신경기능, 체액 균형 등 생물학적 과정 조절에 탁월
‘코티솔’ 전해질 균형에 관여, 나트륨 및 수분 재흡수

전해질은 신체 내의 항상성 유지에 중요한 역할을 한다. 전해질은 심근 및 신경기능, 체액 균형, 산소전달, 산-염기 균형 및 기타 생물학적 과정을 조절하는데 도움을 준다. 전해질은 세포막(특히 신경, 심장, 근육의 세포)이 전압을 유지하고 다른 세포나 다른 세포에 전기 자극(신경 자극, 근육 수축)을 전달하기 위해 사용되기 때문에 중요하다.

신장은 신체의 변화에도 불구하고 혈액 내 전해질 농도를 일정하게 유지하는 역할을 한다.

체액의 양과 전해질의 농도는 일반적으로 식이 섭취량, 대사 활동 및 환경 스트레스의 다양한 변화에도 불구하고 매우 좁은 범위 내에서 유지된다. 물은 낮은 용질 농도의 영역에서 높은 용질 농도 영역으로 세포막을 자유롭게 통과한다. 따라서 물의 이동에 의해서 삼투농도(osmotic concetration)는 체액 구획에 걸쳐 균등하게 된다.
요소(urea)와 같이 세포막을 자유롭게 확산하는 용질은 물의 이동에 거의 영향을 미치지 않지만 나트륨과 칼륨과 같이 유체 구획에 제한되어 있는 용질은 가장 큰 삼투압 활성(osmotic activity)을 가지고 있고, 물의 이동을 결정한다. 또, 혈장 단백질은 물을 혈장으로 끌어 들이는 경향이 있는 작은 삼투 효과를 가지고 있다.

1) 물의 항상성
인체의 총 체액(total body water, TBW)은 체중의 약 60%(성별 및 나이에 따라 다름)를 차지한다.

일일 평균 물의 섭취는 약 2.2L이고, 2.5L를 배설한다. 인체는 물과 함께 다양한 영양소를 섭취하고, 인체는 영양소의 대사를 통해서 약 0.3L의 물을 생성하게 된다. 물의 배설은 무의식적으로 일어나는 폐와 피부에 의해서 약 0.8L(0.4~0.5ml/kg/h)가 배설이 되고, 땀과 대변을 통해서 일부가 배설이 일어나며, 1.5L가 소변으로 배설된다. 따라서 인체에 들어온 총 물의 양은 2.5L가 되고 총 배설하는 물의 양도 2.5L(그림1 참고)가 된다.

2) 나트륨, 칼륨, 물
인체의 물은 소화기관(GI system)을 통해서 흡수가 되고, 세포에서 대사가 이루어지며, 세포의 대사는 내분비계(endocrine system)에 의해 조절이 되고, 일부는 폐를 통해서 배설되고, 주로 신장을 통해서 배설이 이루어진다.

또, 정상적인 대사를 통해서 생성된 질소 노폐물과 기타 노폐물은 신장을 통해서 소변으로 배출이 된다.
물의 섭취량은 갈증에 의해 조절된다. 갈증은 시상하부의 수용체에 의해 유발되고, 혈장 삼투농도의 증가 또는 체액 감소에 반응한다. 신장에서 수분 배출은 주로 바소프레신(vasopressin, ADH)에 의해 조절된다.

뇌하수체 후엽에서 분비되는 바소프레신은 혈장 삼투농도의 증가, 혈장량의 감소 및 혈압의 감소에 의해 분비되며 신장에서 수분 재흡수를 증가시킨다. 물의 대사는 삼투농도와 관련되고, 삼투농도는 물과 전해질(인체의 유기물도 관계가 있음)의 관계로 이루어진다.

나트륨은 세포외액의 주요 삼투 활성이온이고, 칼륨은 세포내액의 주요 삼투 활성이온이다. 나트륨과 칼륨의 균형은 물의 항상성에 중요한 역할을 한다. 나트륨, 칼륨, 물의 조절은 ①소화기관 ②세포 내 대사 ③내분비계 ④신장을 통해서(그림2 참고) 이루어진다.

내분비선(endocrine glands)과 표적기관(target cell)의 직접적인 영향과 피드백기전을 가진 집합을 축(axis)이라 부르고, 전해질과 물의 대사에 직접적인 관계를 가진 축은 레닌-안지오텐신-알도스테론 축(이하 RAA axis)과 시상하부-뇌하수체-부신 축(이하 HPA axis)이 있다. 

① 레닌-안지오텐신-알도스테론 축(renin-angitensin-aldosterone axis, RAA axis)

RAA axis는 물과 나트륨 배설을 조절하는 주요 기전이다. 세포외액이 감소하면 신장에서는 사구체여과율(GFR)과 나트륨 전달이 감소하고 레닌(renin)이 방출된다. 레닌은 안지오텐시노겐(angiotensinogen)을 절단하여 안지오텐신Ⅰ(angiotensinⅠ)을 형성하고, 폐에서 생성되는 ACE(angiotensin-converting ezyme)는 안지오텐신Ⅰ을 안지오텐신Ⅱ로 변환시킨다.(그림3 (a)참고)

안지오텐신Ⅱ는 신장의 근위곱슬세관(proximal convoluted tubule)에 작용하여 나트륨과 중탄산이온(HCO3-)의 흡수를 증가시키고, 부신에 작용하여 알도스테론(aldosterone)의 분비를 자극한다. 알도스테론은 스테로이드 호르몬으로 원위 세뇨관(distal tubule)과 집합관(collecting duct)의 핵 수용체에 작용하여 Na+/K+ pump를 증가시키고, 나트륨의 재흡수와 칼륨의 배설을 돕는다. 또, 집합관에 있는 사이세포(intercalated cell)에 작용하여 H+/ATPase를 증가시키고 수소이온(H+)의 배설을 촉진한다.(그림3 (b)참고)

② 시상하부-뇌하수체-부신 축(Hypothalamic-Pituitary-Adrenal axis, HPA axis)

감정이나 육체적 자극에 의해서 분비되는 코티솔(cortisol)은 인체의 많은 대사에 관여를 한다. 코티솔은 전해질 균형에도 관여를 한다. 신장에서 사구체 여과율과 혈장의 흐름을 증가시키고, 인산염(HPO42-) 배설을 증가시킨다. 알도스테론과 같은 작용으로 코티솔도 나트륨 및 수분을 재흡수 하고, 칼륨 배출을 증가시킨다. 또, 소화관에서 나트륨 및 수분 흡수와 칼륨 분비를 증가시킨다. 하지만 나트륨 결핍이 코티솔 수치에 영향을 미치지는 않기 때문에 나트륨 균형의 주요 호르몬은 아니다.

③ 항이뇨호르몬(antidiuretic hormone, ADH)

항이뇨호르몬(ADH)로 알려진 바소프레신(vasopressin)은 뇌하수체 후엽에서 분비되는 펩티드 호르몬이다. 삼투농도 증가에 반응하여 방출이 되는 바소프레신은 신장에서 아쿠아포린-2(aquaporin-2)의 유전자 전사를 촉진하고, 집합요세관(collecting tubule)과 집합관(collecting duct)에서 아쿠아포린-2를 증가시킨다. 증가된 아쿠아포린-2를 통해서 용질(전해질)이 없는 물의 재흡수를 증가시키고, 소변을 농축시키고, 소변량을 줄인다.

④ 나트륨이뇨펩티드(natriuretic peptide)
나트륨이뇨펩티드에는 신장에서 나트륨 배출을 유발하는 펩티드이다. 심방성 나트륨이뇨펩티드(ANP, Atrial natiruretic peptide), 뇌성 나트륨이뇨펩티드(BNP, Brain natiruretic peptide), C형 나트륨이뇨펩티드(CNP, C-type natiruretic peptide) 3가지가 알려져 있다.

⦁ 심방성 나트륨이뇨펩티드(ANP, Atrial natiruretic peptide)
ANP는 심장 심방(heart atria) 벽에 있는 심장근육 세포에 의해 합성 분비된다. 심방의 혈액량 증가에 의해서 분비되며, ANP는 혈액량을 감소시켜 세포외액의 부피(부종, edema)를 감소시킨다. 

ANP의 분비 : 심방 벽의 혈류량 증가
       β-아드레날린성 수용체(β-adrenoceptors)의 교감신경 자극 증가
       고나트륨혈증(hypernatremia) → ANP분비의 직접적인 자극은 아님
       엔도텔린(endothelin, 강력한 혈관 수축제)

ANP는 사구체의 반경과 수를 증가시켜 사구체 여과율과 사구체 투과성을 증가시킨다. ANP는 구심성 동맥(afferent arteriole)을 확장시키고, 노르에피네프린에 의한 혈관 수축을 방해한다. ANP는 안지오텐신Ⅱ의 영향을 억제하고, 알도스테론이 신장에 미치는 영향과 반대의 효과를 나타낸다.

⦁ 뇌성 나트륨이뇨펩티드(BNP, Brain natriuretic peptide)

BNP는 심실 혈액량의 증가에 반응하여 심장 심실(heart ventricles)에 의해 분비된다. BNP는 돼지 뇌의 추출물에서 확인 되었기에 붙여진 이름이고, 요즘은 B-type natriuretic peptide라고 한다. BNP의 생리학적 작용은 ANP와 유사하며, 전신 혈관 저항 및 중심 정맥압의 감소 및 나트륨의 배설을 증가시킨다.
BNP는 구심성 사구체 동맥을 확장시키고, 원심성 사구체 동맥을 수축시키고, 사구 모세혈관의 압력을 증가시켜서 사구체 여과율을 증가시킨다. 사구체 여과율의 증가로 나트륨과 물의 여과를 증가시킨다. 또 레닌 분리를 억제함으로써 RAA axis를 억제한다.

⦁ C형 나트륨이뇨펩티드(CNP, C-type natiruretic peptide)
CNP는 강력한 나트륨 이뇨 작용, 물의 이뇨작용 및 혈관 확장 작용을 가지며 체액 항상성 및 혈압조절에 관여한다.