르샤틀리에 원리 - 인체 pH 항상성 조절과 산염기 이상

✔️ 안녕하세요, 의치한약수 메디컬계열 수시 학종 세특 심화탐구 전문 메디컬저널입니다.

❗️핸더슨-하셀바흐 방정식이나 르샤틀리에 원리로서 인체 pH 조절을 설명한 탐구 세특을 의/약대 합격생 생기부에서 종종 볼 수 있습니다.

이번 탐구에서는 르샤틀리에 원리에 기반하여 어떤 자료나 과거 탐구들보다도 심오한(profound) 수준에서 pH 항상성 조절을 살펴보고 의약학 진로와 연계해 이를 질병/치료적 관점에서 역시 다루어보도록 하겠습니다.

❗️ 르샤틀리에 원리는 화학 반응에 적용되는 것이며 화학1의 '가역반응', 화학2의 '평형상수와 반응지수' 그리고 '화학 평형 이동'과 관련이 있습니다. 그리고 pH 항상성 조절이라는 점에서 생명과학1의 '항상성 조절'파트와 관련이 깊습니다. (체온, 혈당, 삼투압 조절과 마찬가지입니다).

또한 이러한 과정에서 여러 기관계가 관여하고 있으며 이는 생명과학1 2단원의 '기관계의 통합적 작용'으로 설명할 수 있습니다. 마지막으로, 생명과학2 (혹은 통합과학)에서 pH에 의해 인체에서 중요한 작용을 하는 효소, 항체, 호르몬 등의 단백질이 변성될 수 있다는 점은 pH 조절의 중요성을 설명하는 부분이라 할 수 있습니다.

산증과 알칼리증이란? 혈액 pH 항상성(Homeostasis) 조절의 중요성

✔️ 우리는 지난 탐구(라플라스 변환)에서 혈액이 인체를 대표한다는 것을 배웠습니다. 이러한 약동학적 모델링을 One-compartment model이라 합니다. 즉 우리 인체를 하나의 구획으로 가정하고, 심장의 펌프질에 의해 우리 몸 구석 구석으로 향하는 혈액이 우리 몸 전체를 대표한다고 여기는 것입니다. pH 역시 마찬가지입니다. 우리 인체의 pH 항상성을 평가할 때 우리는 혈액의 pH를 통해 이를 판단하게 됩니다.

❗️혈액의 정상 pH 범위는 7.35~7.45입니다. 화학1에서 배운 것처럼 pH=-log[H+]이므로 혈액의 pH가 7.35보다 낮은 것은 우리 몸이 산성의 상태인 것이며 수소 이온의 농도가 정상상태보다 높은 것을 의미합니다.

이러한 상태를 산증(Acidosis)라 하는데, 만약 혈액의 pH가 7보다 낮아지면 죽음에 이를 수 있을 정도로 위험한 상태입니다. 반대로 pH가 7.45보다 높은 것은 우리 몸이 염기성의 상태라 할 수 있으며, 수소 이온의 농도가 정상상태보다 낮은 것을 의미합니다. 이러한 상태를 알칼리증(Alkalosis)라 하며, 마찬가지로 pH가 7.8일 때 죽음에 이를 수 있습니다.

‣ 인체 pH(혈액 pH)가 중요한 이유, 즉 pH 항상성(Homeostasis)를 유지해야하는 이유는, 통합과학 혹은 생명과학2에서 배운 것으로 일부 설명이 가능합니다. 우리 몸에 존재하는 효소, 호르몬, 항체 등의 단백질은 활성을 가지는 pH 범위가 존재하며 이 범위를 벗어나게 되면 단백질이 변성되어 작용을 하지 못하게 됩니다.

우리 몸의 모든 화학작용은 효소에 의해 매개되며 체내에서 작용하는 대부분의 효소는 중성 범위에서 최적 활성을 나타내는 점을 고려할 때 정상 범위 밖으로 pH가 벗어나는 것은 우리 몸의 효소들이 정상적인 기능을 하지 못함을 의미하며, 이는 인체 세포, 조직, 기관의 기능 부전을 야기합니다. 이것이 바로 pH가 7보다 낮아지거나 7.8보다 높아질 때 죽음에 이르는 대표적 이유 중 하나입니다.

※ 위 내강의 pH가 2이며 따라서 위 작용 효소 펩신은 최적 pH가 2인 것에 의문을 품을 수 있으나, 위 내강이란 엄밀하게 따지면(Technically) 우리 세포들로 둘러싸인, 음식물이 지나는 빈 공간이며 우리 몸이라고 할 수 없습니다. 비슷한 예로, 우리가 입을 벌리고 있을때 구강의 빈 공간은 우리 몸이 아니라 외부(outside)입니다.

✔️ 생명과학1 배설계에서 배우는 것처럼(내신 수준에서 배우게 됩니다, 배우지 않는 학교가 있을 수도 있습니다.) 콩팥의 배설 과정에서 일어나는 물질교환은 여과, 분비, 재흡수입니다.

콩팥에서 여과에 의해 원뇨가 만들어지고 원뇨 중 필요에 의해 일부 물질을 다시 혈액으로 재흡수하거나 필요없는 물질을 원뇨로 분비하게 됩니다. 원뇨가 재흡수와 분비를 거치면 최종적으로 소변이 만들어지게 됩니다.

❗️ 혈액 중 H+가 지나치게 많은 산증의 경우, 콩팥에서는 H+를 분비하게 되는데, 이 때 전하 균형을 맞추기 위해 (양이온 하나가 나가면 하나가 들어오게 됨) K+가 재흡수 됩니다. 그 결과 우리 혈액에는 K+ (칼륨이온)의 농도가 증가하며 이는 고칼륨혈증을 일으킵니다. 반면 혈액 중 H+가 지나치게 적은 알칼리증은 저칼륨혈증을 유발하게 됩니다.

‣ 우리가 생명과학1의 '흥분의 발생과 이동' 단원에서 배운 것 처럼, 세포 바깥의 Na+와 K+는 Na+/K+ 펌프에 의해 유지되며 휴지막 전위를 형성합니다. 고칼륨혈증이나 저칼륨혈증은 세포 바깥의 칼륨이온 농도를 변화시킴으로서 휴지막 전위를 변화시키고 이는 뉴런의 반응성을 변화시키게 됩니다.

※ 정확히 말하자면, 고칼륨혈증은 휴지전위의 상승을 일으켜 역치 이상의 자극을 받기가 쉬워지며 이는 뉴런의 반응성이 증가하는 것을 의미합니다(흥분이 쉽게 발생). 반면 저칼륨혈증은 휴지전위의 하강을 일으켜 역치 이상의 자극을 받기가 어려워져 뉴런의 반응성이 떨어집니다(흥분 발생이 어려움). 단, 그 이유는 네른스트 방정식 등의 고차원적 이해가 필요하므로 생략하도록 하겠습니다.

❗️뉴런의 반응성이 변화하는 것은 여러 신경적 증상(두통, 혼동, 혼란, 의식 약화, 실신 등)을 일으키며 또한 말초신경에서 골격근 운동의 이상을 일으킬 수 있습니다(진전, 떨림, 근육 약화, 발작 등).

❗️ 물론 이 뿐만 아니라 pH의 변화는 다양한 단백질들의 기능이상, 수소 이온 농도 변화로 인한 각종 전해질 농도 변화로 아주 복합적이고 다양한 증상(중추신경계, 호흡계, 말초신경, 근육, 심장, 소화계 등)을 일으키게 되며 이것이 바로 혈액 pH의 항상성을 유지해야하는 이유가 됩니다.

✔️ 화학1 교과목을 산, 염기 그리고 중화반응을 배우며 pH의 의미가 무엇인지 배우게 된다. 통합과학을 통해 인체의 다양한 효소들은 온도 뿐만 아니라 pH에 의해 그 활성화 정도가 변하게 됨을 배웠는데, 그렇다면 인체의 pH를 일정하게 유지하는 것 역시 중요성을 가지는지에 궁금함을 느꼈다. 생명과학에서 혈당, 삼투압, 체온 등의 인체 항상성 유지 방식을 배우게 되는데 그렇다면 pH는 어떤 방식으로 유지되고 있을까? pH는 산, 염기와 관련되어 있다는 점에서 화학 교과목에서 배우는 중화반응과 같은 화학 반응이 인체 pH 조절의 과정에 관여하지 않을까? 이러한 여러 과목의 통합적 호기심을 해결하기 위해, 인체 pH 항상성의 중요성과, 항상성 유지를 위해 어떤 화학적 법칙이 적용되는지를 탐구해보며 또한 진로인 의/약학과 관련해 산증과 알칼리증의 1차적 원인과 그 치료법에 대해 정리해보려 한다.

동적 평형(화학1), 평형상수와 반응지수(화학2)

✔️ 우선 화학1에서는 화학 반응식에서의 정반응과 역반응, 그리고 가역 반응에 대해 정의합니다. 정반응이란 화학 반응식에서 왼쪽에 위치한 반응물이 오른쪽의 생성물로 변화하는 반응을 의미하며 반대로 역반응이란 화학 반응식에서 오른쪽에 위치한 생성물이 왼쪽의 반응물로 변화하는 반응입니다. 이때 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있는 화학 반응을 '가역 반응'이라 합니다.