우리 몸의 산과 염기 평형 그리고 전해질

우리 몸은 수분 평형의 유지뿐 아니라 체액의 산도(pH) 조절을 위하여 체액의 이온을 이용합니다.

 

1. 체액의 산도

 

체액의 산도는 수소이온 농도로 나타내는데 체액 구획별 수소이온 농도는 각기 다르나, pH 7.35 ~ 7.45의 매우 좁은 범위 내에서 유지됨으로써 세포의 대사가 일어날 수 있게 합니다. 혈액의 pH가 7.35 이하일 때는 산독증, 7.45 이상이면 알칼리혈증이라는 병적 상태가 됩니다. 우리 몸의 세포에서는 끊임없이 대사반응이 일어나서 여러 가지 산성 또는 알칼리성 물질이 많이 생기지만 음식 속의 무기질 성분이나 체내 완충제에 의한 완충작용과 신장과 폐에서의 배설작용에 의해 산/알칼리의 균형을 유지합니다.

 

산성혈증과 알칼리성혈증은 체액의 산/염기 평형은 호흡 변화와 대사이상에 의해서 깨지는 경우로 나눌 수 있습니다.
- 호흡성 산성혈증 : 만성 폐질환, 신경계 장애로 폐의 이산화탄소 배출 저하 시
- 대사성 산혈증 : 설사 계속으로 중탄산이온을 함유한 췌장액 및 장액의 손실 증가 시, 당뇨와 기아 상태의 케톤체 형성 증가 시
- 호흡성 알칼리혈증 : 고산지대, 저산소증, 체온 증가 등에서 호흡 과다로 인해 이산화탄소 배출 증가 시
- 대사성 알칼리혈증 : 구토로 위산 손실, 제산제 등 알칼리성 과다복용, 변비, 결장의 중탄산이온 재흡수 증가 시

 

(1) 섭취한 음식의 산/염기 생성

 

섭취한 식품은 체내에서 대사 되어 산성 물질이나 염기 물질을 만듭니다. 식품 중의 탄수화물, 지질, 단백질은 에너지를 낸 후 이산화탄소, 물 또는 요소가 되어 체외로 배설됩니다. 이때 이산화탄소는 일시적으로 물과 결합하여 약산인 탄산을 생성합니다. 식품 내 무기질 또한 체액에 녹아 산성 물질이나 염기성 물질을 만드는데 황, 인, 염소 등 음이온은 황산, 인산, 염산이 되어 산성 물질을 생성하고 나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 철분 등의 양이온은 수산화나트륨, 수산화칼륨, 수산화칼슘, 수산화마그네슘, 수산화철의 염기성 물질을 생성합니다. 따라서 산성 물질을 만들어 내는 무기질을 많이 포함한 식품을 산성 식품(곡류, 육류, 어류, 난류 등)이라 하고, 염기성 물질을 만들어 내는 무기질이 많은 식품을 알칼리성 식품이라 합니다(과일, 야채, 견과류 등). 정상적으로 건강한 사람은 산성 식품 또는 염기성 식품을 많이 먹어도 체내에서 자동적으로 산-염기가 조절됩니다. 그러나 조절이 안 되는 질병 상태에서는 식품 선택에 유의해야 합니다.

 

<체내에서 산/염기 생성 식품>

분류	주요 식품	해당 원소
산성 식품	곡류, 어류, 육류, 난류	염소, 인, 황
알칼리성 식품	과일류, 채소류, 견과류	나트륨, 칼륨, 칼슘, 마그네슘
중성 식품	우유, 지질, 설탕, 전분

 

(2) 완충작용

 

체액 내 전해질이나 일부 단백질은 산이나 알칼리를 중화시킬 수 있는 완충제로 작용하여 체내 산도의 변화에 대처합니다. 단백질을 구성하는 아미노산은 한 분자 내에 산성기인 -COOH와 염기성인 -NH₂가 있어, 만일 주위에 알칼리성 물질이 많으면 산성기의 수소이온이 알칼리이온과 결합하여 중화시킵니다. 또 산성 물질이 많으면 알칼리성기가 결합하여 수소이온을 제거하여 중화시킵니다.

 

체액 내에 많은 인산이나 탄산 등의 약산은 다른 무기질과 결합하여 염의 형태로 존재하는데, 이 약산의 염이 완충제로 작용합니다. 산이 많을 때는 염을 이룬 무기질을 떼어 내고 산과 결합함으로써 산을 제거해 줍니다. 

 

(3) 호흡

 

폐, 피부, 신장에서는 다른 기전으로 산을 조정합니다. 세포호흡에 의해 계속 생성되는 이산화탄소는 혈액 내에서 수분에 녹아 탄산을 형성합니다. 탄산이 체내에 많이 쌓이면 폐에서 호흡 속도가 발라져서 이산화탄소를 더 많이 배출시키고 알칼리가 많이 생기면 호흡 속도가 늦춰져서 이산화탄소를 보유시켜 탄산을 더 많이 생성합니다. 피부는 땀으로 산을 배출하나 신장에서의 조절작용이 더 크게 평형 유지에 작용합니다.

 

(4) 신장

 

신장은 체내에 보유해야 할 이온을 선택하여 재흡수하고 필요 없는 이온을 배설토록 함으로써 체내 총 산 농도를 일정하게 유지합니다. 체액에 산이 쌓이면 수소이온을 배출시키고, 그와 반대로 알칼리성으로 기울면 수소이온을 보유시키고 HCO₃⁻나 HPO₄²⁻을 배설하여 체액을 중성으로 유지합니다. 섭취 식품은 신체의 산도에 영향을 미치는 것이 아니라 배설되는 요의 산도에 영향을 미칩니다.

 

 

2. 전해질의 분포

 

전해질은 체액에 분포되어 있는 양이온과 음이온을 말합니다. 전해질은 물에 녹아서 이온이라 불리는 전하를 띤 입자로 분해되는 물질입니다. 체액의 구획에 따라 주요 전해질이 다르게 분포되며 일정하게 평형을 유지합니다. 체내 전해질 평형은 체수분에 의한 염의 해리, 전해질에 대한 물의 인력과 삼투에 의한 물의 이동, 나트륨-칼륨 펌프의 작용 등에 의해 조절됩니다.

 

(1) 세포내/외액 내 전해질의 분포

 

인체에 들어 있는 체액은 세포외액과 세포내액으로 분류되며 세포내액과 세포외액의 음이온과 양이온의 농도는 정확하게 평형을 이루어 이온의 전하량도 평형상태에 있게 됩니다. 세포외액의 주요 양이온은 나트륨이고, 주요 음이온은 염소이고, 세포내액의 주요 양이온은 칼륨, 음이온은 포스페이트입니다.

 

(2) 수분과 전해질의 평형

 

전해질에 대한 물의 인력

 

물은 쌍극성으로 물 한 분자는 전기적으로는 중성이지만 물분자 내의 산소 쪽은 약한 음전하를 띠고 있고, 수소 쪽은 약한 양전하를 띠고 있어서 물분자가 전해질 이온에 끌릴 수 있습니다. 체액에 들어 있는 용질은 전해질 특성에 따라 전해질과 비전해질로 나뉘는데 신체 구획의 전해질 농도를 조절함으로써 수분이 삼투현상에 의해 세포내액과 세포외액 사이를 자유롭게 이동하여 각 구획의 적당한 물의 양을 유지할 뿐 아니라, 전해질의 농도와 전해질 전하의 평형을 유지합니다.

 

삼투에  의한 물 이동

 

인체의 세포막은 반투성막으로 물만 통과시키고 용질은 통과시키지 않습니다. 체내에서 일어나는 물의 이동은 대부분 삼투현상에 의하여 이루어집니다. 삼투압은 높은 농도의 액체 내에 있는 용질이 반투성막을 통해 낮은 농도의 액체로부터 수분을 끌려는 힘 또는 높은 농도의 용액 쪽이 묽어지는 것을 막는 데 필요한 힘의 양을 나타냅니다. 따라서 혈액에 많은 나트륨은 혈액으로부터 세포 내로 물이 들어가는 것을 막는 역할을 하는 삼투압을 이루는 주요 성분입니다.

 

수분과 이온의 평형

 

세포막을 통한 수분의 이동은 삼투압에 의한 단순 확산 이외에 세포막 내외를 관통하는 단백질이 채널로 작용하여 이를 통해 수분이 이동합니다. 또한 전해질을 선택적으로 통과시키는 특정 단백질이 있습니다. 예로서 나트륨-칼륨 펌프는 농도 차에 역행해서 나트륨을 세포막 외부로 내보내고 칼륨을 세포막 내부로 들여보내는데 이때 에너지를 사용합니다.