수소 이온의 생리학과 병태생리학 Hydrogen Ion Physiology and Pathophysiology

  산과 염기, 수액 그리고 전해질의 기초 3번째 포스팅으로 수소 이온의 생리학과 병태생리학에 대해 설명하겠습니다. 몸에서는 수소 이온 평형을 조절하는 혈중 pH를 7.35~7.45의 좁은 범위로 유지합니다. 체내의 수소 이온 농도는 신장에 의해 조절되는 HCO3-(중탄산), 폐에 의해 조절되는 Pco2(이산화탄소 분압)의 두 가지 성분의 비로 결정됩니다. 정상상태에서 신장에서는 HCO3-(중탄산) 농도를 24~26 mEq/L 사이에서 유지하고, 폐는 Pco2를 40mmHg 범위에서 유지하게 하며, 폐와 신장은 수소 이온의 획득 또는 소실이 일어날 때 체내 pH를 일정하게 유지되도록 조절합니다.

HCO3-(중탄산)

체내 완충제 Body Buffers

  수소 이온 농도의 급격한 변화는 체내 완충계에 의하여 방어됩니다. 수소 이온은 세포내 및 세포외 완충계에 의해서 완충됩니다. 세포내 완충제는 인산 phosphate과 세포 단백 cytosolic protein을 포함합니다. 중요한 세포외 완충계로는 CO2-(이산화탄소), HCO3-(중탄산) 완충계가 있습니다. 이것이 Po2(동맥혈 산소분압, mmHg), Pco2(동맥혈 이산화탄소분압, mmHg), pH를 측정하는 동맥혈 가스분석 ABGA를 통해 임상검사로 평가할 수 있는 체내 완충계입니다. 일반적으로 'arterial blood gas' 검사로 HCO3-(중탄산, mEq/L) 농도의 수치까지 알 수 있는데, 이는 측정된 pH와 Pco2를 이용한 Henderson-Hasselbalch 공식에 의해 계산된 값입니다.

신장에서의 중탄산 농도 조절 Renal Regulation of the HCO3- Concentration

  신장은 두 가지 다른 방법으로 HCO3-(중탄산)를 조절하며, 둘 다 정상 범위 24~26mEq/L 내에서 유지하기 위해 필수적입니다. 하나, 근위 세뇨관에서는 여과된 모든 중탄산을 재흡수합니다. 사구체에 의해서 여과된 거의 모든 HCO3-(중탄산)는 근위 세뇨관에서 재흡수됩니다. 이 과정의 용량은 매우 커서 매일 신장은 막대한 양의 HCO3-(중탄산)를 여과시키고 재흡수합니다. 180L/day(GFR) ×25 mEq/L(여과된 농도)=4,500 mEq/day, 재흡수되어야 할 HCO3-(중탄산). 이 과정은 결과적으로 세포외액에 HCO3-(중탄산)를 첨가시키지도 않고 소변으로 수소 이온을 분비시키지도 않으므로 체내의 산-염기 상태에 변화를 일으키지는 않습니다. 즉, 총 수소 이온의 양은 변하지 않으면서 소변으로 HCO3-(중탄산)가 소실되는 것을 막아 대사성 산증이 발생하지 않도록 해줍니다. 정상적으로 HCO3-(중탄산)의 재흡수는 여과된 혈장 농도가 24~26 mEq/L 이하일 때 완전히 일어날 수 있습니다. 혈장 농도가 24~26 mEq/L의 '역치' 농도 이상이 되면, 근위 세뇨관에 도달한 HCO3-(중탄산)는 재흡수할 수 있는 양보다 더 많게 되어 여과된 것을 전부 재흡수하지 못하게 됩니다. 이 상태에서 재흡수되지 못한 여분의 HCO3-(중탄산)는 소변으로 넘쳐나서 소실됩니다. 그 결과, 상승된 혈장 HCO3-(중탄산)는 다시 낮아져서 중탄산의 역치 값으로 떨어집니다. 몇 가지 중요한 요인이 근위 세뇨관에서 중탄산의 재흡수율을 증가시킵니다. 근위 세뇨관에서의 중탄산 재흡수 결함에 의한 대사성 산증 증후군을 근위(2형) 신장 세뇨관 산증 proximal(type 2) renal tubular acidosis이라고 한다.

  둘, 수소 이온의 신장 배설. 신장에서 혈장 HCO3-(중탄산)를 조절하는 두 번째 방법은 매일 생산되는 고정산과 같은 양 만큼 발생하는 수소 이온을 제거하는 것입니다. 한 개의 수소 이온을 제거하는 것은 한 개의 HCO3-(중탄산)를 획득하는 것과 동일하다는 것을 기억해야 합니다. 신장에 의해 체내에서 수소 이온을 제거하는 것은 결국 매일 생성 되는 고정산을 완충시키기 위해 사용되는 50~100 mEq/day의 HCO3-(중탄산)를 보충하기 위하여 새로운 HCO3-(중탄산)를 생산하는 것과 마찬가지입니다. 신장에서 이것은 두 가지 기전에 의해 이루어집니다. 첫째, 수집 세뇨관에서 ATP를 소모하는 proton pump에 의한 수소 이온의 능동적 분비가 있어 한 개의 수소 이온이 배설될 때마다 한 개의 HCO3-(중탄산)가 생산됩니다. 둘째, 근위 세뇨관에서 glutamin의 가수분해로 NH4+(암모늄, 소변으로 배설되는)와 HCO3-(중탄산, 세포외액으로 되돌아가는)가 생산됩니다. Ammoniagenesis의 과정으로 생산된 암모늄이 소변으로 배설되는 동안 체내에서 수소 이온을 제거합니다. 암모늄의 생산과 배설의 정확한 기전은 복잡하므로 여기서 자세히 다루지는 않겠습니다. HCO3-(중탄산)를 생산하면서 암모늄(NH4+)이 배설되는 과정은 수소 이온을 분비하면서 HCO3-(중탄산)를 생산하는 것보다 정량적으로 더 중요합니다. 신장에서 산증에 반응하는 중요한 방법음 NH4+(암모늄)의 생산과 배설을 증가시키는 것입니다. 신장에서 H+(수소) 제거에 결함이 발생하면, 매일 생산되는 과다한 H+(수소)를 적정하기 위해 사용된 HCO3-(중탄산)를 보충하지 못하게 되므로 혈장 HCO3-(중탄산)의 농도가 떨어집니다. 이러한 HCO3-(중탄산) 농도 감소는 대사성 산증을 일으킵니다. 수집 세뇨관에서 수소 이온을 제거하지 못해 생긴 대사성 산증 증후군을 원위(1형) 신장 세뇨관 산증 Distal(type 1) renal tubular acidosis이라고 합니다.

음이온 차 The Anion Gap

  음이온차의 계산은 산-염기 평형 이상을 정확히 분석하기 위해 필수적입니다. 세포외액은 전기적 중성 상태로 양전하 이온 농도의 합은 음전하 이온 농도의 합과 같아야 합니다. 이러한 개념은 Na+(나트륨)+UC(unmeasured cation, 측정되지 않는 양이온)=Cl-(염소)+HCO3-(중탄산)+UA(unmeasured anion, 측정하지 않는 음이온)으로 표현될 수 있습니다. 여기서 UC(unmeasured cation, 측정되지 않는 양이온)는 나트륨을 제외한 모든 양이온 전하의 합을 나타내고, UA(unmeasured anion, 측정하지 않는 음이온)은 염소와 중탄산을 제외한 모든 음이온 전하의 합을 나타냅니다. 중요한 UC에는 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 약간의 gamma globulin을 포함합니다. 중요한 UA는 알부민, 황산, 인산, 다양한 유기 음이온입니다. 음이온 차 anion gap(AG)를 구하기 위해서 공식을 AG=UA-UC=Na+(나트륨)-[Cl-(염소)+HCO3-(중탄산)] 와 같이 재배열할 수 있습니다. AG의 정상범위는 9~16 mEq/L이며, 이는 병원에 따라 다를 수 있고, 많은 병원이 10~14(표준편차 약 ±1)의 좁은 정상범위를 사용하는 것을 선호합니다. 9~16mEq/L의 널은 범위는 ±2 표준편차에 더 가깝습니다. 몇몇 종류의 대사성 산증에서는 수소 이온과 함께 연관된 음이온이 세포외액에 첨가됩니다. 산성 H-Anion이 첨가된 AG를 구하기 위한 공식 양 쪽에 영향을 미칩니다. 수소 이온은 HCO3-(중탄산)에 의해 완충되기 때문에 HCO3-(중탄산) 농도는 낮아지고(대사성 산증 초래), 음이온이 비 측정 음이온에 첨가되어 AG를 증가시킵니다(high AG 초래). 그 결과를 소위 고 음이온 차 대사성 산증 High anion gap acidosis이라고 합니다. 임상적으로 대사성 산증은 High anion gap과 normal anion gap(non anion gap 또는 hyperchloremic으로도 부릅니다)으로 구분합니다. 음이온 차 범위가 30 mEq/L 이상으로 증가된다면, pH나 HCO3-(중탄산)가 얼마인가에 관계없이 사실상 고음이온차 대사성 산증이 항상 존재하는 것이며, 음이온 차의 범위가 20~30 mEq/L로 증가된 상태라면, pH나 HCO3-(중탄산)가 얼마인가에 관계없이 고 음이온 차 대사성 산증이 존재할 가능성이 있는 것입니다. 

  다음 포스팅에서는 앞서 서술한 내용을 바탕으로 혈액검사 중 전해질 검사에 대한 내용으로 설명드리겠습니다. 긴 글 읽주셔서 감사합니다.