중탄산염 완충계

세포 호흡의 부산물인 이산화탄소는 혈액에 해리되며 적혈구에 의해 수거된다. 그 후 이산화탄소는 탄산무수화효소에 의해 탄산으로 변환된다. 대부분의 탄산은 중탄산염과 수소 이온으로 해리된다.

중탄산염 완충계(bicarbonate buffer system)는 탄산(H₂CO₃), 중탄산염 이온(HCO−
3), 이산화탄소(CO₂) 균형을 이용하는 산-염기 항상성 기전으로, 혈액과 샘창자 등 여러 조직의 pH를 유지하여 적절한 대사 기능을 할 수 있도록 돕는다. 이산화탄소(CO₂)는 물(H₂O)과 반응하여 탄산(H₂CO₃)을 형성하며 이 과정은 탄산무수화효소가 촉매한다. 탄산은 빠르게 해리되어 중탄산염 이온(HCO−
3)과 수소 이온(H⁺)을 만든다. 앞의 과정을 식을 통해 나타내면 다음과 같다.

${\displaystyle {\rm {CO_{2}+H_{2}O\rightleftarrows H_{2}CO_{3}\rightleftarrows HCO_{3}^{-}+H^{+}}}}$

다른 완충계와 마찬가지로 pH는 약산(예: H₂CO₃)과 그 짝염기(예: HCO−
3)에 의해 균형이 맞추어진다. 즉 완충계로 들어온 과도한 산이나 염기는 중화된다.

중탄산염 완충계가 제대로 작동하지 못하면 혈액에서 산혈증(pH < 7.35), 알칼리혈증(pH > 7.45) 등의 산-염기 불균형이 발생할 수 있다.

전신의 산염기 균형

조직에서는 세포 호흡의 노폐물로 이산화탄소가 만들어진다. 순환계의 주된 역할 중 하나는 이 이산화탄소의 대부분을 중탄산염 이온으로 변환하여 조직으로부터 빠르게 제거하는 것이다. 혈장에 존재하는 중탄산염 이온은 폐로 운송된 후 다시 이산화탄소로 탈수되며 날숨을 통해 배출된다. 이러한 이산화탄소와 탄산 간의 변환 과정은 보통 매우 느리지만 혈액과 샘창자에서 탄산무수화효소에 의해 촉진된다. 혈액에서 중탄산염 이온은 다른 대사 과정으로 인해 혈액에 들어온 산(젖산, 케톤체 등)을 중화하는 역할을 한다. 반면 염기(예: 단백질이 분해되며 생기는 혈액요소질소 등)의 경우 탄산에 의해 중화된다.

조절

헨더슨-하셀바흐 방정식을 통해 계산했을 때, 생리학적 온도에서 탄산의 pK_a는 6.1이므로 혈중 pH를 정상치인 7.4로 유지하기 위해서는 중탄산염과 탄산의 비율이 계속 20:1로 유지되어야 한다. 이 항상성은 뇌의 일부인 숨뇌와 (아마도) 콩팥에 존재하는 pH 감지기에서 주로 조절된다. pH 감지기는 음성 피드백 고리를 통해 호흡계와 콩팥의 작동기와 연결된다. 대부분의 동물의 혈액에서는 중탄산염 완충계가 호흡보상을 통해 폐와 연결되어 작동한다. 호흡보상은 혈중 이산화탄소 농도의 변화를 보상하기 위해 호흡수와 호흡의 깊이를 변화시키는 과정이다.르 샤틀리에의 원리에 의해, 폐에서 이산화탄소가 방출되면 평형이 왼쪽으로 이동하며 모든 과도한 H⁺ 이온을 제거할 때까지 탄산무수화효소가 이산화탄소를 형성하도록 만든다. 중탄산염 농도는 콩팥보상에 의해서도 조절된다. 콩팥은 (호흡성 산증의 경우) 소변을 통해 H⁺ 이온을 내보내고 동시에 혈장으로 중탄산염 이온을 재흡수하는 방식으로 중탄산염 농도를 조절한다. 호흡성 알칼리증의 경우 반대의 방법으로 보상이 일어난다.

참고 문헌

외부 링크

• Nosek, Thomas M. 〈Section 7/7ch12/7ch12p17〉. 《Essentials of Human Physiology》. 2016년 3월 24일에 원본 문서에서 보존된 문서.