외부에서 산성이나 염기성 물질이 유입되어도 pH 변화가 크지 않은 원리가 궁금합니다.

Question

우리 몸속의 혈액은 pH가 약 7.4로 거의 일정하게 유지되는 완충 작용을 한다고 하는데요. 외부에서 산성이나 염기성 물질이 유입되어도 pH 변화가 크지 않은 원리를 혈액 속 탄산과 탄산수소 이온의 평형 이동 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

혈액의 pH가 약 7.4로 일정하게 유지되는 것은 탄산-탄산수소 완충계가 작동하기 때문입니다. 이 시스템은 이산화탄소가 물과 결합해 탄산을 만들고, 탄산이 다시 수소 이온과 탄산수소 이온으로 해리되는 가역적 평형을 기반으로 합니다.

외부에서 산성 물질이 들어와 수소 이온 농도가 증가하면, 평형은 이를 완화하기 위해 오른쪽에서 왼쪽으로 이동합니다. 즉, 과잉의 수소 이온이 탄산수소 이온과 결합해 탄산을 형성하고, 탄산은 다시 이산화탄소와 물로 전환될 수 있습니다. 이산화탄소는 호흡을 통해 배출되므로 혈액 속 자유 수소 이온 농도가 크게 늘지 않아 pH가 안정적으로 유지됩니다.

반대로 염기성 물질이 들어와 수산화 이온이 많아지면, 수산화 이온이 수소 이온과 결합해 물을 만들면서 혈액 속 수소 이온 농도가 줄어듭니다. 이때 평형은 부족해진 수소 이온을 보충하기 위해 왼쪽에서 오른쪽으로 이동합니다. 탄산이 해리되어 새로운 수소 이온을 방출하고 동시에 탄산수소 이온이 늘어나면서 pH 상승을 억제합니다.

이처럼 혈액 속 탄산과 탄산수소 이온의 평형은 르샤틀리에의 원리에 따라 산이나 염기가 유입될 때 그 변화를 상쇄하는 방향으로 이동합니다. 여기에 더해 호흡은 이산화탄소 농도를 조절하고, 신장은 탄산수소 이온을 재흡수하거나 배설하여 장기적으로 균형을 유지합니다. 결국 이 복합적인 조절 덕분에 혈액의 pH는 거의 일정하게 유지될 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 혈액의 pH가 약 7.4로 거의 일정하게 유지되는 것은 완충 용액의 작용 때문인데요, 대표적인 것이 탄산-탄산수소 완충계입니다. 이 시스템은 혈액 속에서 탄산과 탄산수소 이온 사이의 가역적 평형을 이용해 외부에서 들어오는 산이나 염기를 흡수함으로써 pH 변화를 최소화하는 것인데요, 이 완충계는 CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻로 표현됩니다. 하지만 이 반응에서 볼 수 있듯이 반응이 한쪽으로만 진행되는 비가역적인 반응이 아니라, 상황에 따라서 양쪽으로 모두 이동할 수 있는 동적 평형입니다.

외부에서 산성 물질이 추가로 들어오는 경우를 보면, 용액 속 H⁺ 농도가 증가하기 때문에 평형은 이를 줄이기 위해 오른쪽에서 왼쪽으로 이동합니다. 즉, 혈액 속의 HCO₃⁻가 H⁺와 결합하여 H₂CO₃를 형성하고, 이 탄산은 다시 CO₂와 H₂O로 분해되며, 생성된 CO₂는 폐를 통해 호흡으로 배출될 수 있습니다. 결과적으로 추가된 H⁺가 제거되어 pH 감소가 억제됩니다. 반대로 염기성 물질이 들어와서 OH⁻가 증가하면, OH⁻는 혈액 속 H⁺와 결합하여 물을 만들기 때문에 H⁺ 농도가 감소하는데요, 결과적으로 평형은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하여 H₂CO₃가 분해되면서 새로운 H⁺를 생성합니다. 이후 호흡을 통한 CO₂ 배출과 콩팥을 통한 이온 조절 과정도 이루어지기 때문에 인체 내에서는 매우 정밀하게 pH 항상성이 유지될 수 있는 것입니다. 감사합니다.