산-염기 항상성
같이 보기

산
염기
완충용액
중탄산염 완충계
호흡보상
콩팥보상
산성혈증
알칼리혈증
대사성 산증
대사성 알칼리증
호흡성 산증
호흡성 알칼리증
스튜어트 이론에서 체액의 산염기 상태를 결정하는 요인. 호흡과 관련된 독립변수는 이산화탄소 분압, 대사와 관련된 독립변수는 강이온차이(SID)와 비휘발성 약산 총량(ATOT)이고, 나머지는 모두 종속변수이다.
강이온차이 SID는 강한 양이온 전하량 총합에서 강한 음이온 전하량 총합을 뺀 값으로 정의된다. 인체에서는 사실상 반드시 양수이다. 전기 중성 원리가 지켜지려면 약한 음이온의 전하량 총합은 SID와 꼭 같아야 한다. 다만 측정되지 않은 이온이 있으면 실제 값과 측정값이 달라질 수 있다. 그림에서는 UA−
가 측정되지 않은 강한 음이온을 나타낸다.
인산염 완충계가 용액의 산성화를 거스르는 이치를 나타낸 그림. 약산 H
2PO−
4의 짝염기 HPO2−
4가 H+
와 결합하여 중화하므로 H+
 농도 변화가 완화된다.
인산염 완충계가 용액의 알칼리화를 거스르는 이치를 나타낸 그림. 첨가된 OH−
가 H+
와 반응하여 물을 만들면 약산 H
2PO−
4가 해리하여 줄어든 H+
를 보충한다.
조직에서 생산한 이산화탄소는 적혈구 안으로 확산해 들어간 다음 탄산무수화효소의 촉매 작용으로 H
2CO
3를 만든다. H
2CO
3가 해리하여 만들어진 HCO−
3는 확산하여 도로 빠져나가고, H+
는 헤모글로빈에 의해 완충된다. 허파에서는 모든 과정의 역반응이 일어나, 알짜로는 조직에서 허파로 이산화탄소가 운반되는 셈이다.
데이븐포트 그림은 혈액의 산염기 상태를 평가하는 데에 흔히 쓰이는 계산도표이다. 가로축은 pH, 세로축은 HCO−
3 농도를 나타낸다. 우상향하는 곡선은 CO
2 분압에 대한 등치선으로, 중탄산염 완충계의 평형 조건을 나타낸다. 직선에 가까운 우하향 곡선은 완충선으로, 중탄산염 완충계를 제외한 나머지 완충계의 평형 조건을 나타낸다. 체액의 산염기 상태는 CO
2 등치선과 완충선이 만나는 지점으로 정해진다.
이산화탄소 분압 변화로 인한 변동은 데이븐포트 그림에서 CO
2 등치선의 변경으로 체액의 산염기 상태가 완충선을 따라 이동하는 것으로 표현된다.
비휘발성 강산·강염기가 첨가되어 일어나는 변동은 데이븐포트 그림에서 완충선의 변경으로 체액의 산염기 상태가 CO
2 등치선을 따라 이동하는 것으로 표현된다.
호흡계통이 pH 변화에 반응하여 항상성을 회복하는 과정을 나타낸 그림.
글루타민을 대사하여 α-케토글루타르산과 암모늄을 만드는 과정
토리쪽곱슬세관에서 중탄산염을 재흡수하는 과정을 나타낸 모식도. H
2CO
3가 해리하면 HCO−
3와 H+
가 만들어진다. HCO−
3는 세포 바닥면의 통로를 통해 혈액으로 확산하여 나간다. H+
는 내강으로 분비되어 소변의 중탄산염을 적정하는 데에 쓰인다. 따라서 알짜로는 소변에서 혈액으로 중탄산염이 재흡수되는 셈이다.
A형 사이세포는 능동수송으로 수소 이온을 분비한다. 수소 이온을 분비할 때마다 중탄산염을 생성하는 셈이다.
허파 기능에 문제가 생겨 호흡성 산-염기 장애가 나타나면 콩팥이 보상 작용을 하고, 반대로 콩팥 때문에 대사성 산-염기 장애가 생기면 허파가 보상 작용을 하여 몸의 산염기 상태를 정상으로 되돌린다.
데이븐포트 그림이 코펜하겐 방법에서 중요하게 다루어지는 반면, 보스턴 방법에서는 편리하지만 부정확한 도구에 지나지 않는다고 간주된다. 그림은 다양한 산-염기 장애 환자의 pH 및  [{\ce {HCO3-}}] 변동을 통계적으로 분석하여 도출한 95% 신뢰구간을 나타낸 것이다. 환자 사이의 개인차 및 생리적 보상 반응을 고려하면, CO
2 등치선 및 완충선과 같은 특정한 곡선을 기준으로 생각하기보다는 오히려 그림처럼 넓은 영역을 기준으로 대강 판단하는 것이 더 합당하다고 본다. 그리고 도표보다 경험적 수식을 우선시해야 한다고 강조한다.
1686년에 제작된 판화. 외과의사의 작업실에서 학자가 항아리를 들고 있는데, 미카엘이 드래곤을 물리치는 모습이 묘사되어 있다. 그림 아래에 “거룩한 영은 온 세상의 D를 무찌르는 굳센 알칼리이다.”라는 설명이 달린 것으로 볼 때, 항아리의 내용물은 아마도 알칼리성 증류액(spirit)일 것이다. 산이 질병을 일으키므로 알칼리로써 치유할 수 있다는 당대의 통념을 반영하였다.
이온화 이론을 바탕으로 산·염기의 정의를 제시한 스웨덴 화학자 스반테 아레니우스.
혈액의 완충 능력을 이론적으로 해명하여 산염기 생리학의 지평을 연 로런스 조지프 헨더슨.
헨더슨의 수식에 따르면, 완충용액이 산성도 변화에 저항하는 능력은 산과 염의 농도 비가 1에 가까울 때 가장 클 것으로 계산되었다. 그림은 산 해리 상수가 10-7인 약산으로 이루어진 완충용액의 완충용량이 용액의 pH에 따라 어떻게 변화하는지 나타낸 그래프이다.
미 해군에서 잠수를 마친 병사의 체액을 밴슬라이크 기체 분석 장치로 연구하는 모습.
1950년경에 이르러 유리 전극으로 pH를 측정하는 기구가 상업적으로 제작·판매되었다. 사진은 한 광고 전단.
코펜하겐 블레그담 병원의 의과대학생들이 호흡마비 환자들에게 수동 양압환기를 실시하는 모습. 마취과 의사 비외른 입센은 환자들의 호흡 상태를 개선하기 위해 인공환기가 필요하다고 판단하였으나, 병원에 기계환기 장치는 충분하지 않았다. 따라서 치·의과대학생을 동원하여 3교대 혹은 4교대로 24시간 수동 환기를 시행하도록 하였다.
1962년 메이오 클리닉 세미나에서 발언하는 폴 아스트럽. 칠판에 데이븐포트 그림이 그려져 있다. 이 문서에서는 데이븐포트 그림을 코펜하겐 접근법과 연관 지어 기술했지만, 당시에는 오히려 더 복잡한 계산도표나 공식에 맞서 미국 학자들이 주로 내세우던 단순한 도구였던 것으로 보인다. 아스트럽은 “그림이 잊히도록 격렬하게 손짓했다”고 한다.
강이온차이 개념을 중심으로 한 새로운 산염기 접근법을 주장한 캐나다의 생리학자 피터 스튜어트.
혈액 검체의 온도가 상승할수록 pH가 선형적으로 감소한다는 관계를 처음 보고한 1948년 논문의 도표.
인공위성이 촬영한 이리호의 유해조류번성. 광합성이 활발하게 일어나면서 물이 급격히 알칼리화하여 pH가 10에 이르기도 한다. 반대로 깊은 물에서나 밤에는 산소가 적어지고 이산화탄소가 많아져 산성 환경이 만들어지곤 한다.
바닷물고기 아가미의 이온세포를 촬영한 투사전자현미경 사진. 이온세포 두 개가 나란히 붙은 모습이다. 이온 수송에 필요한 에너지를 제공하는 미토콘드리아가 세포질을 가득 메우고 있다.
식물의 캘빈 회로. 포스포에놀파이루브산 카르복실레이스(왼쪽 그림의 PEPC)와 말산효소(오른쪽 그림의 ME)가 함께 생화학적 pH 조절 장치를 이룬다는 모형이 제안되었다.
수국이 색색이 피어 있다. 산성 토양에서는 푸른색 수국이, 중성·염기성 토양에서는 붉은색 수국이 핀다. 수국에 있는 붉은색 미르틸린(myrtillin) 색소가 알루미늄과 결합하면 푸른색을 나타내는데, 산성 환경에서는 알루미늄 이온이 쉽게 흡수되는 반면 염기성 환경에서는 수산화 알루미늄을 이루어 잘 흡수되지 않기 때문이다. 이처럼 토양의 산성도는 식물의 영양에 영향을 미치는 중요한 요인이다.