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중탄산염 완충계

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목차

1. 개요

중탄산염 완충계는 탄산(H₂CO₃)과 중탄산염 이온(HCO₃⁻)을 포함하는 완충계로, 생체 내에서 pH 항상성을 유지하는 데 중요한 역할을 한다. 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하고, 탄산은 수소 이온과 중탄산염 이온으로 해리되어 pH를 변화시킨다. 헨더슨-하셀바흐 방정식을 통해 혈액의 pH와 중탄산염 완충계의 구성 성분 간의 관계를 나타낼 수 있으며, 데이븐포트 그림을 통해 다양한 산염기 변동을 분석할 수 있다. 중탄산염 완충계는 세포 호흡의 부산물인 이산화탄소를 제거하고, 폐와 콩팥을 통해 조절되며, 위와 십이지장, 눈물 등 다양한 조직에서도 중요한 역할을 수행한다.

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중탄산염 완충계
개요
유형혈액 완충제
조절 대상혈액 pH
구성 요소
구성 요소탄산 (H2CO3)
중탄산 이온 (HCO3−)
작용 메커니즘
주요 효소탄산 탈수효소
반응이산화 탄소 (CO₂) + 물 (H₂O) ⇄ 탄산 (H₂CO₃) ⇄ 수소 이온 (H⁺) + 중탄산염 (HCO₃⁻)
생리학적 역할
기능혈액의 pH를 안정적으로 유지하는 데 중요한 역할
pH 유지 범위일반적으로 pH 7.4 (7.35-7.45) 부근에서 작동
임상적 중요성
관련 질병대사성 산증
대사성 알칼리증
호흡성 산증
호흡성 알칼리증

2. 탄산의 해리 반응

헨리의 법칙에 따르면, 용액에 녹아있는 이산화탄소의 농도(\rm [CO_2])는 이산화탄소 기체의 분압(\rm P_{CO_2})에 비례한다. 이산화탄소의 용해도계수를 s라고 하면, \rm [CO_2] = s \cdot P_{CO_2}로 나타낼 수 있다. 사람의 동맥혈과 맞닿는 허파꽈리 속 기체의 이산화탄소 분압은 약 40 mmHg이고, 체온(37℃)에서 이산화탄소의 용해도계수 값은 약 0.03 mM/mmHg이므로, 사람의 혈중 이산화탄소 농도는 보통 1.2 mM 정도이다.[21]

용해된 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성한다.

CO2 + H2O <=> H2CO3


이 반응은 매우 느리게 진행된다.

탄산은 약산으로, 수소 이온(H+)과 중탄산염(HCO3-) 이온으로 해리되어 용액의 pH를 변화시킨다.

H2CO3 <=> HCO3- + H+


이 반응은 이산화탄소의 수화 반응보다 훨씬 빠르다.[21] 중탄산염 이온은 한 차례 더 해리되어 수소 이온을 추가로 생성할 수 있지만, 이 반응은 생리학적으로 큰 영향을 주지 않으므로 포유류에서는 무시할 수 있다.[21]

탄산의 해리 반응이 화학 평형에 도달하면, 다음 식이 성립한다.

:K' = \frac{[\ce{H^+}][\ce{HCO_3^-}]}{[\ce{H_2CO_3}]}

이때 K'는 온도에 따라서만 달라지는 값으로, 탄산의 산 해리 상수라고 부른다. 그러나 탄산의 농도(\rm [H_2CO_3])는 직접 측정하기 어렵기 때문에, 탄산 농도가 용해된 이산화탄소 농도에 정비례한다는 점을 이용하여 식을 다음과 같이 변형할 수 있다.

:K = \frac{[\ce{H^+}][\ce{HCO_3^-}]}{[\ce{CO_2}]}

여기서 새로운 해리 상수 K는 K'의 1/400배이다.

2. 1. 탄산무수화효소의 역할

용액이 이산화탄소 기체에 노출되면, 이산화탄소 중 일부가 용해된다. 용해된 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하는데, 이 반응은 매우 느리다. 따라서 반응을 촉매하는 탄산무수화효소가 없다면 거의 진행되지 않는다.[21]

CO2 + H2O <=> H2CO3


사람의 경우 허파꽈리, 콩팥 세뇨관, 적혈구 등에 탄산무수화효소가 풍부하므로 탄산이 원활하게 형성될 수 있다.[21][22] 탄산은 수소 이온(H+)과 중탄산염(HCO3-) 이온으로 해리되어 용액의 pH를 변화시킨다.

H2CO3 <=> HCO3- + H+


이 반응은 앞선 반응보다 훨씬 빠르기 때문에, 전체 반응의 속도결정단계는 이산화탄소의 수화 반응이다.[21]

세포 호흡의 부산물로 생성된 이산화탄소(CO2)는 순환계를 통해 대부분 중탄산 이온 형태로 빠르게 제거된다.[6] 혈장 내 중탄산 이온은 폐로 운반되어 탈수화 과정을 거쳐 다시 CO2로 변환된 후 호흡을 통해 배출된다. CO2와 H2CO3의 수화 및 탈수화 반응은 원래 매우 느리지만, 혈액과 십이지장에 존재하는 탄산무수화효소에 의해 촉진된다.[7]

2. 2. 헨더슨-하셀바흐 방정식 유도

용액이 이산화탄소 기체에 노출되면, 헨리의 법칙에 따라 용해된 이산화탄소 농도(\rm [CO_2])는 이산화탄소 분압(\rm P_{CO_2})에 비례한다. 이산화탄소 용해도계수를 s라고 하면, \rm [CO_2] = s \cdot P_{CO_2}이다.[21]

용해된 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하고, 탄산은 수소 이온과 중탄산염 이온으로 해리된다. 이 반응의 평형 상수는 다음과 같다.

:K' = \frac{[\ce{H^+}][\ce{HCO_3^-}]}{[\ce{H_2CO_3}]}

위 식에서 탄산 농도(\rm [H_2CO_3])를 직접 측정하기 어렵기 때문에, 탄산 농도가 용해된 이산화탄소 농도에 정비례함을 이용하여 식을 변형한다.

:K = \frac{[\ce{H^+}][\ce{HCO_3^-}]}{[\ce{CO_2}]}

여기서 K는 K'의 1/400배이다. 헨리의 법칙을 대입하여 다시 한번 식을 변형하면 다음과 같다.

:K = \frac{[\ce{H^+}][\ce{HCO_3^-}]}{s \cdot \ce{P_{CO_2}}}

이 식은 혈액 pH 변화를 정량적으로 분석하는 데 유용하다.[22] 양변의 상용로그를 취하고 정리하면 헨더슨-하셀바흐 방정식을 얻는다.

: \ce{pH} = \textrm{p}K+ \log \left ( \frac{[\ce{HCO_3^-}]}{s \cdot \ce{P_{CO_2}}} \right )

여기서 \textrm{p}K는 6.1이다.[21][22]

Henderson–Hasselbalch 방정식을 변형하여 혈액의 pH와 중탄산염 완충계 구성 성분 간의 관계를 나타낼 수 있다.[12]

: \ce{pH} = \textrm{p}K_{a~\ce{H_2CO_3}}+ \log \left ( \frac{[\ce{HCO_3^-}]}{[\ce{H_2CO_3}]} \right ),

  • \textrm{p}K_{a \ce{H_2CO_3}}는 탄산의 산 해리 상수의 음의 로그값으로, 6.1이다.
  • [\ce{HCO_3^-}]는 혈액 내 중탄산염 농도이다.
  • [\ce{H_2CO_3}]는 혈액 내 탄산 농도이다.


동맥혈 가스를 설명할 때, [\ce{H_2CO_3}] 농도보다는 \ce{P_{CO_2}}(이산화 탄소의 분압) 관점에서 인용된다.[12]

: [\ce{H_2CO_3}] = k_{\ce{H~CO_2}} \times p_\ce{CO_2},

  • [\ce{H_2CO_3}]는 혈액 내 탄산 농도이다.
  • k_{\ce{H CO_2}}는 혈액 내 이산화탄소의 용해도를 포함하는 상수로, 약 0.03 (mmol/L)/mmHg이다.
  • \ce{P_{CO_2}}는 혈액 내 이산화 탄소의 분압이다.


위 식들을 결합하면 혈액의 pH를 중탄산염 농도와 이산화탄소 분압과 관련한 방정식을 얻을 수 있다.[12]

: \ce{pH} = 6.1 + \log \left ( \frac{[\ce{HCO_3^-}]}{0.0307 \times p_\ce{CO_2}} \right ),

  • pH는 혈액의 산성도이다.
  • [\ce{HCO_3^-}]는 혈액 내 중탄산염 농도(mmol/L)이다.
  • \ce{P_{CO_2}}는 혈액 내 이산화탄소 분압(mmHg)이다.


질량 작용의 법칙에서 파생된 헨더슨-하셀발흐 방정식을 수정하여 \ce{H^+} 또는 \ce{HCO_3^-} 농도를 빠르게 근사할 수 있다.[7]

K_{a,\ce{H_2CO_3}} = \frac{[\ce{HCO_3^-}] [\ce{H^+}]}{[\ce{H_2CO_3}]}


헨리의 법칙 용해도 상수를 사용하여 탄산 농도 대신 이산화탄소 분압을 사용하고, \ce{H^+}에 대해 풀면 다음과 같다.[13]

[\ce{H^+}] = \frac{K'\cdot0.03p_{\ce{CO_2}}}{[\ce{HCO_3^-}]},


여기서 ''K''는 탄산의 해리 상수로, 800 nmol/L이다.

상수를 곱하고 \ce{HCO_3^-}에 대해 풀면 방정식은 다음과 같이 단순화된다.

[\ce{HCO_3^-}] = 24\frac{p_{\ce{CO_2}}}{[\ce{H^+}]}

  • [\ce{H^+}]는 혈액 내 수소 이온 농도(나노몰/리터)이다.
  • [\ce{HCO_3^-}]는 혈액 내 중탄산염 농도(밀리몰/리터)이다.
  • \ce{P_{CO_2}}는 혈액 내 이산화탄소 분압(mmHg)이다.

3. 완충 작용

약산인 탄산(H2CO3)과 짝염기인 중탄산염(HCO3-) 이온은 완충계를 이룬다. 용액에 강산을 첨가하여 수소 이온(H+)이 생성되면, 일부가 중탄산염 이온과 반응하여 탄산이 되므로 pH 변화가 완화된다.[22]

:HA + HCO3- -> H2CO3 + A-

강염기를 첨가하여 수산화 이온(OH-)이 생성되는 경우에도 마찬가지로 일부가 탄산과 반응하여 중탄산염 이온을 만들기 때문에 pH 변화가 완화된다.[22]

:BOH + H2CO3 -> HCO3- + B+ + H2O

완충용량은 용액의 pH를 1 변화시키기 위해 첨가하여야 하는 강염기 또는 강산의 농도로 정의된다. 건강한 사람의 동맥혈에서 중탄산염 완충계의 완충용량은 약 55 mM/(단위 pH)로, 동맥혈의 전체 완충용량의 3 분의 2가량을 차지한다.[23]

물질이 유입되거나 유출되지 않는 닫힌 계의 경우, 완충용량은 용액의 pH가 약산의 p''K''a 값에 가까울수록, 약산 및 짝염기의 총량이 많을수록 크다.[23] 탄산의 p''K''a 값은 혈액의 정상 pH인 7.4와 그다지 가깝지 않고, 혈중의 탄산 및 중탄산염 이온 농도 역시 그리 높다고 보기 어렵다. 그럼에도 중탄산염 완충계가 혈액의 완충용량에 크게 기여할 수 있는 것은 열린 계이기 때문이다.[22]

생체 내에서는 콩팥이 중탄산염의 분비, 재흡수, 생성을 조절하며, 세포 호흡의 부산물인 이산화탄소는 순환계를 통해 중탄산 이온으로 수화되어 조직에서 빠르게 제거된다.[6] 혈장 내 중탄산 이온은 허파로 운반되어 이산화탄소로 변환된 후 배출된다.[7] 혈액 내에서 중탄산 이온은 젖산, 케톤체와 같은 대사 과정의 산물을 중화하고, 염기는 탄산에 의해 중화된다.[8]

3. 1. 열린 계에서의 완충 작용

허파가 필요에 따라 호흡을 통해 이산화탄소 및 탄산을 효과적으로 공급하거나 제거하기에 중탄산염 완충계는 열린 계가 되어 완충능력이 크게 증대된다.[22] 닫힌 계에서는 이산화탄소가 금세 축적되거나 고갈되어 완충 작용이 지장을 받는다.[22]

예컨대 중탄산염 완충계로만 이루어진 완충용액 1 L에 강염기 BOH를 10 밀리몰만큼 첨가하면, H+, OH-, B+, HCO3- 등 이온의 농도가 변할 것이다. 이 용액이 외부 공기와 평형을 이루는 열린 계라면,

:K = \frac{[\ce{H^+}][\ce{HCO_3^-}]}{s \cdot P_{\ce{CO2}}}

에서 분모가 일정하므로 \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]는 서로 반비례 관계에 있다. 혈액과 같이 \rm [H^+]가 40 nM로 \rm [HCO_3^-] = 24 mM보다 훨씬 낮은 조건에서 \rm[HCO_3^-]가 수 밀리몰 단위로 변할 때 \rm[H^+]는 나노몰 단위로 변화해야만 반비례 관계가 유지되므로, \mathit{\Delta}\rm[H^+]은 \mathit{\Delta}\rm[HCO_3^-]에 비해 극히 작다. 물의 자동 이온화 공식에 의해 \rm[H^+]와 반비례하는 \rm[OH^-] 역시 변화가 미미하다. 따라서 전하량 보존 법칙이 성립하기 위해서는 대략 \mathit{\Delta}\rm[B^+] = \mathit{\Delta}\rm[HCO_3^-]이어야 한다. 이때 BOH가 강염기라고 하였으므로, 10 밀리몰을 첨가하면 모두 이온화하여 B+도 10 밀리몰 증가하게 된다. \rm [HCO_3^-]가 24 nM에서 34 nM로 약 1.5배 증가하므로, \rm[H^+]는 약 2/3배가 되어 40 nM에서 28 nM로 줄어든다. 강염기를 밀리몰 단위로 첨가하였는데도 H+는 나노몰 단위로만 줄어든 것이다. 이는 외부 공기가 이산화탄소와 H+를 무한정 공급하기에 첨가한 OH-가 거의 대부분 중화되기 때문이다.[23]

이상의 논의를 더 정량적으로 표현하여 열린 중탄산염 완충계의 완충용량을 유도할 수 있다. 완충용량은 pH를 1 증가시키기 위해 첨가하여야 하는 강염기의 양으로 정의되는데, 첨가한 BOH의 양과 꼭 같은 만큼 \rm[B^+]가 변화한다고 하였으므로, 완충용량 \beta를 다음처럼 구할 수 있다.

:\beta = \frac{\textrm{d}[\ce{B+}]}{\textrm{d(pH)}}

연쇄 법칙을 적용하면

:\frac{\textrm{d}[\ce{B+}]}{\textrm{d(pH)}} = \frac{\textrm{d}[\ce{B+}]}{\textrm{d}[\ce{H+}]} \frac{\textrm{d}[\ce{H+}]}{\textrm{d(pH)}} = -\ln 10 \cdot [\ce{H+}] \cdot \frac{\textrm{d}[\ce{B+}]}{\textrm{d}[\ce{H+}]}

이다. 전하량 보존 법칙에 의해 대략 \mathit{\Delta}\rm[B^+] = \mathit{\Delta}\rm[HCO_3^-]이라고 하였으므로 다음이 성립한다.

:\rm \frac{d[B^+]}{d[H^+]} = \frac{d[HCO_3^-]}{d[H^+]}

이때 \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]가 서로 반비례 관계에 있다고 하였으므로, 로그 미분법을 적용하여 다음 관계식을 얻을 수 있다.

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d}[\ce{H+}]} = - \frac{[\ce{HCO3-}]}{[\ce{H+}]}

대입하여 정리하면

:\beta = \ln 10 \cdot [\ce{HCO3-}]

이다. \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]가 서로 반비례 관계에 있다고 하였으므로, \rm[HCO_3^-]는 용액의 pH가 높아질수록 급격하게 상승한다. 즉 열린 중탄산염 완충계의 완충용량은 pH가 높아질수록 지수함수적으로 커진다.[24]

이처럼 열린 중탄산염 완충계에서 용액의 완충 작용을 제한하는 요인은 HCO3-의 축적·고갈뿐이다. 닫힌 계는 HCO3-의 축적·고갈뿐만 아니라 이산화탄소 및 탄산의 축적·고갈에 의해서도 완충 작용이 제한을 받는다.[23]

3. 2. 콩팥의 역할

콩팥은 HCO3-|중탄산염영어의 분비, 재흡수, 생성을 조절하여 혈액의 완충 능력을 일정하게 유지하는 데 중요한 역할을 한다.[22] 콩팥은 중탄산염 완충계가 HCO3-|중탄산염영어의 축적이나 고갈에 의해 장기적으로 제한받지 않도록 돕는다.[22]

헨더슨-하셀바흐 방정식에 따르면, 혈액의 정상 pH인 7.4를 유지하려면 중탄산염과 탄산의 비율이 20:1로 유지되어야 한다. (탄산의 pKa는 생리적 온도에서 6.1이다.) 이러한 항상성은 주로 뇌의 숨뇌와 콩팥의 pH 센서에 의해 조절되며, 음성 피드백을 통해 호흡계 및 콩팥 시스템과 연결된다.[9]

콩팥 보상은 콩팥이 소변으로 H+ 이온을 분비하고 동시에 HCO3-|중탄산염영어 이온을 혈장으로 재흡수하여 중탄산염 이온 농도를 조절하는 과정이다. 이 과정은 혈장 pH가 감소하거나 증가하는지에 따라 반대로 작용한다.[11]

4. 산염기 변동

특정 pH 및 \rm[HCO_3^-] 값을 가지는 용액은 데이븐포트 그림에서 한 점으로 나타내어진다.


P_{\rm{CO_2}}가 일정한 상태에서 일어나는 변화는 데이븐포트 그림에서 등치선을 따른 이동으로 나타내어진다.


P_{\rm{CO_2}}만 변화하는 경우의 산염기 변동을 따지려면, 변화한 P_{\rm{CO_2}} 값에 해당하는 등치선을 그리고, 처음 상태를 지나는 완충선을 그린 다음, 두 선의 교점을 찾으면 된다.


완충선 기울기의 절댓값은 중탄산염 완충계를 제외한 나머지 완충계의 완충용량에 비례한다.


P_{\rm{CO_2}}가 일정한 경우의 산염기 변동을 따지려면, 첨가한 강염기 또는 강산의 농도만큼 완충선을 수직으로 옮긴 다음 등치선과의 교점을 찾으면 된다.


데이븐포트 그림은 중탄산염 완충계에서 일어날 수 있는 다양한 산염기 변동을 분석하는 데 유용한 도구이다. 이 그림을 통해 pH, 중탄산염 농도(\rm[HCO_3^-]), 이산화탄소 분압(P_{\rm{CO_2}}) 변화에 따른 산염기 상태 변화를 예측할 수 있다.[25]

데이븐포트 그림에서 P_{\rm{CO_2}}가 일정할 때 pH와 \rm[HCO_3^-]의 관계를 나타낸 곡선을 등치선이라고 한다. P_{\rm{CO_2}}가 높을수록 등치선은 좌상단, 낮을수록 우하단에 위치한다.[25]

P_{\rm{CO_2}}가 변하면, 중탄산염 완충계만 존재할 경우 \rm[HCO_3^-]는 거의 일정하고 pH만 변한다. 이때 산염기 변동은 데이븐포트 그림에서 거의 수평선으로 나타나며, 이 선을 완충선이라고 한다.[25][26] 다른 완충계가 존재하면 완충선의 기울기는 달라진다.[25]

데이븐포트 그림에서 P_{\rm{CO_2}}가 일정한 변화는 등치선을 따라 이동하고, P_{\rm{CO_2}}만 바뀌는 변화는 완충선을 따라 이동한다. 예를 들어, 완충용액에 강염기를 넣으면 시작점에서 수직 위로 이동한 지점을 지나는 완충선을 그리고, 시작점을 지나는 등치선과의 교점으로 변화를 예측한다.[28]

4. 1. 데이븐포트 그림



데이븐포트 그림(Davenport diagram영어)은 중탄산염 완충계에서 일어날 수 있는 다양한 산염기 변동을 분석하는 데 유용한 도구이다. 가로축에 pH, 세로축에 \rm[HCO_3^-]를 나타낸 계산도표(nomogram)로, 특히 용액에 다른 완충계가 함께 존재하는 경우를 따질 때 도움이 된다.[25]

헨더슨-하셀바흐 방정식에 따르면, 열린 중탄산염 완충계에서 \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]는 서로 반비례한다. 이를 변형하여 pH에 대한 수식으로 나타내면 다음과 같다.

:[\ce{HCO3-}] = s \cdot P_{\ce{CO2}} \cdot 10^{(\textrm{pH} - \textrm{p}K)}

그러므로 P_{\rm{CO_2}}를 일정하게 유지한 상태에서 \rm[HCO_3^-]를 다양하게 바꾸어 가며 용액의 pH를 관찰하여 평면에 나타내면, pH와 \rm[HCO_3^-]의 관계는 지수함수 꼴의 곡선으로 그려진다. 이를 특정 P_{\rm{CO_2}} 값에 대한 등치선(isopleth)이라고 한다. P_{\rm{CO_2}}가 높으면 같은 pH에서 \rm[HCO_3^-]가 높을 것이므로, 더 높은 P_{\rm{CO_2}} 값에 대한 등치선일수록 좌상단에 가깝게 위치하며, 더 낮은 P_{\rm{CO_2}} 값에 대한 등치선일수록 우하단에 가깝게 위치한다.[25]

한편 P_{\rm{CO_2}} 자체가 변화하는 경우, 용액에 중탄산염 완충계 이외의 약산-짝염기 또는 약염기-짝산 쌍이 존재하지 않는다면 \rm[HCO_3^-]는 거의 일정하고 pH만 변화하게 된다. 다른 완충계가 없기 때문에 \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]는 오로지 탄산의 해리 반응에 의해서만 변할 것이고, 따라서 둘의 변화량은 서로 같다. 그런데 혈액과 같이 H+가 HCO3-에 비해 극히 적게 존재하는 조건에서 두 이온이 같은 양만큼 변한다면, 현재 농도에 대한 상대적인 변화율은 H+가 HCO3-에 비해 훨씬 클 수밖에 없다. 그러므로 \rm[HCO_3^-]가 매우 미세하게 변동할 때 pH는 크게 변화하는 것이다.[26]

예컨대 혈액과 같은 농도 조건의 열린 중탄산염 완충계가 있고, 다른 완충계가 존재하지 않는다고 가정하자. 이때 P_{\rm{CO_2}}가 40mmHg에서 80mmHg로 2배가 되면, P_{\rm{CO_2}} = \rm [H^+][HCO_3^-]이므로 \rm [H^+][HCO_3^-] 역시 2배가 되어야 한다. \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]가 같은 만큼 증가하여 이 조건을 만족시키려면, \rm[H^+]가 40 nM에서 80 nM로 2배가 되고 \rm[HCO_3^-]가 24 mM에서 24.000040 mM로 거의 일정하게 남아 있는 수밖에 없다. 이때 용액의 pH는 7.4에서 7.1로 변화한다.[26] 이런 이유로, 중탄산염 완충계만 존재하는 상황에서 P_{\rm{CO_2}}의 변화에 의해 일어나는 산염기 변동은 데이븐포트 그림에서 거의 수평에 가까운 직선을 따른 이동으로 표현된다. 이 선을 완충선(buffer line) 또는 적정선(titration line)이라고 부르기도 한다.[25] \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]의 변화량이 같다는 사실을 이용하면 완충선의 기울기를 정량적으로 구할 수 있다.

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d(pH)}} = \frac{\textrm{d}[\ce{H+}]}{\textrm{d(pH)}} = - \ln 10 \cdot [\ce{H+}]

이 값은 pH에 따라 달라지지만, 농도를 밀리몰 단위로 측정한다면 사실상 0에 가깝다. 따라서 다른 완충계가 없는 경우의 완충선은 데이븐포트 그림에서 거의 수평인 직선으로 나타내어진다.

용액에 다른 완충계가 함께 존재하는 경우, P_{\rm{CO_2}} 증가로 탄산이 해리되어 H+가 생성되더라도 다른 완충계가 흡수할 수 있으며, 반대로 P_{\rm{CO_2}} 감소로 탄산을 생성하기 위해 H+가 소모되더라도 다른 완충계가 보충해 줄 수 있다. 그만큼 반응이 추가로 진행되므로 \rm[HCO_3^-]의 변동 폭은 커진다. 따라서 완충선은 우하향하는 쪽으로 가팔라진다. 나머지 완충계의 완충용량이 커서 \rm[H^+] 변화를 완충하는 정도가 클수록 완충선의 기울기는 더욱 음의 값을 띠게 된다.[25]

정량적으로 따지면 이러하다. 예컨대 중탄산염 완충계 이외에도 약산 HA와 짝염기 A-가 들어 있는 용액에서 P_{\rm{CO_2}}를 증가시킨다고 하자. \rm[H^+], \rm[OH^-]의 변화가 미미하여 무시할 수 있다고 하면, 전하량 보존 법칙에 의해 \rm[HCO_3^-]가 증가하는 만큼 \rm[A^-]가 감소해야 한다. 도함수로 표현하면 다음과 같다.

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d(pH)}} = - \frac{\textrm{d}[\ce{A-}]}{\textrm{d(pH)}}

여기서 \rm d[A^-]/d(pH)의 계산은 HA 해리 반응의 평형에만 의존하므로, HA―A- 쌍으로만 이루어진 완충용액에 강산을 첨가하는 경우와 달라질 까닭이 없다. 탄산의 해리 반응에서 H+와 HCO3-가 같은 양만큼 생성되므로, \rm[HCO_3^-]의 변화량이 완충용량의 계산에서 '첨가한 강산의 양' 역할을 하는 것이라고도 생각할 수 있다. 따라서 이 값이 바로 HA―A- 완충계의 완충용량 \beta가 된다. 그러므로 완충선의 기울기는

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d(pH)}} = -\beta

이다.[27]

일반적으로 한 종류 약산-짝염기 쌍의 완충용량은 용액의 pH에 따라 달라진다. 따라서 용액에 중탄산염 완충계 이외에 오로지 한 종류의 약산-짝염기 쌍만 존재하는 경우 완충선은 곡선으로 그려진다. 반면 혈액에는 다양한 완충계가 함께 존재하여, 특정 pH에서 한 완충계가 효과적으로 작동하지 못하더라도 다른 완충계가 보상할 수 있다. 이런 까닭에 혈액 중 중탄산염 완충계를 제외한 나머지 완충계의 완충용량 총합은 생리적인 pH 범위에서 거의 일정하다. 따라서 혈액의 산염기 변동을 분석하는 경우 완충선은 대략 직선이 된다.[23]

데이븐포트 그림을 이용하면 열린 중탄산염 완충계에서 일어나는 다양한 산염기 변동을 시각적으로 쉽게 알아볼 수 있다. P_{\rm{CO_2}}가 일정한 상태에서 일어나는 변화는 등치선을 따른 이동으로, 다른 물질의 출입 없이 P_{\rm{CO_2}}만 바뀌어서 일어나는 변화는 완충선을 따른 이동으로 나타내면 된다. 예컨대 완충용액 1 L에 강염기인 NaOH 10 밀리몰을 첨가하였을 때의 변화를 데이븐포트 그림으로 예측하려면, 시작점 A에서 수직 위로 10 mM 올라간 지점을 지나는 완충선을 그린 다음, A를 지나는 등치선과의 교점 C를 구하면 된다. 만일 C에서 P_{\rm{CO_2}}만 바꾸어서 pH를 처음 값으로 되돌렸을 때 B에 이른다면, B와 C는 한 완충선 위에 있다. 그런데 A와 B는 pH가 서로 같으므로 \rm[H^+], \rm[OH^-]의 값도 서로 같다. NaOH는 강염기이고 C에서 B로 변할 때 Na+의 출입이 없었으므로, B에서 \rm[Na^+]의 값은 A에서보다 10 mM 더 높다. 따라서 전하량 보존 법칙이 성립하려면 B의 \rm[HCO_3^-] 값 역시 A보다 10 mM 높아야 한다. 즉 B는 A에서 수직 위로 10 mM 올라간 곳에 있다.[28]

4. 2. 등치선과 완충선



헨더슨-하셀바흐 방정식에 따르면, 열린 중탄산염 완충계에서 \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]는 서로 반비례한다. 이를 pH에 대한 수식으로 나타내면 다음과 같다.

:[\ce{HCO3-}] = s \cdot P_{\ce{CO2}} \cdot 10^{(\textrm{pH} - \textrm{p}K)}

그러므로 P_{\rm{CO_2}}를 일정하게 유지한 상태에서 \rm[HCO_3^-]를 다양하게 바꾸어 가며 용액의 pH를 관찰하여 평면에 나타내면, pH와 \rm[HCO_3^-]의 관계는 지수함수 꼴의 곡선으로 그려진다. 이를 특정 P_{\rm{CO_2}} 값에 대한 등치선이라고 한다. P_{\rm{CO_2}}가 높으면 같은 pH에서 \rm[HCO_3^-]가 높을 것이므로, 더 높은 P_{\rm{CO_2}} 값에 대한 등치선일수록 좌상단에 가깝게 위치하며, 더 낮은 P_{\rm{CO_2}} 값에 대한 등치선일수록 우하단에 가깝게 위치한다.[25]

한편 P_{\rm{CO_2}} 자체가 변화하는 경우, 용액에 중탄산염 완충계 이외의 약산-짝염기 또는 약염기-짝산 쌍이 존재하지 않는다면 \rm[HCO_3^-]는 거의 일정하고 pH만 변화하게 된다. 그 까닭은 다른 완충계가 없기 때문에 \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]는 오로지 탄산의 해리 반응에 의해서만 변할 것이고, 따라서 둘의 변화량은 서로 같기 때문이다. 그런데 혈액과 같이 H+가 HCO3-에 비해 극히 적게 존재하는 조건에서 두 이온이 같은 양만큼 변한다면, 현재 농도에 대한 상대적인 변화율은 H+가 HCO3-에 비해 훨씬 클 수밖에 없다. 그러므로 \rm[HCO_3^-]가 매우 미세하게 변동할 때 pH는 크게 변화하는 것이다.[26]

이런 이유로, 중탄산염 완충계만 존재하는 상황에서 P_{\rm{CO_2}}의 변화에 의해 일어나는 산염기 변동은 데이븐포트 그림에서 거의 수평에 가까운 직선을 따른 이동으로 표현된다. 이 선을 완충선 또는 적정선이라고 부르기도 한다.[25] \rm[H^+]와 \rm[HCO_3^-]의 변화량이 같다는 사실을 이용하면 완충선의 기울기를 정량적으로 구할 수 있다.

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d(pH)}} = \frac{\textrm{d}[\ce{H+}]}{\textrm{d(pH)}} = - \ln 10 \cdot [\ce{H+}]

이 값은 pH에 따라 달라지지만, 농도를 밀리몰 단위로 측정한다면 사실상 0에 가깝다. 따라서 다른 완충계가 없는 경우의 완충선은 데이븐포트 그림에서 거의 수평인 직선으로 나타내어진다.

용액에 다른 완충계가 함께 존재하는 경우, P_{\rm{CO_2}} 증가로 탄산이 해리되어 H+가 생성되더라도 다른 완충계가 흡수할 수 있으며, 반대로 P_{\rm{CO_2}} 감소로 탄산을 생성하기 위해 H+가 소모되더라도 다른 완충계가 보충해 줄 수 있다. 그만큼 반응이 추가로 진행되므로 \rm[HCO_3^-]의 변동 폭은 커진다. 따라서 완충선은 우하향하는 쪽으로 가팔라진다. 나머지 완충계의 완충용량이 커서 \rm[H^+] 변화를 완충하는 정도가 클수록 완충선의 기울기는 더욱 음의 값을 띠게 된다.[25]

정량적으로 따지면 다음과 같다. 예컨대 중탄산염 완충계 이외에도 약산 HA와 짝염기 A-가 들어 있는 용액에서 P_{\rm{CO_2}}를 증가시킨다고 하자. \rm[H^+], \rm[OH^-]의 변화가 미미하여 무시할 수 있다고 하면, 전하량 보존 법칙에 의해 \rm[HCO_3^-]가 증가하는 만큼 \rm[A^-]가 감소해야 한다. 도함수로 표현하면 다음과 같다.

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d(pH)}} = - \frac{\textrm{d}[\ce{A-}]}{\textrm{d(pH)}}

여기서 \rm d[A^-]/d(pH)의 계산은 HA 해리 반응의 평형에만 의존하므로, HA―A- 쌍으로만 이루어진 완충용액에 강산을 첨가하는 경우와 달라질 까닭이 없다. 따라서 이 값이 바로 HA―A- 완충계의 완충용량 \beta가 된다. 그러므로 완충선의 기울기는

:\frac{\textrm{d}[\ce{HCO3-}]}{\textrm{d(pH)}} = -\beta

이다.[27]

일반적으로 한 종류 약산-짝염기 쌍의 완충용량은 용액의 pH에 따라 달라진다. 따라서 용액에 중탄산염 완충계 이외에 오로지 한 종류의 약산-짝염기 쌍만 존재하는 경우 완충선은 곡선으로 그려진다. 반면 혈액에는 다양한 완충계가 함께 존재하여, 특정 pH에서 한 완충계가 효과적으로 작동하지 못하더라도 다른 완충계가 보상할 수 있다. 이런 까닭에 혈액 중 중탄산염 완충계를 제외한 나머지 완충계의 완충용량 총합은 생리적인 pH 범위에서 거의 일정하다. 따라서 혈액의 산염기 변동을 분석하는 경우 완충선은 대략 직선이 된다.[23]

5. 전신의 산-염기 균형

세포 호흡의 노폐물로 이산화탄소가 만들어지면, 순환계는 이 이산화탄소의 대부분을 중탄산염 이온으로 변환하여 조직으로부터 빠르게 제거한다.[29] 이산화탄소는 적혈구에 의해 수거된 후 탄산무수화효소에 의해 탄산으로 변환되고, 대부분 중탄산염과 수소 이온으로 해리된다.[29]

세포 호흡의 부산물인 이산화탄소의 운반 과정


혈장에 존재하는 중탄산염 이온은 폐로 운송된 후 다시 이산화탄소로 탈수되며 날숨을 통해 배출된다. 이러한 이산화탄소와 탄산 간의 변환 과정은 보통 매우 느리지만 혈액과 십이지장에서 탄산무수화효소에 의해 촉진된다.[30] 혈액에서 중탄산염 이온은 젖산, 케톤체 등 다른 대사 과정으로 인해 혈액에 들어온 산을 중화하고, 단백질이 분해되며 생기는 혈액요소질소 등의 염기는 탄산에 의해 중화된다.[31]

5. 1. 조절 기전

헨더슨-하셀바흐 방정식에 따르면 생리학적 온도에서 탄산의 pKa는 6.1이므로, 혈중 pH를 정상치인 7.4로 유지하려면 중탄산염과 탄산의 비율이 20:1로 유지되어야 한다. 이 항상성은 주로 뇌의 숨뇌와 콩팥의 pH 감지기가 조절하며, 이들은 음성 피드백 고리를 통해 호흡계와 콩팥의 작동기와 연결된다.[32] 대부분의 동물에서 중탄산염 완충계는 호흡보상을 통해 폐와 연결되어 작동한다. 호흡보상은 혈중 이산화탄소 농도 변화를 보상하기 위해 호흡수와 호흡 깊이를 변화시키는 과정이다.[33] 르 샤틀리에의 원리에 따라, 폐에서 이산화탄소가 방출되면 평형이 왼쪽으로 이동하며 탄산무수화효소가 이산화탄소를 형성하여 과도한 H+ 이온을 제거한다. 중탄산염 농도는 콩팥보상으로도 조절된다. 콩팥은 (호흡성 산증의 경우) 소변으로 H+ 이온을 배출하고 혈장으로 중탄산염 이온을 재흡수하여 중탄산염 농도를 조절하며, 호흡성 알칼리증의 경우 반대로 작동한다.[34]

6. 기타 조직에서의 역할

중탄산염 완충계는 혈액뿐만 아니라 다른 조직에서도 중요한 역할을 한다. 사람의 위와 십이지장 외에도, 중탄산염 완충계는 위산을 중화하고 위 점막으로 중탄산염 이온을 분비하여 상피 세포의 세포 내 pH를 안정화하는 데 기여한다.[1] 헬리코박터 파일로리를 제거하면 십이지장 궤양 환자의 점막 중탄산염 분비가 회복되어 궤양 재발 위험을 줄일 수 있다.[14]

6. 1. 위와 십이지장

위와 십이지장에서 중탄산염 완충계는 위산을 중화하고 위 점막으로 중탄산염 이온을 분비하여 상피 세포의 세포 내 pH를 안정화시키는 역할을 한다.[1] 헬리코박터 파일로리 감염은 십이지장 궤양 환자의 점막 중탄산염 분비 회복을 방해하여 궤양 재발 위험을 높일 수 있다.[14]

6. 2. 눈물

눈물은 체액 중에서 환경에 노출된다는 점에서 독특하다. 다른 체액과 마찬가지로, 눈물은 중탄산염 완충계를 사용하여 좁은 pH 범위를 유지한다.[15] 눈물의 pH는 깨어 있는 동안 변화하며, 장시간 눈을 감고 있으면 pH가 다시 떨어질 때까지 시간당 약 0.013 pH 단위로 상승한다.[15] 대부분의 건강한 개인은 눈물 pH가 7.0에서 7.7 사이이며, 여기서 중탄산염 완충 작용이 가장 중요하지만, 이 pH 범위를 벗어나서도 활성화되는 단백질 및 기타 완충 성분도 존재한다.[15]

참조

[1] 논문 In Vivo Predictive Dissolution: Transport Analysis of the CO2, Bicarbonate In Vivo Buffer System https://deepblue.lib[...] 2014-11-01
[2] 서적 Principles of Modern Chemistry Cengage Learning 2015
[3] 서적 Vander's Human Physiology McGraw-Hill 2014
[4] 논문 Carbonic anhydrase. Its preparation and properties 1933-12-05
[5] 서적 Medical physiology : principles for clinical medicine https://archive.org/[...] Lippincott Williams & Wilkins 2012
[6] 서적 Life : The Science of Biology Sinauer Associates 2014
[7] 논문 Clinical approach to the diagnosis of acid-base disorders. 1979-01-20
[8] 서적 Lehninger Principles of Biochemistry https://archive.org/[...] W.H. Freeman 2008
[9] 서적 Essential medical physiology Elsevier Academic Press 2003
[10] 논문 Bicarbonate and the regulation of ventilation
[11] 논문 The kidney and acid-base regulation 2009-12-01
[12] 서적 Lecture notes on human physiology https://books.google[...] Blackwell Science
[13] 논문 Circumventing the Henderson-Hasselbalch equation 1979-11-01
[14] 논문 Duodenal bicarbonate secretion: Eradication of Helicobacter pylori and duodenal structure and function in humans
[15] 간행물 Considerations in Contact Lens Use Under Adverse Conditions: Proceedings of a Symposium. https://nap.national[...] National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine
[16] 저널 In Vivo Predictive Dissolution: Transport Analysis of the CO2, Bicarbonate In Vivo Buffer System https://deepblue.lib[...] 2014-11-01
[17] 서적 Principles of Modern Chemistry Cengage Learning 2015
[18] 서적 Vander's Human Physiology https://archive.org/[...] McGraw-Hill 2014
[19] 저널 Carbonic anhydrase. Its preparation and properties 1933-12-05
[20] 서적 Medical physiology : principles for clinical medicine https://archive.org/[...] Lippincott Williams & Wilkins 2012
[21] 문서 Boron 2017
[22] 문서 Hall, Hall, & Guyton 2021
[23] 문서 Boron 2017
[24] 문서 Boron 2017
[25] 문서 Boron 2017
[26] 문서 Boron 2017
[27] 문서 Boron 2017
[28] 문서 Boron 2017
[29] 서적 Life: the science of biology Sinauer Associates 2014
[30] 저널 Clinical approach to the diagnosis of acid-base disorders. 1979-01-20
[31] 서적 Lehninger Principles of Biochemistry https://archive.org/[...] W.H. Freeman 2008
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[33] 저널 Bicarbonate and the regulation of ventilation
[34] 저널 The kidney and acid-base regulation 2009-12-01


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