산-염기 항상성

Acid–base homeostasis
산과 염기
Diagrammatic representation of the dissociation of acetic acid in aqueous solution to acetate and hydronium ions.
산형
기본 유형

산-염기 항상성은 신체의 세포외액(ECF)의 pH를 항상성으로 조절하는 것입니다.[1] ECF의 산과 염기(즉, pH) 사이의 적절한 균형은 신체의 정상적인 생리학과 세포 대사에 중요합니다.[1] 세포내액과 세포외액의 pH는 일정한 수준으로 유지되어야 합니다.[2]

인체 세포의 혈장 단백질과 막 단백질 등 많은 세포외 단백질의 3차원 구조는 세포외 pH에 매우 민감합니다.[3][4] 따라서 pH를 매우 좁은 한계 내에서 유지하기 위한 엄격한 메커니즘이 존재합니다. 허용 가능한 pH 범위를 벗어나면 단백질이 변성되어(즉, 3D 구조가 파괴되어) 효소와 이온 채널이 오작동합니다.

산-염기 불균형은 pH가 산성일 때 산성혈증, pH가 알칼리성일 때 알칼리혈증으로 알려져 있습니다.

방어선

인간과 다른 많은 동물에서 산-염기 항상성은 세 가지 방어선과 관련된 여러 메커니즘에 의해 유지됩니다.[5][6]

  1. 화학물질: 첫 번째 방어선은 즉각적이고 다양한 화학 완충액으로 구성되어 있어 그렇지 않으면 발생할 수 있는 pH 변화를 최소화합니다. 이러한 완충제에는 중탄산염 완충 시스템, 인산염 완충 시스템 및 단백질 완충 시스템이 포함됩니다.[7]
  2. 호흡기 구성 요소: 두 번째 방어선은 과호흡이나 저호흡에 의해 호흡의 속도와 깊이를 변화시킴으로써 ECF 내의 탄산23(HCO) 농도를 조절하는 것으로 신속하게 구성됩니다. 이것은 필요에 따라 혈장에 이산화탄소(따라서 탄산)를 방출하거나 유지합니다.[5][8]
  3. 대사 성분: 세 번째 방어선은 느리고 염기 과잉으로 가장 [9]잘 측정되며 대부분 ECF에 중탄산염 이온(HCO−
    3    )을 추가하거나 제거할 수 있는 신장 시스템에 의존합니다.[5]     중탄산염 이온은 신장 세뇨관 세포에서 효소적으로 탄산으로 전환되는 대사성 이산화탄소에서 유래합니다.[5][10][11] 그곳에서 탄산은 자연적으로 수소 이온과 중탄산염 이온으로 해리됩니다.[5] ECF의 pH가 떨어지면 수소 이온은 소변으로 배출되고, 중탄산염 이온은 혈장으로 분비되어 혈장의 pH가 상승하게 됩니다.[12] 반대로 ECF의 pH가 상승하는 경향이 있으면, 중탄산염 이온은 소변으로, 수소 이온은 혈장으로 배출됩니다.

두 번째와 세 번째 방어선은 각각 약산과 그 결합 염기의 두 가지 성분으로 구성된 완충액에 변화를 주어 작동합니다.[5][13] 용액의 pH를 결정하는 것은 결합염기에 대한 약산의 비율 농도입니다.[14] 따라서, 1차적으로 약산의 농도, 2차적으로 그 결합염기의 농도를 조작함으로써 세포외액(ECF)의 pH를 정확한 값으로 매우 정확하게 조정할 수 있습니다. 용액 중 탄산(HCO23)과 중탄산염(HCO−
3)의 혼합물로 이루어진 중탄산염 완충액은 세포외액 중에서 가장 풍부한 완충액이며, 산 대 염기 비율을 매우 쉽고 빠르게 변화시킬 수 있는 완충액이기도 합니다.[15]

산-염기균형

혈장을 포함한 세포외액의 pH는 일반적으로 화학적 완충제, 호흡기 및 신장계에 의해 7.32에서 7.42 사이에서 엄격하게 조절됩니다.[13][16][17][18][1] 태아의 정상 pH는 성인의 pH와 다릅니다. 태아에서 탯줄 정맥 pH는 보통 7.25~7.45, 탯줄 동맥 pH는 보통 7.18~7.38입니다.[19]

완충 수용액은 과량의 H+
 이온, 즉 OH−
 이온을 흡수하여 강산과 염기를 약산과 약염기로 치환함으로써 강산이나 강염기와 반응하게 됩니다.[13] 이것은 pH 변화의 영향을 억제하거나 그렇지 않았다면 발생했을 pH 변화를 줄이는 효과가 있습니다. 그러나 버퍼는 시험관에 있는 용액이든 세포외액에 있는 용액이든 용액의 비정상적인 pH 수준을 보정할 수 없습니다. 완충액은 일반적으로 용액에 있는 한 쌍의 화합물로 구성되며, 그 중 하나는 약한 산이고 다른 하나는 약한 염기입니다.[13] ECF에서 가장 풍부한 완충액은 탄산(HCO23) 용액과 일반적으로 나트륨(Na+)의 중탄산염(HCO−
3) 염으로 구성됩니다.[5] 따라서 용액 중에 OH−
 이온이 과량일 때 탄산은 HO와2 중탄산염(HCO−
3) 이온을 형성하여 부분적으로 중화시킵니다.[5][15] 마찬가지로 과량의 H+ 이온은 완충 용액의 중탄산염 성분에 의해 부분적으로 중화되어 탄산(HCO23)을 형성하고, 이는 약산이기 때문에 대부분 해리되지 않은 형태로 남아 원래 강산보다 훨씬 적은 수의 H 이온을+ 용액으로 방출합니다.[5]

완충 용액의 pH는 약염기에 대한 약산의 몰 농도의 비율에만 의존합니다. 용액의 약산 농도가 높을수록(약염기에 비해) 용액의 pH가 낮아집니다. 마찬가지로 약한 염기가 우세하면 결과적으로 pH가 높아집니다.

이 원리는 단순히 pH를 완충하는 것이 아니라 세포외액의 pH를 조절하는 데 이용됩니다. 탄산-중탄산염 완충액의 경우, 약산 대 약염기의 몰비는 1:20의 pH를 생성하고, 세포외액의 pH가 7.4일 때, 그 유체의 탄산 대 중탄산염 이온의 비율은 1:20입니다.[14]

헨더슨-하셀발치 방정식

주 기사: 헨더슨-하셀발치 방정식

Henderson-Hasselbalch 방정식은 세포외액의 탄산-중탄산염 완충 시스템에 적용할 때 다음과 같이 말합니다.[14]

위치:

  • pH는 세포외액 내 수소 이온의 몰 농도에 대한 음의 로그(또는 콜로그)입니다.
  • pK는a H2CO3 탄산의 산 해리 상수의 콜로그래프입니다. 6.1에 해당합니다.
  • [HCO−
    3    ]    는 혈장 내 중탄산염의 몰 농도입니다.
  • [HCO23]는 세포외액 중 탄산의 몰 농도입니다.

그러나 탄산 농도는 세포외액의 이산화탄소 분압( 2 }에 정비례하므로 방정식을 다음과 같이 다시 쓸 수 있습니다.[5][14]

위치:

  • pH는 세포외액 내 수소 이온의 몰 농도에 대한 음의 로그입니다.
  • [HCO−
    3    ]    는 혈장 내 중탄산염의 몰 농도입니다.
  • P는CO2 혈장 내 이산화탄소의 분압입니다.

세포외액의 pH는 및 기타 대사산의 조절에 의해 조절될 수 있습니다.

항상성 메커니즘

항상성 제어를 통해 몇 초 이내에 동맥 혈장의 pH를CO2 변경할 수 있습니다.[5] 동맥혈의 이산화탄소 분압은 연수의 중심 화학수용체에 의해 모니터링됩니다.[5][20] 이러한 화학수용체는 뇌척수액의 이산화탄소와 pH 수준에 민감합니다.[14][12][20]

중추 화학수용체는 그들의 정보를 뇌간의 연수와 음경에 있는 호흡기 센터로 보냅니다.[12] 그런 다음 호흡 센터는 동맥혈의 인을CO2 일정하게 유지하기 위해 폐의 폐포의 평균 환기 속도를 결정합니다. 호흡 중추는 호흡 근육(특히 횡격막)을 활성화시키는 운동 뉴런을 통해 그렇게 합니다.[5][21] 동맥혈중의 P가CO2 5.3 kPa(40 mmHg) 이상으로 상승하면 반사적으로 호흡 속도와 깊이가 증가합니다. 이산화탄소 분압이 5.3kPa로 돌아오면 정상 호흡이 재개됩니다.[8] 반대로 이산화탄소 분압이 정상 범위 아래로 떨어지면 발생합니다. 호흡을 일시적으로 멈추거나 이산화탄소가 폐와 동맥혈에 다시 축적되도록 속도를 늦출 수 있습니다.

플라즈마 HCO−
3 농도에 대한 센서는 확실히 알려져 있지 않습니다. 원위 세뇨관의 신장 세뇨관 세포는 그 자체로 혈장의 pH에 민감할 가능성이 매우 높습니다. 이 세포들의 대사는 CO를2 생성하고, 이 CO는 탄산무수화효소의 작용을 통해 H와+ HCO로−
3 빠르게 전환됩니다.[5][10][11] 세포외액이 산성을 향하면, 신장 세뇨관 세포는 H 이온을+ 세뇨관액으로 분비하여 소변을 통해 몸 밖으로 배출합니다. HCO−
3 이온은 동시에 혈장 내로 분비되어 혈장 내 중탄산염 이온 농도를 높여 탄산/중탄산염 이온 비율을 낮추고 결과적으로 혈장의 pH를 높입니다.[5][12] 반대로 혈장 pH가 정상 이상으로 상승할 때 발생합니다. 중탄산염 이온은 소변으로 배출되고 수소 이온은 혈장으로 배출됩니다. 이들은 혈장 내 중탄산염 이온과 결합하여 탄산( + HCO ⇌ \harpoon} HCO)을 형성하여 세포외액에서 탄산:중탄산염 비율을 높이고 pH를 정상으로 되돌립니다.

일반적으로 대사는 염기보다 폐산을 더 많이 생성합니다.[5] 생성된 소변은 일반적으로 산성이며, 글루탐산과 글루타민(과다의 운반체, 더 이상 필요하지 않음, 아미노기)이 원위 신장 세뇨관 상피 세포에 의해 탈아미노화될 때 소변으로3 배설되는 암모니아(NH)에 의해 부분적으로 중화됩니다.[5][11] 따라서 소변의 "산 함량" 중 일부는 생성된 소변의 암모늄 이온(NH4+) 함량에 존재하지만 세포외액의 pH 항상성에는 영향을 미치지 않습니다.[5][22]

불균형

사람의 혈장에 대한 산-염기도(acid-base diagram)로, P(mmHg) 또는CO2 SBE(Standard Base Overse)가 혈장[23] 내에서 과다하게 발생하거나 결핍될 때 혈장 pH에 미치는 영향을 보여줍니다.

산-염기 불균형은 심각한 모욕으로 인해 혈중 pH가 정상 범위(7.32 ~ 7.42[16])를 벗어날 때 발생합니다. 세포외액의 pH가 비정상적으로 낮은 것을 산혈증, 비정상적으로 높은 것을 알칼륨혈증이라고 합니다.

산혈증과 알칼리혈증은 세포외액(ECF)의 실제 pH 변화를 명확하게 나타냅니다.[24] 다른 두 가지 유사한 소리 용어는 산성화와 알칼리성입니다. 그들은 구성 요소, 호흡기 또는 대사의 관습적인 효과를 나타냅니다. 산증은 자체적으로 산혈증을 일으킬 수 있습니다(즉, 알칼리혈증에 의해 "보상되지 않은" 상태로 놔둔다면).[24] 마찬가지로, 알칼리혈증은 그 자체로 알칼리혈증을 일으킬 수 있습니다.[24] 의학 용어에서 산증 및 알칼리증이라는 용어는 항상 호흡기(이산화탄소 분압의 변화를 나타냄)[25] 또는 대사(ECF의 기저 과잉의 변화를 나타냄)라는 장애의 병인을 나타내는 형용사로 자격을 부여해야 합니다.[9] 따라서 대사성 산증, 호흡성 산증, 대사성 알칼리증, 호흡성 알칼리증 등 4가지 산-염기 문제가 있습니다.[5] 이러한 조건 중 하나 또는 조합이 동시에 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 대사성 산증(조절되지 않는 당뇨병에서와 같이)은 거의 항상 호흡성 알칼리증(과환기)에 의해 부분적으로 보상됩니다. 마찬가지로, 호흡기 산증은 대사성 알칼리증에 의해 완전히 또는 부분적으로 교정될 수 있습니다.

참고문헌

  1. ^ a b c Hamm LL, Nakhoul N, Hering-Smith KS (December 2015). "Acid-Base Homeostasis". Clinical Journal of the American Society of Nephrology. 10 (12): 2232–2242. doi:10.2215/CJN.07400715. PMC 4670772. PMID 26597304.
  2. ^ Tortora GJ, Derrickson B (2012). Principles of anatomy & physiology. Derrickson, Bryan. (13th ed.). Hoboken, NJ: Wiley. pp. 42–43. ISBN 9780470646083. OCLC 698163931.
  3. ^ Macefield G, Burke D (February 1991). "Paraesthesiae and tetany induced by voluntary hyperventilation. Increased excitability of human cutaneous and motor axons". Brain. 114 ( Pt 1B) (1): 527–540. doi:10.1093/brain/114.1.527. PMID 2004255.
  4. ^ Stryer L (1995). Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 347, 348. ISBN 0-7167-2009-4.
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t Silverthorn DU (2016). Human physiology. An integrated approach (Seventh, Global ed.). Harlow, England: Pearson. pp. 607–608, 666–673. ISBN 978-1-292-09493-9.
  6. ^ Adrogué HE, Adrogué HJ (April 2001). "Acid-base physiology". Respiratory Care. 46 (4): 328–341. PMID 11345941.
  7. ^ "184 26.4 ACID-BASE BALANCE Anatomy and Physiology OpenStax". openstax.org. Archived from the original on 2020-09-17. Retrieved 2020-07-01.
  8. ^ a b MedlinePlus 백과사전: 대사성 산증
  9. ^ a b Grogono A. "Terminology". Acid Base Tutorial. Grog LLC. Retrieved 9 April 2021.
  10. ^ a b Tortora GJ, Derrickson BH (1987). Principles of anatomy and physiology (Fifth ed.). New York: Harper & Row, Publishers. pp. 581–582, 675–676. ISBN 0-06-350729-3.
  11. ^ a b c Stryer L (1995). Biochemistry (Fourth ed.). New York: W.H. Freeman and Company. pp. 39, 164, 630–631, 716–717. ISBN 0-7167-2009-4.
  12. ^ a b c d Tortora GJ, Derrickson BH (1987). Principles of anatomy and physiology (Fifth ed.). New York: Harper & Row, Publishers. pp. 494, 556–582. ISBN 0-06-350729-3.
  13. ^ a b c d Tortora GJ, Derrickson BH (1987). Principles of anatomy and physiology (Fifth ed.). New York: Harper & Row, Publishers. pp. 698–700. ISBN 0-06-350729-3.
  14. ^ a b c d e Bray JJ (1999). Lecture notes on human physiology. Malden, Mass.: Blackwell Science. p. 556. ISBN 978-0-86542-775-4.
  15. ^ a b Garrett RH, Grisham CM (2010). Biochemistry. Cengage Learning. p. 43. ISBN 978-0-495-10935-8.
  16. ^ a b Diem K, Lentner C (1970). "Blood – Inorganic substances". in: Scientific Tables (Seventh ed.). Basle, Switzerland: CIBA-GEIGY Ltd. p. 527.
  17. ^ MedlinePlus 백과사전: 혈액가스
  18. ^ Caroline N (2013). Nancy Caroline's Emergency care in the streets (7th ed.). Buffer systems: Jones & Bartlett Learning. pp. 347–349. ISBN 978-1449645861.
  19. ^ Yeomans ER, Hauth JC, Gilstrap LC, Strickland DM (March 1985). "Umbilical cord pH, PCO2, and bicarbonate following uncomplicated term vaginal deliveries". American Journal of Obstetrics and Gynecology. 151 (6): 798–800. doi:10.1016/0002-9378(85)90523-x. PMID 3919587.
  20. ^ a b Tortora GJ, Derrickson BH (2010). Principles of anatomy and physiology. Derrickson, Bryan. (12th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. p. 907. ISBN 9780470233474. OCLC 192027371.
  21. ^ Levitzky MG (2013). Pulmonary physiology (Eighth ed.). New York: McGraw-Hill Medical. p. Chapter 9. Control of Breathing. ISBN 978-0-07-179313-1.
  22. ^ Rose B, Rennke H (1994). Renal Pathophysiology. Baltimore: Williams & Wilkins. ISBN 0-683-07354-0.
  23. ^ Grogono AW (April 2019). "Acid-Base Reports Need a Text Explanation". Anesthesiology. 130 (4): 668–669. doi:10.1097/ALN.0000000000002628. PMID 30870214.
  24. ^ a b c Andertson DM (2003). Dorland's illustrated medical dictionary (30th ed.). Philadelphia PA: Saunders. pp. 17, 49. ISBN 0-7216-0146-4.
  25. ^ Brandis K. "Acid-base physiology". Respiratory acidosis: definition.

외부 링크