개 요
1. 산, 염기, 산도
2. 운동 중 수소 이온의 변화
3. 운동 중 산-염기 조절의 중요성 4. 산-염기 완충시스템
1) 세포 내 완충제 2) 세포 외 완충제
5. 호흡계가 산-염기 평형에 미치는 영향 6. 신장을 통한 산-염기 평형조절
7. 운동 중 산-염기 평형조절
학습목표
1. 산, 염기, 산도의 개념을 이해한다.
2. 운동수행 시 산-염기 조절의 중요성에 대해 이해한다.
3. 세포 내 완충제와 세포 외 완충제의 원리에 대해 서술한다.
4. 운동 중 산-염기 상태를 조절하는 호흡의 역학을 설명한다.
5. 운동 중 산-염기 조절에 대한 개요를 기술한다.
6. 운동 중 수소 이온이 생성되는 기본적인 방법들에 대해 이해한다.
산, 염기, 산도
수소이온
생물학계에서 가장 간단하지만 가장 중요한 이온 중의 하나임.
수소이온(H⁺ )의 농도는 화학반응 속도, 세포단백질 뿐만 아니라 효소의 모양과 기능, 세포자체의 성질에 영향을 미침(항상성 유지).
- 정상적인 동맥혈의 pH농도: 7.40±0.2
- 산(acid): 수소이온을 방출하여 수용액의 수소이온 농도를 순수한 물(pH: 7.0)보다 높이는 분자.
- 염기(base): 수소이온과 결합하여 용액의 수소이온 농도를 낮추는 분자.
- 강산(strong acid): 보다 완전하게 수소이온을 방출(이온화)하는 분자(예: 젖산).
- 강염기(strong base): 완전히 이온화한 염기(예: 중탄자 이온)
산, 염기, 산도
인간의 몸은 알칼리증 보다 산성증에 내성이 강함.
- 생존을 위한 pH 수준: 최저(6.8), 최고(7.8)
체내 산-염기 항상성의 유지가 깨지면 신체 주요기관의 기능장애를 가져오는 등 심각한 결과를 초래함.
- 동맥혈의 pH 변화(0.1~0.2 pH 단위)는 심장의 비 정상적인 전기활동과 리듬장애 초래 ⇒ 생명을 위협함.
대사적 산성증은 체내 산의 증가에 기인하며, 컨디션이나 질병 상태가 대사적 산성증을 유도함.
- 장기간 굶주림(체내 케토산의 생성 유발), 당뇨병(당뇨성 케토산성증) - 높은 수준의 지방대사에서 기인한 케토산의 과생성에 의함.
대사적 알칼리증은 체내 산의 감소에 따른 염기의 과잉을 초래하여 발생함.
- 몇 번의 구토 또는 신장의 이상
운동 중 수소이온의 변화
음식에도 적은 양의 산이나 염기가 있지만 체액의 pH를 위협하는 것은 주로 대사과정에서 형성된 산임
휘발산(volatile acid)
- 탄수화물, 지방, 단백질 산화의 최종산물인 이산화 탄소의 결합과 분해 - CO2 는 기체이고 폐에서 제거되기 때문에 휘발산이라 함.
고정산(fixed acid)
- 황산(아미노산의 산화 산물)과 인산(인지질과 핵산의 대사과정에서 생성)은 비 휘발성임으로 고정산으로 분류됨.
- 식이에 매우 의존적이며, 급격한 운동에 의해서는 영향을 받지 않음.
운동 중 수소이온의 변화
유기산
- 탄수화물(젖산)과 지방(아세트산)의 대사과정에서 생성됨.
- 안정 시에는 CO2까지 대사되어 pH에 영향을 주지 않으나 젖산역치 이상의 운동이나 심한 운동(골격근의 수축)중에는 영향을 미침(과다한 젖산 생성).
운동 중 산-염기 조절의 중요성
심한 운동 → 골격근 수축에 의한 젖산 생성 및 젖산의 이온화 → 수소이온(작은 크기와 +전하) 방출 → 다른 분자와 결합 →
분자에 큰 영향을 미침(크기와 모양의 변형) → 정상적인 기능의 변화 → 운동대사에 영향을 미침.
근육 내의 수소이온 농도의 증가
- 유(무)산소성 ATP 생산에 관여하는 효소를 억제함으로써 근육세포의 ATP생산능력을 감소시킴.
- 트로포닌과 결합 시 칼슘이온과 경쟁함으로 근 수축을 방해하여 운동수행 능력에 지장을 줌.
산-염기 완충시스템
사람의 신체는 완충제 조절체계에 의하여 산-염기의 항상성을 유지함.
인체는 어떻게 pH를 조절하는 것일까?
완충제(buffer)
- 수소이온의 농도가 증가하면 제거시키고, 감소하면 방출하여 pH농도의 변화를 막음.
- 약산과 그의 짝 염기로 이루어 짐.
세포 내 완충제
세포 내에 있는 완충제는 단백질과 인산기임.
- 단백질은 수소이온을 받아들일 수 있는
약산인 이온기를 갖음(예: 크레아틴인산염).
- 약산은 세포 내에 높은 농도로 존재하며, 완충 역할을 함.
산-염기 완충시스템
세포 외 완충제
혈액의 기본적인 완충제는 단백질, 헤모글로빈, 중탄산염임.
혈액 단백질은 약산인 이온기를 가지고 있어서 완충제 역할을 함.
- 혈중 단백질은 양이 적어서 심한 운동 중 완충제로서의 유용성은 제한됨.
헤모글로빈은 안정 시 주요 혈액 완충제임(혈장 단백질의 약 6배).
- 환원형 헤모글로빈이 더 완충효과가 있음.
- 헤모글로빈이 모세혈관에서 산소를 제거하게 되면, 조직으로부터 CO2가 혈액으로 부터 들어갈 때 생기는 수소이온과의 결합이 쉬어짐.
이에 CO2가 혈액으로 들어감으로써 생기는 pH의 변화를 최소화 함.
중탄산염은 인체 내에서 가장 중요한 완충시스템으로 추정됨.
- 혈중 중탄산염 증가(중탄산염 섭취)는 운동수행능력을 향상시킴.
- 약산인 탄산과 관계됨.
CO2 + H2O ⟷ H2CO3 ⟷ H⁺ + HCO3⁻
산-염기 완충시스템
나트륨 완충제 섭취와 운동수행
중탄산염은 인체 내에서 중요한 완충시스템이며, 완충제 섭취는 운동수행능력을 향상시킴.
- 중탄산염과 구연산염
- 고강도 운동 시 탈진에 이르는 시간을 늦춤.
- 세포 외 완충능력 증가 및 수소이온과 젖산의 근육 밖 운반을 증가시킴.
- 근수축 과정 또는 ATP 합성에 대한 수소이온의 방해를 줄임.
- 중탄산염의 복용은 설사나 구토 등의 위장장애를 유발할 수 있음.
- 과다한 양의 완충제 섭취는 심각한 알칼리증을 유발하며, 건강에 유해함.
호흡계가 산-염기 평형에 미치는 영향
혈액 내 이산화탄소의 양↑⇒ 탄산의 양↑⇒ 혈액의 산 농도↑, pH↓
혈액 내 이산화탄소의 양↓⇒ 탄산의 양↓⇒ 혈액의 산 농도↓, pH↑
호흡계는 혈액 내 이산화탄소의 양을 조절함으로써 혈액의 pH농도를 빠르게 조절함.
신장은 중탄산염의 농도를 증가 또는 감소시킴으로써 수소이온의
농도를 조절함(체액의 수소이온 농도 증가 → 중탄산염의 배출 감소).
중탄산염이 농도조절에 관여하는 신장의 기전은 세관에서의 복잡한 반응과 세관벽을 통한 능동수송에 기인함.
신장은 장기적으로 산-염기 평형에 중요한 역할을 하지만 운동 중에 미치는 영향은 매우 적음.
