**산-염기 항상성**은 생물이 세포와 체액의 수소 이온 농도 또는 pH를 조절하는 항상성 기제이다. 많은 경우, 생물을 둘러싼 환경에 수소 이온은 매우 낮은 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.

변화하는 환경 속에서 세포의 pH를 일정하게 유지해야 한다는 과제는 식물이나 세균을 비롯하여 모든 생물이 마주하는 보편적인 도전이지만섬네일|산혈증과 알칼리혈증에서 나타날 수 있는 증상들.
산-염기 항상성이 유지되지 못하면 체액의 수소 이온 농도가 비정상적으로 높아지거나 낮아질 수 있다. 동맥혈의 pH가 정상 값인 7.4보다 심하게 낮아지는 경우를 산혈증, 높아지는 경우를 알칼리혈증이라고 한다. pH가 6.8 미만으로 낮아지거나 8.0보다 높아지면 사람은 수 시간 이내에 죽는다.

사람의 산-염기 항상성을 이해하는 방식은 시대에 따라 계속 바뀌어 왔으며 이 문서에서는 주로 전통적인 시각을 따르되, 스튜어트 접근법이 제공하는 통찰을 일부 반영하여 서술한다.

## 개요
사람을 비롯한 동물에서 산-염기 항상성에 관여하는 기제를 세 가지 방어선으로 나누어 설명할 수 있다.

### 헨더슨-하셀바흐 방정식
전통적인 산염기 생리학은 흔히 중탄산염 중심 접근법(bicarbonate-centered approach)이라고도 불리는데, 세포외액의 여러 완충계 중에서도 특히 중탄산염 완충계의 역할을 강조하기 때문이다. 중탄산염 완충계는 ― 쌍으로 이루어진 완충계로, 다음과 같이 탄산의 해리 반응을 통해 산염기 변동을 완충한다.

체액에 산이 유입되어 가 늘어나면 반응의 평형이 왼쪽으로 치우친다. 즉 늘어난 를 가 중화하여 없앤다. 반대로 염기가 유입되면 가 와 반응하여 물과 를 만든다. 즉 탄산이 를 중화하여 없앤다.

중탄산염 완충계의 평형을 정량적으로 따지려면 헨더슨-하셀바흐 방정식을 이용하면 된다. 용액에 용해된 기체의 농도가 공기 중 이산화탄소 분압에 비례한다는 헨리의 법칙 및 탄산 해리 반응 각 단계의 평형 조건을 결합하면 다음과 같은 수식을 얻는다.

여기서 상수 는 이산화탄소의 용해도계수로 체온(37℃)에서 그 값은 약 0.03 mM/mmHg이다. 혹은 양변의 상용로그를 취해 변형하기도 한다.

보통 이 꼴로 나타낸 것을 헨더슨-하셀바흐 방정식이라고 부른다. 이때 p''K''는 

전통적인 중탄산염 중심 접근법에서 헨더슨-하셀바흐 방정식은 단순히 pH,

### 호흡계통과 콩팥의 항상성 조절
화학적 완충계, 호흡계통, 콩팥이 함께 산-염기 항상성을 조절하는 과정을 단순화하면 다음과 같다. 먼저 휘발성 산의 경우 호흡계통을 통해 쉽게 제거된다. 사람은 탄수화물·아미노산·지질 등을 산화하는 과정에서 하루에 약 15000 mEq의 이산화탄소를 생성한다. 이산화탄소가 모조리 혈중에 탄산으로 용해되어 와 를 만든다면 혈액을 급격하게 산성화하겠지만, 호흡계통이 환기를 통해 재빨리 내보내므로 보통은 체액의 산염기 상태에 영향을 미치지 않는다. 이로써 호흡계통은 막대한 양의 잠재적 산을 제거한다.

한편 무기산 섭취·염기 배설 등을 고려하였을 때 사람은 하루에 70-80 mEq 정도 비휘발성 산을 얻는다. 이러한 산 부하(acid challenge)에 맞서는 일차 방어선은 화학적 완충계이다. 먼저 중탄산염 완충계가 부하를 대부분 중화하여, 중화한 양만큼 가 줄어들고 CO가 생성된다.

한편 중탄산염 완충계 이외의 다른 완충계도 기여한다.

이렇게 해서 가 대부분(99.999% 이상) 중화되며, 그러고도 남은 극소량의 가 혈액의 pH를 조금 떨어뜨린다. 산 부하는 중화되었지만 완충계를 이루는 성분들이 소모되었는데, 이를 보충해 주는 것이 콩팥의 역할이다. 콩팥은 매일 약 70 mEq를 생성한다. 다시 말해 콩팥동맥을 통해 하루에 콩팥으로 유입되는 의 양보다 콩팥정맥을 통해 하루에 나가는 양이 70 mEq 더 많다. 새로 만든 의 일부는 비휘발성 산을 중화하느라 소모된 것을 보충하며, 나머지는 소모된 다른 염기를 재생성하는 데에 쓰인다.

이로써 콩팥은 혈중 중탄산염 농도 및 다른 완충계를 이루는 성분의 농도를 일정하게 유지한다. 호흡계통은 이상의 반응에서 만들어진 CO

호흡계통과 콩팥은 서로 보완·보상한다. 예컨대 호흡계통의 기능에 문제가 생겨서

### 스튜어트 접근법
스튜어트는 기존 산염기 생리학이 중시했던 
스튜어트 산염기 이론에서 온도와 각종 평형 상수를 제외한 독립변수는 세 가지이다. 첫째는 이산화탄소 분압으로, 전통적인 관점과 같이 호흡계통에 의해 조절된다고 간주된다. 둘째는 강이온차이로, 수용액에서 완전히 이온화하는 강한 전해질의 알짜 전하량, 즉 강한 양이온 전하량 총합과 강한 음이온 전하량 총합의 차이로 정의된다. 이들 구경꾼이온은 유입되거나 배출되지 않는 한 농도가 변할 일이 없으니 독립변수 구실을 한다는 것이다. 셋째는 비휘발성 약산 총량으로 흔히 A

혈액의 산염기 상태를 바꿀 수 있는 요인은 오로지 이산화탄소 분압, 강이온차이, 그리고 비휘발성 약산 총량 셋뿐이며,  등은 모두 이들에 의해 결정되는 종속변수이다. 체액에 이산화탄소나 비휘발성 약산이 더해졌을 때 체액이 산성화되리라는 사실은 쉽게 짐작할 수 있다. 강이온차이가 체액의 pH를 결정하는 이치를 따지면 대강 이러하다. 전기 중성 원리에 따르면 혈중 양전하 총합과 음전하 총합은 서로 같아야 한다. 비휘발성 약산을 HA로 뭉뚱그려 생각하면 다음이 성립한다.
생리학적인 상황에서 
즉 강이온차이는 중탄산염 완충계와 그 밖의 다른 완충계의 평형에 제약을 부과한다. 이산화탄소 분압과 비휘발성 약산 총량이 일정할 때, 예컨대 HCl과 같은 강산이 유입되어 SID가 감소하면 약한 음이온의 총합은 적어져야만 한다. 와 가 '쥐어짜져서(squeezed)' 적어지면 이들 완충계의 평형 조건에 따라 는 늘어나야만 한다. 혈액이 산성이 되는 것은 이처럼 강한 음이온인 가 SID를 감소시키기 때문이다.

스튜어트 접근법은 거센 논쟁의 대상이지만, 적어도 강이온차이 개념은 전통적인 산염기 생리학과 같은 현상을 바라보는 다른 방법이라고 해석할 수 있다.

## 혈액의 완충 작용

### 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.

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, 수소 이온과 가역적으로 결합하는 물질로 이루어진 용액을 가리킨다.

이 용액에 강산 과 결합하므로 pH 변화가 완화된다. 이것이 완충 작용이다.

완충 작용이 일어나는 정도는 여러 요인에 영향을 받는데, 한 가지는 각 화학종의 농도이다. 질량작용의 법칙에 따르면 화학 평형 상태에서 다음 식의 값은 온도에만 의존하는 상수이며, 이를 산 해리 상수라고 부른다.

그런데 생리학적인 상황에서 

총량뿐만 아니라 상대적인 농도 비도 중요하다.

### 중탄산염 완충계
중탄산염 완충계는 ― 쌍으로 이루어진 완충계이다. 세포외액에 는 많지 않으며, 그 p''K''

물과 이산화탄소가 탄산을 만드는 반응 및 그 역반응은 매우 느려서 탄산무수화효소가 없으면 거의 일어나지 않는다.

### 다른 완충계
인산염 완충계는 ― 쌍으로 이루어진 완충계이다.

p''K''

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.

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.

## 호흡계통의 역할
호흡계통은 조직에서 끊임없이 만들어내는 이산화탄소를 환기를 통해 제거한다. 대사와 환기의 균형이 혈액의 이산화탄소 기체 분압을 결정한다. 대사가 활발하여 이산화탄소가 더 많이 만들어지면 이산화탄소 기체 분압이 증가하고, 반대로 호흡이 가빠져서 환기로 이산화탄소를 더 빨리 제거하게 되면 분압이 감소한다. 그런데 호흡수는 이산화탄소 기체 분압에 반응해서 조절된다. 대사가 활발해지면 환기도 덩달아 빨라지므로 조직에 이산화탄소가 쌓이지 않고 그대로 제거된다. 이러한 음성 되먹임에 의해 이산화탄소 기체 분압이 일정하게 유지되기 때문에 혈액의 중탄산염 완충계를 일정 압력의 기체와 평형을 이루고 있는 열린 계로 간주할 수 있고, 탄산으로 대사되는 각종 유기산을 휘발성 산이라고 부를 수 있는 것이다.

한편 호흡수는 혈중 농도에 의해서도 조절된다. 세포 대사로 이산화탄소가 많이 생산되면 탄산의 해리 반응에 의해 역시 많아지므로, 농도에 의한 환기 조절은 이산화탄소 분압의 균형을 이루는 데에 기여한다. 그런데 농도는 다른 산·염기에 의해서도 변한다. 산을 섭취하여 가 많아지면, 설령 대사량이 이전과 똑같더라도 호흡수가 증가하여 이산화탄소를 더 빠르게 제거한다. 혈중 이산화탄소 기체 분압이 감소하므로 농도도 감소한다. 반대로 염기를 섭취하여 가 적어지면 호흡이 느려져 이산화탄소 분압이 상승하고 도 다시 많아진다. 이처럼 호흡계통은 혈중 농도에 반응하여 환기를 통한 이산화탄소 제거 속도를 조절함으로써, 혈액의 완충계에 이어 사람의 산-염기 항상성을 유지하는 제2방어선 역할을 한다.

호흡을 조절하여 농도를 되돌리는 데에는 한계가 있다. 호흡보상의 효율은 보통 50-75 % 정도라고 보는데, 이를테면 산혈증으로 pH가 7.4에서 7.0으로 떨어지면 호흡을 빨리 해서 pH를 7.2-7.3 정도까지는 되돌릴 수 있다는 것이다. 알칼리혈증에 대한 호흡보상은 덜 효과적이다. 환기는 이산화탄소를 제거할 뿐만 아니라 산소를 공급하는 역할도 하기 때문에, 호흡이 가빠지기는 쉬워도 너무 느려져서는 위험하다. 따라서 pH가 증가하더라도 호흡수는 많이 감소하지 않는다.

혈중 이산화탄소 기체 분압 및 농도를 감지하여 호흡계통에 전달하는 것은 주로 호흡 중추의 화학감수성영역이다. 숨뇌의 배쪽 표면 가까이에 좌우 각 한 무리씩 신경 세포가 모여 있어, 농도에 민감하게 반응하여 호흡 중추의 나머지 부위를 자극한다. 실제로 혈액에서 화학감수성영역을 더 효과적으로 자극하는 것은 가 아니라 오히려 이산화탄소인데, 수소 이온은 혈액뇌장벽을 쉽게 넘나들지 못하는 반면 이산화탄소 기체는 자유롭게 확산하기 때문이다. 한편 목동맥토리·대동맥토리 등에 있는 말초 화학수용기도 부수적인 역할을 한다. 주로 산소 농도를 감지하는 데에 관여하지만 이산화탄소 및 에도 반응하여 호흡 중추로 신호를 전달한다. 호흡을 조절하는 효과는 중추 화학감수성영역이 말초 화학수용기보다 훨씬 크지만, 빠르기로 따지면 말초 화학수용기의 반응이 다섯 배나 빠르다. 따라서 갑자기 운동을 시작할 때처럼 이산화탄소 분압이 급격하게 변할 때 기민하게 대응하도록 돕는 것으로 보인다.

## 콩팥의 역할
콩팥은 오줌의 조성을 조절함으로써 산-염기 항상성을 유지한다. 산성 소변이 배설되면 체액에서 산이 제거되고, 염기성 소변이 배설되면 체액에서 염기가 제거된다. 보통 사람은 하루에 70-80 mEq 정도의 비휘발성 산을 섭취하는데, 호흡으로 제거하지 못하니 소변으로 내보내야 한다. 콩팥은 산성 소변을 내보내 하루에 70-80 mEq만큼 산을 제거함으로써 균형을 맞춘다. 또한 산혈증이 있으면 소변을 더욱 산성화하고, 반대로 알칼리혈증이 있으면 덜 산성화하거나 심지어 알칼리화하는 콩팥보상을 통해 혈액의 수소 이온 농도를 정상으로 되돌린다.

콩팥이 소변의 산염기 상태를 조절하는 주된 분자 기제는 수소 이온 분비이다.

소변 속 완충계의 완충 능력은 각 완충계의 농도와 p''K''

또다른 중요한 성분은 암모늄이다. 혈중에는 거의 없지만, 세뇨관 벽 세포가 글루타민을 α-케토글루타르산으로 대사할 때 생성되어 소변으로 확산해 나가거나 능동수송으로 분비된다. 이를 암모니아생성이라고 한다. 글루타민은 가장 흔한 비필수 아미노산으로 각종 음식에 풍부하게 들어 있다. 이처럼 기질이 풍부하기에, 암모니아생성은 필요에 따라 탄력적으로 조절되어 산 제거에 크게 기여할 수 있다.

콩팥의 산염기 조절을 정량적으로 분석하는 지표는 알짜산배설량으로, 다음처럼 계산된다.

여기서

### 중탄산염 중심 해석
생리학에서는 콩팥의 산염기 조절 작용을 흔히 수소 이온 배설, 중탄산염 재흡수, 그리고 중탄산염 생성으로 나누어 설명하는데, 따지고 보면 모두 수소 이온 분비라는 한 가지 기제에서 비롯하는 현상이다. 세뇨관 벽 세포로는 이산화탄소가 자유롭게 확산해 들어올 수 있으며, 이산화탄소가 용해하여 된 는 세포 안의 탄산무수화효소에 의해 와 로 해리한다. 를 세포 밖으로 분비해 없앨수록 반응의 평형이 치우치므로, 도 많이 만들어져 세포 바닥면의 통로를 통해 확산하여 나간다. 따라서 를 하나 분비할 때마다 중탄산염을 하나씩 얻는다. 분비한 가 소변의 중탄산염을 적정하는 데 쓰이면 결과적으로는 소변에서 혈액으로 중탄산염을 재흡수하는 셈이다. 한편 다른 완충계가 수소 이온을 흡수하는 경우, 소변의 중탄산염은 변하지 않았는데 혈액에만 중탄산염이 많아지므로 중탄산염 생성이라고 보는 것이다.

### 암모니아생성의 역할
전통적으로 암모니아생성이 산 제거에 기여하는 것은 인산염 등 다른 완충계와 마찬가지 원리라고 간주되었다. 콩팥에서 만들어진 암모니아는 기체 상태로 소변으로 확산하여 나간다. 소변은 혈액보다 훨씬 산성이므로 암모니아는 즉시 암모늄이 된다. 기체인 암모니아와 달리 극성이 강한 이온인 암모늄은 세뇨관 벽을 쉽게 통과하지 못하므로 소변에 갇힌다. 이처럼 암모니아가 와 결합하여 적정하기에 수소 이온이 배설되는 효과가 있다는 것이다.

하지만 암모니아-암모늄의 p''K''

또다른 견해는 간의 역할에 주목한다. 간에서는 아미노산을 분해하여 탄산수소 이온과 암모늄 이온을 하루에 약 1000 mEq씩 만든다. 콩팥에서 일어나는 아미노산 대사가 간에서 일어나는 반응과 다른 점은 암모늄이 몸 밖으로 분비된다는 것이다. 분비되지 않고 몸 안에 남은 암모늄은 요소로 대사되는데, 이때 가 소모된다.

그러므로 콩팥 암모니아생성이 산 제거에 기여할 수 있는 참된 이유는 를 소모하지 않으면서도 암모늄을 제거하는 방법을 제공하기 때문이다. 콩팥이 대사에 이용하는 글루타민 자체는 간에서 만들어져 유입된 것으로, α-케토글루타르산을 글루탐산염으로 대사할 때 수소 이온 하나가 만들어져 를 중화하였을 테니, 콩팥에서 만든 는 그저 잃어버렸다가 되찾은 것에 지나지 않는다. 간에서 만든 암모늄을 독성이 적은 형태로 콩팥까지 옮기려고 임시로 글루타민을 합성하는 것이다. 암모늄 하나를 분비할 때마다 알짜로 를 하나씩 얻는 것은 맞지만, 내막을 살펴보면 간의 요소 합성에 소모되는 양을 줄임으로써 나타나는 간접적인 효과이다.

### 조절
콩팥은 체액의 산염기 상태에 따라 오줌의 조성을 조절함으로써 산염기 변동을 되돌린다. 산혈증이 있으면 분비 및 암모니아생성을 늘림으로써 산을 많이 제거하고 중탄산염을 많이 만든다. 반대로 알칼리혈증이 있으면 분비를 줄여 중탄산염이 재흡수되지 않고 그대로 빠져나가도록 하며, 암모늄 역시 분비하지 않는다. 이로써 염기를 제거한다.

토리쪽곱슬세관 세포는 세뇨관 내강을 마주하는 꼭대기면의 수소 이온 운반 단백질 개수, 그리고 반대쪽인 바닥면의 중탄산염 운반 단백질 개수를 조절함으로써 분비를 늘리거나 줄인다. 흥미롭게도 이러한 조절 기제는 pH가 아니라 중탄산염 완충계의 나머지 두 성분인 이산화탄소와 중탄산염 농도에 반응하는 것으로 보인다. 토리쪽곱슬세관 세포의 바닥면과 맞닿는 용액의 이산화탄소 분압이 높으면 외포작용이 활발하게 일어나 세포막에 이온 운반 단백질이 많아져 내강으로 를 많이 분비하고, 이산화탄소 본압이 낮으면 반대로 운반 단백질이 덜 활성화되어 를 적게 분비한다. 바닥쪽 표면과 맞닿는 용액의 중탄산염 농도가 낮거나 높은 경우에도 마찬가지이다.

토리쪽곱슬세관 세포에서는 산염기 변동에 반응하여 암모니아생성도 조절한다. 이 경우 변화를 야기하는 것은 세포 내 pH 변화로, 세포내액이 산성화되면 암모니아생성에 관여하는 각종 효소의 활성이 증가한다. 미토콘드리아의 글루탐산분해효소가 활성화되면 글루타민이 암모늄과 글루탐산으로 분해되는 반응이 더 활발하게 일어난다. 포스포에놀파이루브산 카르복실레이스(PEPCK) 효소가 활성화되면 포도당신생합성이 촉진되어, 글루탐산 탈아미노화의 산물인 α-케토글루타르산을 포도당으로 전환하는 반응이 더 활발하게 일어난다. 이로써 산혈증 상황에서 암모늄 생성·분비가 촉진된다.

한편 집합세관에는 A형과 B형 사이세포라는 두 종류 세포가 있다. A형 사이세포는 꼭대기면에 양성자 펌프가 있고 바닥면에 - 교환체가 있어 내강으로 를 분비한다. B형 사이세포는 꼭대기면과 바닥면의 이온 운반 단백질 분포가 이와 반대로 되어 있어 내강으로 를 분비한다. 산혈증이 만성적으로 지속되면 집합세관에 A형 사이세포가 늘고 B형 사이세포가 줄어 분비가 촉진된다. 반대로 만성 알칼리혈증 상황에서는 B형 사이세포가 많아지고 A형 사이세포가 적어져 분비가 억제되고 오히려 가 분비된다.

### 스튜어트 해석
스튜어트 산염기 이론에서는 콩팥의 역할을 전혀 다르게 설명한다. 수소 이온과 탄산수소 이온은 다른 요인에 의해 농도가 결정되는 종속변인이므로, 콩팥이 를 배출하거나 탄산수소 이온을 재흡수·생성함으로써 산염기 균형을 유지한다는 서술은 부적절하다.

스튜어트 이론의 해석에 따르면, 세뇨관 벽에 있는 갖가지 및 수송 단백질은 직접적으로든 간접적으로든 강이온을 함께 옮긴다. 예컨대 먼쪽곱슬세뇨관에서 분비와 재흡수가 긴밀하게 연관되었다는 사실은 잘 알려져 있으며

## 산-염기 장애

### 병태생리
산-염기 장애는 병인에 따라 크게 호흡성(respiratory)과 대사성(metabolic)으로 구분된다. 호흡성 산-염기 장애는 호흡 이상으로 이산화탄소 분압이 달라지는 바람에 생기는 이상을 가리키고, 대사성 산-염기 장애는 이산화탄소 분압 변화 이외의 요인으로 생기는 이상을 아울러 가리킨다. 변화의 방향에 따라 산증과 알칼리증이 구분되므로, 결국 산-염기 장애를 크게 호흡성 산증, 호흡성 알칼리증, 대사성 산증, 대사성 알칼리증으로 구분할 수 있다.

이산화탄소 분압은 이론상 휘발성 산이 지나치게 많이 혹은 적게 만들어지는 탓에 변화할 수도 있지만, 이런 경우는 드물다.

대사성 산-염기 장애는 이산화탄소 분압 변화가 아닌 이유로 체액에 산·염기가 더해지거나 빠지는 경우를 가리키며

### 평가
산-염기 장애가 한 가지 병인으로 말미암은 것일 때 단순(simple)하다고 하며, 여러 병인이 함께 있으면 복합(mixed) 산-염기 장애라고 한다.

보상 반응과 이차성 산-염기 장애를 구분하기는 까다롭다. 생리학적인 호흡보상·콩팥보상을 제외하고 혈액의 화학적 완충 작용만 따지더라도 계산이 어려운데, 혈액 속 수많은 완충계의 평형 조건을 연립해야 하기 때문이다. 한 가지 해결책은 도표를 활용하여 시각적으로 어림하는 것이다.가 있는데, 가로축에 pH, 세로축에 농도를 나타낸 것이다. 헨더슨-하셀바흐 방정식을 변형하면

이므로, 데이븐포트 그림에서 

실제로 임상에서는 산-염기 적정을 시행하기가 번거롭기 때문에 다른 변수를 가지고 완충선의 수식을 추정하곤 한다.

순수한 호흡성 산-염기 장애에서 이 값이 일정한 까닭은 스튜어트 접근법을 이용하면 쉽게 이해할 수 있는데, 상술하였듯이 전기 중성 원리에 따르면 이 값은 근사적으로 강이온차이 SID와 같다.

우변의 둘째 항은 pH를 1 변화시키기 위해 소모해야 하는 의 양을 가리키므로 곧 HA― 완충계의 완충용량 β와 같다. 그런데 생리학적인 pH 범위에서 β가 상당히 일정하다는 사실이 경험적으로 관찰된 바 있다.

여기서 완충염기 BB의 값이 정상에서 벗어난 정도를 가리키는 

즉 염기과잉은 완충선의 세로 절편으로서 직선이 정상 위치에서 벗어난 정도를 가리키므로, 대사성 산-염기 장애의 척도로 간주할 수 있다. 여기서 

표준염기과잉는 혈액뿐만 아니라 조직 사이질의 세포외액까지 고려한 염기과잉 값으로, 세포외액 때문에 헤모글로빈이 '희석'된다고 간주하여 위 수식의 

또다른 방법은 다양한 산-염기 장애 환자에서 보상 반응이 얼마나 일어나는지 관찰하여 얻은 경험적 규칙을 적용하는 것이다. 규칙에 들어가는 수치가 정확히 얼마인지는 학자마다 조금씩 다르게 기술하곤 하지만, 대강 다음과 같다.

## 역사

### 혈액의 산염기 성질
물질 가운데 산성인 것과 염기성인 것이 있다는 사실은 고대에도 알려졌다. 산은 신맛을 내는 물질로 정의되었고, 알칼리는 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. 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.

의화학자들은 위액을 비롯하여 각종 체액의 산-알칼리 성질을 밝히려고 했다.

한편 산과 염기가 만나 물과 염을 만난다는 도식

### 산염기 생리학의 태동
아레니우스는 자신의 이온화 이론에 입각하여 수용액에서 수소 이온을 내놓는 물질이 산, 수산화 이온을 내놓는 물질이 염기라고 정의했다.

19세기 말 세포대사 과정에서 황산·인산·탄산·젖산 등이 만들어진다는 사실이 실험으로 확인되었다.

헨더슨은 이어서 서로 다른 여러 완충계가 함께 존재하는 용액의 경우를 고찰하여, 완충계가 한 종류만 있는 용액보다 더 효율적으로 중성을 유지함을 밝혔다.

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 사실은 잘 알려져 있었다.

한편 헨더슨과 동시대에 활동한 영국 생리학자 존 스콧 홀데인은 호흡수를 조절하는 기제에 관심을 기울였다. 그는 호흡이 혈액의 pH 및 산소 분압을 정상으로 유지하는 방향으로 조절된다고 결론 지었다.

### 추정과 측정: 대사성 산-염기 장애를 평가하다
헨더슨이 산-염기 생리학의 기틀을 닦기는 했지만, 임상적 응용이 곧바로 이어졌던 것은 아니다. 임상에서 쓸 만한 간단한 개념적 도구도, 실제로 혈액의 산-염기 상태를 평가할 기술도 부족했기 때문이다.

1920년대 이후 반 세기 동안 산-염기 생리학의 이론 및 방법론에 주도적으로 기여한 학자는 도널드 반 슬라이크였다.

반 슬라이크는 pH 측정 없이도 산-염기 상태를 평가하는 다양한 방법을 고안했지만, pH를 추정하는 방법도 고민했다. 헨더슨-하셀바흐 방정식을 이용하면  값을 알 수 있는 것이다.

혈액의 pH를 간접적으로 추정하지 않고 직접 측정하는 것은 유리 전극 기술이 발달하고 나서 가능해졌다. 용액에 얇은 유리 막을 집어넣었을 때 전위차가 발생하며 그 크기는 막 안팎의 산 농도차에 비례한다는 사실이 1906년에 보고되었고, 1909년에는 프리츠 하버와 지그문트 클레멘세비치가 유리 전극을 만들어 그 효과를 시험했다. 1930년대에 이르러 혈액의 pH를 측정하기 위한 유리 전극이 제작되어 판매되기 시작했다. 다만 이는 온도의 영향을 배제하지 못하는 제품이었다. 온도까지 보정하여 pH를 정확하게 측정할 수 있는 유리 전극은 1950년대 중반에야 상업적으로 판매되었다.

유리 전극이 통용되고 혈액의 pH를 측정하기가 한결 쉬워지면서 주목 받기 시작한 한 가지 문제는 대사성 산-염기 장애의 척도를 찾는 일이었다. 공기 중 이산화탄소 분압이 변하면 곧 환자의 산-염기 상태가 변하니, 이것을 호흡성 산-염기 장애로 정의하자는 데에는 모두 동의했다. 그렇다면 호흡을 제외한 나머지 요인만을 따졌을 때 산-염기 상태가 어떠한지를 평가하는 가장 적절한 방법을 찾으려고 다양한 시도가 이어졌다.

하지만 기술적·이론적 발전이 이루어지는 동안에도 임상에서 환자의 동맥혈을 채취하는 일은 흔치 않았으며 혈액의 pH를 측정하려는 시도조차 드물었다. 상황이 뒤바뀐 계기는 1952년 덴마크 코펜하겐에 발발한 심각한 소아마비 유행이었다.

### 1952년 소아마비 유행과 횡대서양 대논쟁
1952년 코펜하겐에 닥친 소아마비 유행으로 10월부터 12월 사이에만 3천여 명의 환자가 입원했다. 대부분 블레그담 병원에 입원했는데, 이 가운데 3백여 명이 호흡마비 증세를 보였다. 환자들의 혈액에서는 이산화탄소 총량이 높아져 있었다. 

아스트럽은 환자들의 산-염기 상태와 호흡 상태를 정확히 평가할 필요를 느꼈다. 그는 먼저 

아스트럽은 소아마비 유행을 극복한 데서 그치지 않고 산-염기 장애를 평가하는 새로운 도구를 마련하고자 하였다. 그는 용액에 강염기나 강산을 첨가하면 pH―

물론 임상에서 실제로 중화 적정을 실시하기는 번거로우므로, 시고르-안데르센은 정의와 별개로 혈액에서 측정 가능한 변수만 가지고 염기과잉 값을 계산할 수 있는 공식을 연구해 내세웠다. 이때 pH―

1963년 보스턴 터프츠 대학교의 슈바르츠와 렐만은 염기과잉 개념을 비판하며, 중탄산염 중심의 경험적 접근법을 제시했다. 이들은 대신 정상적인 보상 반응의 정도를 경험적으로 관찰함으로써 도출한 6가지 간단한 규칙을 사용해서 산-염기 장애를 평가하자고 제안했다.

보스턴 학파의 비판에 대응하여 시고르-안데르센은 혈액의 헤모글로빈 농도를 5 g/dL라는 낮은 값으로 고정해서 염기과잉을 계산하는 방법을 고안했는데, 이렇게 셈한 값을 표준염기과잉이라고 한다. 덴마크 학자들은 보상 반응의 정도에 대한 경험적 연구의 가치를 인정하면서도, 표준염기과잉 수치를 가지고도 얼마든지 실용적인 규칙을 도출할 수 있다고 주장했다.

### 스튜어트의 물리화학적 접근
1980년대에 캐나다의 생리학자 피터 스튜어트는 중탄산염 중심의 전통적인 접근법이 불만족스럽다고 느끼고, 산-염기 생리학을 새롭게 이해하는 방법을 고안했다.의 값이 주어지면 체액의 산염기 상태는 다음 6가지 방정식에 의해 하나로 결정된다.

모두 연립하면 

스튜어트 접근법은 지금까지도 논쟁의 대상이 되고 있다. 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.

## 다른 생물에서
식물 역시 생존에 필수적인 각종 단백질의 기능이 pH에 의존하기 때문에, 세포 내 pH를 정밀하게 조절하여 7.1 ~ 7.5 사이로 유지한다.

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.