중탄산염 완충 시스템

중탄산염 완충계통은 혈액과 십이지장의 pH를 유지하기 위해 탄산(HCO₂₃), 중탄산(HCO⁻
₃), 이산화탄소(CO₂)의 균형을 수반하는 산 기반 동항 메커니즘으로, 다른 조직 중에서도 적절한 대사 기능을 지원한다.^[1] 탄산화 무수화물에 의해 촉매된 이산화탄소(CO₂)는 물(HO₂)과 반응하여 탄소산(HCO₂₃)을 형성하며, 이는 다음 반응에서 보듯이 급속하게 분리되어 중탄산염 이온(HCO⁻
₃)과 수소 이온(H⁺)을 형성한다.^[2][3][4]

어떤 완충 시스템과 마찬가지로 pH는 약한 산(예: HCO₂₃)과 그 결합 베이스(예: HCO⁻
₃)의 존재에 의해 균형을 이루어서 시스템에 유입된 과잉 산이나 베이스가 모두 중화되도록 한다.

이 시스템이 제대로 작동하지 않으면 혈액 내 산혈증(pH<7.35)과 알칼리증(pH >7.45)과 같은 산-기초 불균형이 발생한다.^[5]

전신산-베이스 밸런스

조직에서, 세포 호흡은 폐기물로 이산화탄소를 생산한다; 심혈관계 시스템의 주요 역할 중 하나로서, 이₂ CO의 대부분은 중탄산염 이온에 수분을 공급함으로써 조직으로부터 빠르게 제거된다.^[6] 혈장에 존재하는 중탄산염 이온은 폐로 운반되어 다시 CO로₂ 탈수되어 호기 중에 방출된다. 일반적으로₂ 매우 느린 CO와₂₃ HCO의 이러한 수화 및 탈수 변환은 혈액과 십이지장 모두의 탄산화 무수화물에 의해 촉진된다.^[7] 혈액 속에 있는 동안, 중탄산염 이온은 다른 신진대사 과정(예: 젖산, 케톤체)을 통해 혈액에 유입된 산을 중화시키는 역할을 한다. 마찬가지로, 모든 염기(예: 단백질의 카타볼리즘에서 나온 요소)는 탄소산(HCO₂₃)에 의해 중화된다.^[8]

규정

Henderson-Haselbalch 방정식에 의해 계산된 바와 같이, 혈액에서 7.4의 정상 pH를 유지하기 위해(탄산의 pKa가 생리적 온도에서 6.1인 경우), 탄산에 대한 20:1의 중탄산염은 지속적으로 유지되어야 한다. 이 동점선은 주로 뇌의 중간 오블롱가타에 있는 pH 센서에 의해 매개된다.신장은 음성 피드백 루프를 통해 호흡기와 신장계에 있는 이펙터에 연결된다.^[9] 대부분의 동물의 혈액에서, 중탄산염 완충 시스템은 호흡 보정을 통해 폐와 결합되는데, 호흡 속도 및/또는 호흡 깊이가 변화하여 CO의₂ 혈중 농도의 변화를 보상한다.^[10] 르 샤틀리에의 원리에 따르면 폐에서 CO를₂ 배출하면 위의 반응이 왼쪽으로 밀려나 모든 과잉산이 제거될 때까지 탄산화 무수화물이 CO를₂ 형성하게 된다. Bicarbonate 집중 더욱 신장 보상에 의해 규제된다,는 신장이 동시에 혈장 또는 그 반대로, 혈장은 각각 pH또는 각각 이름을 땄느냐에 따라에, reabsorbing HCO−3 이온이 소변에 H+이온을 분비해 중탄산염 이온의 농도를 규정하는 과정이다.[11]

헨더슨-하셀발치 방정식

Henderson-Haselbalch 방정식의 수정된 버전을 사용하여 혈액의 pH를 중탄산염 완충계통의 구성요소와 연관시킬 수 있다.^[12]

${\displaystyle {\ce {p}H}}}={\textrm{p}K_{a~{\ce {H_2}CO_3}}+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{{\ce {H_2})CO_3}]}}\\오른쪽),}$

여기서:

• pK는_{a H2CO3} 탄산의 산 분해 상수의 음수 로그(베이스 10)이다. 6.1과 같다.
• [HCO⁻
  ₃]는 혈액 내 중탄산염의 농도다.
• [HCO₂₃]는 혈액 속의 탄산가스의 농도다.

동맥혈 가스를 설명할 때 헨더슨-하셀발치 방정식은 보통 HCO보다는₂₃ 이산화탄소의 부분압력인 pCO로₂ 인용된다. 그러나 이러한 수량은 다음 방정식에 의해 관련된다.^[12]

${\displaystyle [{\ce {H_{2}CO_{3}}}]=k_{\ce {H~CO_{2}}회}\times p_{\ce {CO_{2}}회}}$

여기서:

• [HCO₂₃]는 혈액 속의 탄산가스의 농도다.
• k는_{H CO2} 혈액 속의 이산화탄소의 용해도를 포함한 상수다. k는_{H CO2} 약 0.03(mmol/L)/mmHg이다.
• p는_CO2 혈액 속의 이산화탄소의 부분 압력이다.

다음 방정식을 종합하면 혈액의 pH를 중탄산염 농도와 이산화탄소의 부분 압력과 연관시킬 수 있다.^[12]

${\displaystyle {\ce{pH}=6.1+\log \left({\frac {[{\ce {HCO_3^-}}]}{0.0307\times p_{{\ce {CO_2}}:}\right),}}$

여기서:

• pH는 혈액 속의 산성이다.
• [HCO⁻
  ₃]는 혈액 내 중탄산염 농도(mmol/L)이다.
• p는_CO2 혈액 내 이산화탄소의 부분압력(mmHg)이다.

Kassirer-Blich 근사치의 도출

질량 작용의 법칙에서 파생된 헨더슨-하셀발치 방정식은 중탄산염 완충 시스템에 관해서 다음과 같은 로그 계산 없이도 H 또는⁺ HCO⁻
₃ 농도의 빠른 근사치를 제공하는 더 간단한 방정식을 산출하도록 수정할 수 있다.^[7]

이산화탄소의 부분 압력은 탄산보다 측정에서 얻는 것이 훨씬 쉽기 때문에, 플라즈마 내 CO에₂ 대한 Henry의 법칙 용해성 상수 - 가스의 부분 압력과 용해성을 연관시킨다. H에⁺ 대해 방정식을 재정렬하고 헨리의 법칙을 적용한 후 방정식은 다음과 같이 된다.^[13]

여기서 'K'는 800nmol/L에 해당하는 탄산의 분해 상수(K' = 10^−pKa_H2CO3 = 8^−(6.1).00X10mol⁻⁰⁷/L = 800nmol/L)이다.

상수를 곱한 후(800 * 0.03 = 24) HCO에⁻
₃ 대해 재배열하면 방정식은 다음과 같이 단순화된다.

다른 조직에서

중탄산염 완충 시스템은 다른 조직에서도 중요한 역할을 한다. 인간의 위와 십이지장에서, 중탄산염 완충계는 위산을 중화시키고 위 점막으로 중탄산염 이온의 분비를 통해 상피세포의 세포 내 pH를 안정시키는 역할을 한다.^[1] 십이지장궤양 환자의 경우 헬리코박터 파일로리 박멸은 점막 중탄산염 분비를 회복시켜 궤양 재발 위험을 줄일 수 있다.^[14]

참조

외부 링크

• Nosek, Thomas M. "Section 7/7ch12/7ch12p17". Essentials of Human Physiology. Archived from the original on 2016-03-24.