전기 전도성 용액을 생성하는 전해질

한국의약통신l승인2018.12.04 06:00:00

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저칼륨증, 심장서 전기전도 방해해 생명에 위험
나트륨 통해서 인체에 있는 물의 양을 조절하게 돼

전해질(electrolyte)은 물과 같은 극성 용매에 용해되면 전기 전도성 용액을 생성하는 물질이다.

용해된 전해질은 양이온과 음이온으로 분리되고 용매에 균일하게 분산된다. 전해질이 녹아 있는 용액은 전기적으로 중립을 가지지만 전위가 가해지면, 용액의 양이온은 전자가 풍부한 전극(음극)으로 이동하고, 음이온은 전자가 부족한 전극(양극)으로 이동하면서 전류가 흐른다. 

인체에서 전해질의 주요 이온에는 Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, HPO42-, HCO3-이 있다. 나트륨은 세포외액에서 칼륨은 세포내액에서 주로 발견되는 전해질이다.

▲ [그림 1] 체액의 전해질 구성

구조는 기능을 결정한다. 세포외액과 세포내액은 화학적으로 비슷하지 않고, 세 가지 체액(혈장, 세포간질액, 세포내액)의 화학구조는 물과 전해질 이동을 결정하는데 많은 역할을 한다.

즉, 체액의 화학 구조가 정상인 경우 체액 분포의 항상성을 유지하고, 비정상인 경우 체액의 불균형을 초래한다.

혈량과다증(hypervolemia, 혈액의 부피가 비정상적으로 증대되는 경우), 부종(edema)은 체액의 화학 구조 변화로 인해 발생한다.

1. 나트륨
나트륨(Na+)은 체액과 전해질 균형의 중심에 위치한다. 혈장 나트륨 농도의 변화는 혈장 부피, 혈압, 세포내액 및 세포간질액의 부피에 영향을 준다.

나트륨 수치가 너무 낮으면 알도스테론(aldosterone, 부신피질에서 분비)이 분비된다. 나트륨 수치가 높으면 심방 나트륨이뇨 펩티드(Atrial natriuretic peptide, ANP, 심방에서 분비)가 분비된다.

세포내액과 세포외액의 칼륨(K+) 이온 농도는 세포의 휴지 전위에 영향을 미친다.

혈중 칼륨의 증가는 레닌-안지오텐신-알도스테론 시스템(renin-angiotensin-aldosterone system)을 통해서나 부신 피질에 직접 작용하여 알도스테론 분비를 자극한다.

알도스테론은 집합관(cortical collecting ducts)에서 나트륨을 재흡수 하고, 칼륨을 배설한다, 세포외액의 과도한 칼륨(hyperkalemia)은 막전위를 감소시키고, 저칼륨혈증(hypokalemia)은 과분극과 무반응성의 원인이 된다. hyperkalemia와 hypokalemia는 심장에서 전기 전도를 방해함으로써 갑작스런 죽음을 맞이할 수 있다.

수소 이온은 세포내외로 이동하고 칼륨과 반대 방향으로 이동하여 흥분성 세포의 활성을 방해한다.

1) 나트륨과 칼륨의 이동

(1) 막전위(membrane potential)
휴지기 신경 세포는 세포막을 통과하는 전압을 가지고 있는데 이것을 휴지 전위(resting potential)라고 한다. 휴지 전위는 세포막을 사이에 두고 이온의 농도구배 및 이온의 세포막 투과성에 의해 결정된다.

이온은 채널(channel)을 통해 이온이 확산하고 전하의 이동을 유도하여 휴지 전위를 생성한다. ① 세포외부의 나트륨은 뉴런 내부로 거의 들어오지 못하지만 세포내부의 칼륨은 쉽게 세포막을 통과하여 나갈 수 있다.(K+ : Na+=1 : 0.04) 이것은 세포막에 항상 열려 있는 K+ channel(또는 leak channel)이 있기 때문이다. 또, ② 세포내부의 단백질 음이온은 세포외로 이동할 수 없고, 반대로 세포외부의 Cl- 음이온은 세포막을 쉽게 통과한다. 

▲ [그림 2] 신경세포에서 세포막 전위 A-: 단백질 음이온(anion)을 의미

막전위가 발생하는 가장 주요한 이유는 이온투과도 차이에 의해서 발생한다. 전하를 가진 이온은 세포막을 잘 통과하지 못하지만 K+ 투과도가 Na+에 비해 높고, K+이 K+ channel(leak channel)을 통해 세포 밖으로 이동한다. 결과적으로 세포외부에는 양이온(K+, Na+)이 많아지고, 세포내부는 상대적으로 음이온이 많아지게 된다.

(2) 알도스테론(aldosterone)
알도스테론은 부신피질에서 분비되는 스테로이드 호르몬으로서 혈압, 혈장 나트륨 및 칼륨 항상성 조절에 중요한 역할을 한다. 알도스테론은 나트륨의 재흡수 및 칼륨의 배출에 영향을 미치고, 이것을 통해서 물을 재흡수하고, 혈압 및 혈액량에 영향을 미친다.  

▲ [그림 3] 알도스테론의 작용

알도스테론은 신장의 원위 세뇨관(distal tubule)과 집합관(collecting duct)의 핵 수용체인 MR(nuclear mineralocorticoid receptors)에 작용하여 Na+/K+ pump를 상향 조절하고 활성화시킨다.

Na+/K+ pump는 나트륨을 세포간질액으로 내보내고 칼륨을 세포로 이동시킨다.

이로써 나트륨을 재흡수하고 칼륨을 분비할 수 있는 세포내 농도구배를 만든다.

알도스테론은 집합관에서 ENaC(epithelial sodium channel)을 상향 조절하여 나트륨에 대한 막 투과성을 증가시켜 흡수한다. 염소(Cl-)이온은 전기화학적 균형을 유지하기 위해 나트륨과 함께 재흡수 된다.

(3) 인슐린(insulin)

인슐린은 췌장 베타세포에서 생성되는 펩티드 호르몬이자, 인체의 주요 동화 호르몬(anabolic hormone)이다.

▲ [그림 4] 베타세포에서 인슐린의 분비

인슐린의 분비는 베타세포에 ① 포도당이 들어오고 ② ATP생성의 증가 ③ K+-ATP channel을 차단 ④ 칼륨 유출이 멈추면서 탈분극이 일어남 ⑤ voltage-gated Ca2+ channel이 열리고 칼슘이 세포내로 유입 ⑥ 인슐린 분비 순으로 일어난다.   

인슐린은 인체 전체에 영향을 미치는데 근육과 지방조직에 포도당 섭취를 증가시키고, 아미노산 섭취를 통해서 DNA 복제 및 단백질 합성이 증가하고, 많은 효소의 활성이 변화한다. 인슐린은 칼륨, 마그네슘 및 인산 이온에 대한 세포 투과도를 증가시킨다.

특히, 인슐린은 많은 세포에서 Na+/K+ ATPase를 활성화시켜 세포내로 칼륨의 흐름을 유발한다. 

인슐린의 칼륨에 대한 작용은 음식 섭취로 인해서 발생할 수 있는 고칼륨혈증(hyperkalemia)를 막고 혈중 칼륨 3.5~5.0mEq/L를 유지한다.

2) 구조는 기능을 결정한다
세포막은 지질이중층과 많은 단백질로 구성된다.

지질이중층을 직접 통과하거나, 수송단백질을 통해서 이동을 하든 많은 물질은 농도차이에 의한 확산(diffusion)에 의해서 이동을 한다. 삼투(osmosis) 또한 농도차이에 따른 물의 확산이다.

우리는 매일 음식을 먹고 숨(O2)을 쉬고, 소변과 대변, 호흡(CO2)을 통해서 배설한다. 그리고 인체에 들어온 것과 나간 것의 합은 동일하다. 이렇게 끊임없이 물질이 들어오고 나가게 하기 위해서 반드시 필요한 것이 바로 물과 전해질이다.

위에 막전위, 알도스테론, 인슐린을 간단히 살펴보았다.

①막전위를 통해서 칼륨이 나트륨보다 세포막 투과성이 높았고, ②알도스테론을 통해서 나트륨이 칼륨보다 쉽게 물을 흡수할 수 있다는 것과, ③인슐린의 작용으로 포도당과 아미노산을 비롯한 많은 물질이 세포내로 이동을 하는데 거의 음식으로 섭취한 대부분의 칼륨도 세포내로 이동을 한다는 것이다.  

▲ [그림 5] 칼륨과 나트륨을 통해 본 물질의 이동

나트륨과 칼륨은 같은 1족 알칼리 금속이다. 다른 점이 있다면 나트륨은 원자번호 11번이고, 칼륨은 원자번호 19번이다. 칼륨은 나트륨보다 8개의 전자가 더 있어서 칼륨이온의 지름은 0.27nm로 나트륨이온의 지름 0.19nm보다 크다.

하지만 수화된 나트륨이온의 지름은 0.52nm이고, 수화된 칼륨이온의 지름은 0.46nm이다. 나트륨이온은 6개의 물 분자를 가지고 있고, 칼륨보다 더 강력하게 물과 결합하기 때문이다.

▲ [표 1] 나트륨과 칼륨의 크기

나트륨과 칼륨이 물과 결합하는 힘이 다르기에 인체는 이것을 인체의 대사에 이용한다. 칼륨을 통해서 세포내외의 물질 이동에 사용한다면 나트륨을 통해서 인체에 있는 물의 양을 조절하게 되는 것이다. 

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