혈액 pH는 완충 용액의 원리와 어떻게 연결될 수 있나요?

Question

안녕하세요 혈액의 pH는 약 7.4로 비교적 일정하게 유지된다고 하던데요 만약 pH가 0.1만 변해도 생리적 문제가 발생할 수 있는데, 이는 완충 용액의 원리와 어떻게 연결될 수 있나요? 또한 르샤틀리에 원리를 적용하여, 혈중 CO₂ 농도가 증가하면 왜 pH가 변하는지 탄산-중탄산 평형 반응식을 통해 알고싶습니다.

Answer 1

안녕하세요.

혈액 pH가 약 7.40 ± 0.05 범위로 매우 엄격하게 유지되어야 하는 이유를 말씀드리자면 pH는 수소 이온 농도의 로그값이기 때문에, pH가 0.1만 변해도 실제 수소 이온 농도는 약 25% 이상 변합니다. 이는 효소 활성, 단백질 구조, 막전위, 산소 운반 능력 등에 연쇄적인 영향을 주며, 실제로 pH 7.2 이하 또는 7.6 이상만 되어도 생리적 이상이 발생할 수 있습니다. 따라서 혈액은 외부·내부에서 산이나 염기가 지속적으로 유입됨에도 불구하고 pH를 거의 일정하게 유지해야 하며, 이 역할을 수행하는 것이 바로 완충 용액의 원리입니다.

완충 용액이란, 약산과 그 짝염기가 공존하여 소량의 산이나 염기가 첨가되어도 pH 변화가 최소화되는 용액을 말하는데요 탄산은 약산이고 중탄산 이온은 그 짝염기 역할을 하기 때문에 혈액은 이미 약산과 짝염기가 함께 존재하는 전형적인 완충 용액 조건을 갖추고 있는 것입니다.

혈액에 산이 조금 증가했다고 가정해 보았을 때 자유 수소 이온은 그대로 축적되지 않고, 중탄산 이온과 반응하게 되는데요 즉, 수소 이온은 화학적으로 흡수되어 이산화탄소 형태로 전환되고, 이 CO₂는 폐를 통해 호흡으로 제거됩니다. 반대로 염기가 증가했을 경우에는탄산이 수소 이온을 제공하여 이를 중화합니다. 이처럼 혈액은 단순히 화학 반응만으로 완충되는 것이 아니라, 폐와 신장이라는 생리 시스템과 연결된 동적 완충계라는 점이 매우 중요합니다.

마지막으로 르샤틀리에 원리는 평형 상태에 있는 계에 외부 변화가 가해지면, 그 변화를 상쇄하는 방향으로 평형이 이동한다는 원리인데요 혈중 CO₂ 농도가 증가하는 상황을 생각해보았을 때 격렬한 운동, 호흡 억제, 폐 질환과 같은 상황에서 반응식의 가장 왼쪽 항인 CO₂가 증가하므로, 르샤틀리에 원리에 따라 평형은 오른쪽으로 이동합니다. 결과적으로 수소 이온 농도가 증가하고 pH는 감소합니다. 이것이 바로 호흡성 산증의 화학적 근거이며 반대로, 과호흡으로 CO₂가 과도하게 배출되면 평형은 왼쪽으로 이동하여 H⁺ 농도가 감소하고 pH가 상승하며, 이는 호흡성 알칼리증으로 이어집니다. 감사합니다.