 조직 세포에 O2를 전달하여서 전자전달계에서 생성되는 다량의 수소이온을 제거한다. respiratory buffer system의 순 기능은 CO2의 제거와 O2의 전달에 있고, 이 중심에 혈액과 적혈구가 있다.

▲ [그림 3] respiratory buffer systemHbO2: 산소가 결합된 헤모글로빈, HHb: 수소이온이 결합된 헤모글로빈

조직에서는 CO2의 농도가 높고, 폐포에서는 O2의 농도가 높다. 농도 구배에 따라서 폐포의 O2는 적혈구의 헤모글로빈(산소친화도가 높음)과 결합해서 조직으로 이동하고, CO2는 적혈구 및 혈장을 통해서 폐포로 이동하여 배출이 된다.

CO2는 조직에서 혈장이나 적혈구에 용해되어 이동(적은양의 CO2 이동)하거나, 적혈구에 있는 carbonic anhydrase에 의해서 carbonic acid로 전환이 되고 carbonic acid는 수소이온과 bicarbonate(Cl-이온과 교환이 되어서 혈중에서 buffer 작용을 한다)로 해리 된 채로 이동(많은 양의 CO2 이동)한다. 그리고 폐포는 이 반응의 역으로 나타나서 CO2를 방출한다.

헤모글로빈의 산소 친화도는 온도가 높고, pH가 낮고, pCO2가 높으면 산소 친화도가 떨어진다. 조직은 폐포보다 대사가 많아서 온도가 높고, 수소이온 및 CO2가 상대적으로 높다. 증가된 온도는 적혈구의 신진대사를 증가시키고, 수소이온의 증가는 2,3BPG(2,3-bisphosphoglycerate)의 농도를 증가시킨다. 2,3BPG와 수소이온은 헤모글로빈과 결합해서 산소를 유리시킨다. 산소를 유리시킨 헤모글로빈은 수소이온과 결합하여 폐포로 이동한다.

▲ [그림 4] 적혈구에서 bisphosphoglycerate의 변환

2) metabolic buffer system

신장은 신체에서 수소이온을 물리적으로 제거하고, bicarbonate의 혈중 농도를 조절한다. 혈액이 산성이면 더 많은 수소이온이 배설되지만 bircarbonate는 유지한다. 폐는 짧은 시간에 CO2의 농도를 변화시킬 수 있지만 신장은 수 시간에서 수 일간 bicarbonate를 변화시켜 pH에 영향을 준다. 

▲ [그림 5] metabolic buffer system

CO2는 carbonic anhydrase에 의해서 carbonic acid로 전환이 된 후 수소이온과 bicarbonate로 해리가 된다. 수소이온은 ATPase에 의해서 Na+과 교환이 되면서 소변으로 제거가 되고, bicarbonate는 혈액으로 이동을 하면서 buffer로 작용하게 된다. 세뇨관(tubule lumen)으로 이동한 수소이온은 phosphate buffer와 반응(HPO42- + H+ → H2PO4-)하여서 소변으로 배설된다.

5. buffer system과 hydrogen ion

수소이온은 proton hopping mechanism을 통해서 다른 양이온(Na+, K+, Ca2+,Mg2+등)보다 빨리 단백질과 결합하고, 수소이온과 결합한 단백질은 그 기능이 변화(예, 수소이온과 결합한 헤모글로빈은 산소 친화도가 떨어진다)할 수 있다.
이러한 이유로 인체는 chemical buffer와 physical buffer를 통해서 끊임없이 생성되는 수소이온을 제거한다. 또 수소이온이 많아지면 뼈에 저장된 무기질(NaHCO3, CaHCO3, CaHPO4)이 수소이온을 제거하는데 사용이 된다.

▲ [그림 6] body buffer system

 
인체는 생명을 유지하기 위해서 대사를 하고, 대사는 반드시 수소이온을 발생시킨다. buffer system은 수소이온을 제거하지만 모든 기능에는 반드시 한계가 존재한다. buffer 기능에 한계가 발생하면 뼈에 저장된 무기질이 손실되고, 효소를 비롯한 단백질은 수소이온과 결합하여 기능에 이상 나타난다. 반대로 신체 기능의 이상(호흡이상, 신장이상 등)은 acid-base balance에 문제가 나타나면서 인체에 이상이 나타나게 된다.

참고문헌

Eureka:Biochemistry & Metabolism, by Ph.D. Milan Anna외 3인
Acid Base Online tutorial, university of connecticut
Lane community College, https://www.lanecc.edu, 검색 ; acid-base balance
위키피디아 검색, 2,3-bisphosphoglycerate

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