거시상태(macrostate)와 미시상태(microstate)

1) 인체의 pH값

세포내 pH는 막 수송 및 기타 세포내 과정에서 중요한 역할을 한다. 적절한 세포기능, 통제된 세포의 성장과 정상적인 세포과정을 위해 세포내 pH의 조절은 매우 중요하다. 정상적인 세포내 pH는 일반적으로 7.0 ~ 7.4이지만 조직 간에 가변성이 있고, 세포소기관에도 서로 다른 pH를 가지고 있다.

① 세포내 소기관의 pH

세포소기관의 대사 경로는 pH에 의존하기 때문에 세포소기관에 따라 pH가 크게 다르다.

⦁ 세포질(cytosol) pH 7.2 (세포외 pH 7.3~7.4)

세포질은 중탄산염(bicarbonate HCO3-)의 농도가 세포외액(bicarbonate농도 : 세포외액 27mEq/L, 세포내액 8mEq/L)보다 낮기 때문에 세포외액 pH보다 낮다. 에너지생성과정에서 생성되는 CO2의 생성으로 산성화되는 경향이 있다.

H2O + ↑CO2 ⇌ H2CO3 ⇌ ↑H+ + HCO3–

특히, 세포외 이산화탄소 분압(pCO2)이 45mmHg 이상이 되면 탄산(H2CO3)이 증가하고, 탄산의 해리로 인해 세포외 pH가 감소하고 세포내 이산화탄소와 수소이온의 세포막을 통한 이동이 감소하면서 세포내 pH도 감소한다.

세포는 주요 완충계(buffer system)인 단백질과 인산염 및 pH조절 수용체의 대응으로 산성화를 막는다. 

⦁ 핵(nucleus)과 소포체(endoplasmic reticulum)는 세포질과 동일한 pH 7.2이다.

⦁ 퍼옥시솜(peroxisome)은 pH 7.0으로 세포질과 유사하다.

⦁ 리소좀(lysosome)의 pH 4.7로 비교적 낮다. 이 기관은 다른 물질을 빨아들여 분해하는 분해성 세포 기관이기 때문에 의도한 기능을 수행하려면 높은 내부 산도가 필요하다.

⦁ 골지체(Golgi apparatus)의 pH는 cis-Golgi에서 pH 6.7에서 trans-Golgi network에서 pH 6.0으로 감소하는 뚜렷한 pH 설정점(pH set point)을 가지고 있다.

⦁ 미토콘드리아 pH 8.0
미토콘드리아 기질(mitochondrial matrix)의 pH는 8.0이고, 미토콘드리아 내막의 pH는 7.0~7.4이다. 미토콘드리아 내막 사이의 pH구배와 전자전달계로 생성된 전위차는 ATP 합성에 중요하다.  

② 인체의 pH

혈액은 보통 약간 염기성으로 pH 7.35~7.45이다. 신체는 혈액의 산-염기 균형(acid-base balance)을 제어하기 위해 화학적 완충계(chemical buffer system : bicarbonate, phosphate, protein buffer system)와 물리적 완충계(physical buffer system : respiratory, metabolic buffer system)가 있다.

화학적 완충계는 갑작스런 산, 염기의 변화를 방지하는 작용을 하고, 물리적 완충계는 호흡기계를 통해 이산화탄소를 체외로 배출하고, 신장을 통해 과도한 산이나 염기를 배설한다.

<표1>은 휴식 상태에서 주요 장기 및 조직의 혈류 및 산소 소비량을 요약한 것이다. 기타기관에는 뼈, 내분비선, 생식기계 등이 포함된다.

신체의 많은 기관에서 주요 수송 기능은 국소 대사 요구를 충족시키는 것이다. 하지만 일부 지역에서는 국소 대사 요구 외에 혈액의 물리 화학적 구성물질의 처리를 위해 많은 혈류가 흐른다.

즉 산소소비량에 비해 혈류량이 많은 지역인 신장(73 B/O2)은 물과 용질의 균형을 조절하고, 피부(80 B/O2)는 열 균형을 조절한다.

폐에 대한 값은 표에는 나와 있지 않지만, 폐순환(pulmonary circulation)으로 폐에는 5,000ml/min의 혈류(<그림2> 참고 폐순환량 = 체순환량)가 흐르고 이것은 폐의 국소적 대사 충족보다 혈액의 가스(산소, 이산화탄소)를 조절하는 역할을 한다.   

혈류량에 대한 산소소비량을 보면 골격근은 14B/O2로 pH6.9~7.2, 뇌는 15B/O2로 pH 7.1, 간은 24B/O2로 pH 7.2를 보인다.

산소소비량이 높으면 물질의 분해 및 에너지 대사가 증가한다. 물질의 분해에서 나오는 이산화탄소(CO2)도 증가한다. 산소소비량에 비해서 혈류의 흐름이 적은 곳은 이산화탄소의 제거가 느려지면서 이산화탄소 분압이 증가한다. 이산화탄소 분압의 증가는 탄산(H2CO3)이 증가하고 탄산의 해리로 수소이온(H+)이 증가하면서 조직의 pH는 낮아진다.

H2O + ↑CO2 ⇌ ↑H2CO3 ⇌ ↑H+ + HCO3– → pH의 감소

여기에서 재미있는 것은 탄산은 수소이온과 중탄산염으로 해리되고, 수소이온(H+)과 중탄산염(HCO3–)이 동시에 증가하는데 pH는 감소한다는 것이다. 

<그림4>에서 보는 것처럼 pH7.3에서 pH7.0이 된다면 수소이온농도는 0.00005mmol/L에서 0.0001mmol/L가 되는 것이다.

수소이온농도가 2배가 되었음에도 불구하고 전해질농도와 비교할 때 수소이온의 변화는 아주 미미한 수준밖에 되지 못한다.

그렇기 때문에 탄산의 해리로 수소이온과 중탄산염이 증가하면 중탄산염과 상관없이 pH는 감소한다.

2) pH와 인체

호흡성 산증(respiratory acidosis)은 환기의 감소에 의한 이산화탄소의 체내 축적으로 일어나고, 대사성 산증(metabolic acidosis)은 신장에서 산(H+)의 배설 및 중탄산염(HCO3–)의 재흡수 감소와 산(케톤체, 젖산 등)의 생성이 증가하면서 발생한다.

혈액에서 수소이온은 물리적 완충계와 화학적 완충계(화학적 완충작용을 하는 음이온 : HCO3-, HPO42-, proteins-)로 조절이 된다.

산증이 나타나면 물리적 완충계인 폐에서 과호흡이 나타나고, 혈류의 흐름을 증가시키기 위해 심박수가 증가한다. 또, 증가된 수소이온은 세포의 칼륨(K+) 및 뼈의 표면에 있는 다른 양이온과 수소이온의 교환이 일어난다. 결과적으로 화학적 완충계의 작용으로 단백질에 수소이온 결합이 증가하고, 뼈의 무기질 침착(mineralization)이 감소한다.

이와 같은 대사의 흐름으로 인해 혈중 칼륨의 증가 및 다른 양이온인 칼슘(Ca2+)의 증가가 나타나고, 단백질 기능의 저하(예, 헤모글로빈의 산소운반 기능 저하)와 다양한 뼈 질환(구루병, 골연화증, 골연화증 등)이 나타난다. 

3) pH와 대사(metabolism)

수소이온 농도의 변화는 다른 이온의 농도와 비교하면 정말 미미한 수준이다. 인체의 수소이온이 40nmol(pH 7.4)에서 56nmol(pH 7.25)로 pH 변화가 일어나는 산증을 보면 인체는 다양하고 심각한 반응(그림5 참고)을 보인다. 그리고 정상적인 pH 조절이 일어날 때 뇌의 pH는 7.1로서 매우 낮음에도 불구하고 아무 문제도 일어나지 않는다.

그런데 인체 pH의 감소로 일어나는 산증이 인체의 대사에 어떤 영향을 미쳐서 다양한 악영향이 일어날까? 깁스자유에너지를 통한 대사의 방향을 이해하기 위해서는 엔탈피 및 엔트로피 외에도 반응물 및 생성물의 농도도 영향을 미친다는 것을 알아야 한다.

즉, 수소이온의 변화는 반응물과 생성물 사이의 대사 방향에 영향을 미치고, 인체의 동화반응(anabolism)과 이화반응(catabolism)에 악영향을 주게 된다. 수소와 전자를 전달하는 NADH와 NADPH를 살펴보면서 수소와 전자에 대해 알아보도록 하겠습니다.  

참고문헌
위키피디아 검색 : intracellular pH, Gibbs free energy, entropy, enthalpy
Simon Fraser University 홈페이지, chem1 virtual textbook