생리학에서 산은 수소 이온을 내놓는 분자, 염기는 수소 이온을 받아들이는 이온 또는 분자로 정의하며, 둘은 항상 짝을 이루어 존재한다.
❶ 생각해 보셨나요?
화학 시간에 배운 산-염기 정의는 한 가지가 아니었다. 아레니우스, 브뢴스테드-로우리, 루이스 — 맥락에 따라 다른 틀을 썼다. 그렇다면 생리학에서는 어떤 정의를 써야 할까?
❷ 생리학에서는 어떤 정의로 충분한가
우리 몸은 항상 수용액 상태다. 따라서 유기화학이나 전자 이동 기반의 정의까지 갈 필요가 없다. 생리학에서는 다음 두 가지면 충분하다.
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산(acid): 수용액 상태에서 수소 이온(H⁺)을 유리할 수 있는, 수소 원자(H)를 포함하는 분자.
- 예: 염산(HCl) → H⁺ + Cl⁻ (강산, 거의 완전히 해리)
- 예: 탄산(H₂CO₃) → H⁺ + HCO₃⁻ (약산, 일부만 해리)
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염기(base): 수소 이온을 받아들일 수 있는 이온 또는 분자.
- 예: 중탄산이온(HCO₃⁻) — 수소를 받아들여 탄산이 될 수 있다
- 예: HPO₄²⁻ — 수소를 받아들여 H₂PO₄⁻가 될 수 있다
이 정의에서 산과 염기는 분리된 실체가 아니다. 산이 수소를 내놓으면 남은 것이 염기가 되고, 염기가 수소를 받으면 산이 된다. 즉 산-염기는 항상 짝(켤레 산-염기 쌍, conjugate acid-base pair)으로 존재한다.
❸ 단백질도 염기로 작용하는가
위 정의를 확장하면 혈액 속 단백질도 염기로 볼 수 있다. 단백질 표면에는 음전하(negative charge)가 많다. 수소 이온은 양전하(H⁺)를 가지므로 자연스럽게 단백질 표면에 붙는다 — 이것이 수소 이온을 “받아들이는” 것과 같은 효과다. 헤모글로빈(hemoglobin)도 같은 원리로 염기로 작용한다. 산염기 조절에서 단백질이 완충계(buffer system)의 한 축을 담당하는 이유가 여기에 있다.
강산·약산, 강염기·약염기의 의미
강산(strong acid)은 수용액에서 수소 이온을 거의 완전히 내놓는 산이다. 염산이 대표적이다. 약산(weak acid)은 일부만 해리한다 — 탄산이 그렇다. 강염기(strong base)는 수소 이온을 매우 적극적으로 결합해 제거한다. 수산화이온(OH⁻)이 수소 이온과 결합해 물(H₂O)을 만드는 것이 대표 예다. 강염기를 낼 수 있는 물질을 알칼리(alkali)라고도 부른다.
❹ 결국
산증(acidosis)은 체내 수소 이온이 과다한 상태, 알칼리증(alkalosis)은 수소 이온이 과도하게 제거된 상태다. 이 두 방향의 이탈을 막는 것이 산염기 조절의 핵심 과제다. 그 도구가 바로 산-염기 짝꿍 구조에서 비롯되는 완충계다.
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선행: acidbase01-hydrogen-ion 연관: acidbase03-amount 다음: acidbase06-bicarbonate-buffer