사람의 혈액이 이산화탄소의 농도 변화에도 불구하고 pH 7.4 내외의 일정한 상태를 유지할 수 있는 원리를 탄산-탄산수소 이온의 완충 작용 관점에서 설명해 주세요.

Question

사람의 혈액이 이산화탄소의 농도 변화에도 불구하고 pH 7.4 내외의 일정한 상태를 유지할 수 있는 원리를 탄산-탄산수소 이온의 완충 작용 관점에서 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

사람의 혈액이 pH 7.4 내외를 안정적으로 유지하는 비결은 탄산과 탄산수소 이온이 이루는 화학적 평형에 있습니다. 혈액 속 이산화탄소는 물과 결합해 탄산이 되고 이는 다시 수소 이온과 탄산수소 이온으로 나뉘며 가역적인 평형 상태를 유지합니다. 세포 호흡이 활발해져 혈액 내 이산화탄소 농도가 높아지면 평형 이동 법칙에 따라 수소 이온이 늘어나며 혈액이 산성으로 기울 위험이 생깁니다. 이때 혈액 속에 풍부한 탄산수소 이온이 과도하게 발생한 수소 이온과 결합하여 탄산으로 형태를 바꾸어 버립니다. 그 결과 혈액 속의 자유 수소 이온 농도는 크게 변하지 않고 안정적인 pH를 유지하게 됩니다. 반대로 혈액이 알칼리성으로 기울어 수소 이온이 부족해지면 약산인 탄산이 스스로 분해되면서 부족한 수소 이온을 보충해 줍니다. 이처럼 탄산은 수소 이온을 공급하는 공급원으로 작용하고 탄산수소 이온은 과도한 수소 이온을 흡수하는 스펀지 역할을 하며 완충 작용을 수행합니다. 이러한 미시적인 화학 평형에 더해 폐의 호흡을 통해 이산화탄소 배출량을 조절하고 신장에서 탄산수소 이온의 농도를 제어하는 거시적인 생리 조절 메커니즘이 함께 작동하기 때문에 우리의 몸은 급격한 산도 변화를 겪지 않고 항상성을 유지할 수 있습니다.

Answer 2

안녕하세요.

사람의 혈액은 대사 과정에서 지속적으로 생성되는 이산화탄소의 영향을 받는데요, 하지만 일반적으로 pH 7.35~7.45 범위를 유지하고 있으며, 이는 주로 탄산-탄산수소 이온 완충계 덕분입니다. 먼저 혈액 속으로 들어온 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산을 형성하는데요, 탄산은 다시 수소 이온과 탄산수소 이온으로 해리될 수 있습니다. 이 반응은 가역적이기 때문에 혈액의 pH가 변하려고 할 때 이를 완충하는 방향으로 이동합니다.

예를 들어 운동을 하거나 대사가 활발해져 이산화탄소가 증가하면 반응이 오른쪽으로 이동하여 수소 이온이 증가하는데요, 원래라면 pH가 크게 낮아지면서 산성화가 일어나야 하지만, 혈액 속 탄산수소 이온이 수소 이온의 증가를 완충하여 pH 변화를 최소화하게 됩니다. 반대로 혈액에 산이 들어와 수소 이온이 증가하는 경우 탄산수소 이온이 수소 이온과 결합하여 탄산을 만들고, 탄산은 다시 이산화탄소와 물로 전환됩니다. 이때 생성된 이산화탄소는 폐를 통해 배출될 수 있는데요, 즉 폐는 과도한 산을 제거하는 역할을 하는 것입니다. 감사합니다.