[교과서 읽기] 생체 내 완충 작용
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교과서는 생각보다 많은 이들의 노력과 까다로운 기준을 바탕으로 만들어진다. 사용해야 하는 용어부터, 교육과정 위계, 성취기준, 적합한 탐구활동까지 세심하게 고려하여 만들어진다. 집필을 총괄하는 교수님과 집필진 선생님들, 검토위원들의 많은 고민과 디테일한 관심에 몇 단계로 수정되고, 최종 결정된다.
교과서는 학생들을 대상으로 쓰인 책이지만, 학생들의 공부 과정에서 쉽게 외면받는 것도 사실이다. 줄글 형태로 맥락을 파악하며 읽어야 하는 교과서보다 주요 내용이 간결하게 요약된 자습서가 공부하기 좋다고 생각한다. 오히려 반대인데 말이다. 스스로 공부하는 과정에는 개념 간 맥락이 중요하고, 공부를 마무리할 때는 자신이 이해한 방식으로 교과서 맥락을 살려 요약해 보는 것이 중요하다.
학생들이 생체 내 완충 용액을 주제로 보고서를 제출하기 위해 이런저런 자료를 찾아 헤메이곤 하는데, 사실 교과서에 아주 잘 정리되어 있다. 교과서 본문을 자기 용어로 바꾸어 표현하여 전체적인 배경을 만든 뒤, 검색을 통해 얻은 참고 자료들을 덧붙이는 방식이 보고서의 질을 높여줄 것이라 기대한다.
이전 학교에서 사용하던 천재교육 화학2 교과서를 비롯해 교학사, 지학사 본문들을 연속해서 읽다보면, 생체 내 완충 작용에 주요 키워드들과 대략적인 내용이 저절로 남을 듯하다. 잘 정리된 교과서의 본문을 옮겨 본다.
[교과서 옮기기] 생체 내 완충 용액 (천재교육, 화학2(2015), 122-124p)
우리 몸의 체액은 종류에 따라 pH가 조금씩 다르지만 몸 전체를 순환하는 혈액은 pH가 7.4 정도로 거의 일정하게 유지된다. 산성이나 염기성을 띠는 음식을 섭취하거나 몸속에서 산이나 염기가 생성되어도 혈액의 pH는 크게 변하지 않는다. 혈액의 pH는 어떻게 일정하게 유지되는 것일까?
생체 내에서 일어나는 화학 반응에는 대부분 효소가 관여한다. 일반적으로 효소는 단백질로 이루어져 있고, 단백질은 pH 변화에 따라 쉽게 변형되기 때문에 효소의 기능은 pH 변화에 민감하다. 따라서 우리 몸의 pH를 일정하게 유지하는 것은 매우 중요하다.
혈액은 우리 몸의 pH를 유지하는 데 가장 큰 역할을 하는 완충 용액이다. 혈액의 pH는 7.4 정도이며, 다양한 화학 물질로 유지되는데, 탄산(H2CO3) 탄산수소 이온(HCO3-)으로 나타나는 완충 작용이 가장 중요하다. H2CO3는 혈액에 CO2가 녹아 생성되며, 혈액 속에서 약산인 H2CO3과 H2CO3의 짝염기인 HCO3-은 평형을 이룬다.
운동으로 생긴 젖산이나 몸의 이상 등과 같이 여러 가지 이유로 혈액의 H3O+ 농도가 증가하면 반응 (2)에서 평형이 역반응 쪽으로 이동하여 H2CO3이 생성된다.
H2CO3의 농도가 증가하면 반응 (1)에서 평형이 역반응 쪽으로 이동하여 H2CO3이 CO2와 물로 분해된다. 이렇게 생성된 CO2는 호흡으로 몸 밖으로 배출된다. 그 결과 증가한 H3O+이 없어지므로 혈액의 pH는 일정하게 유지된다.
혈액 속에 존재하는 양이 많지 않아 그 효과는 크지 않지만 인산이수소 이온(H2PO4-)과 인산수소 이온(HPO42-)의 완충 작용도 혈액의 pH 조절에 영향을 미친다.
혈액 속 H3O+의 농도가 증가하면 역반응 쪽으로 평형이 이동하여 증가한 H3O+를 없애므로 pH 변화를 막는다. 반대로 H3O+ 농도가 감소하면 정반응 쪽으로 평형이 이동하여 다시 H3O+ 농도를 증가시켜 pH 변화를 막는다.
이렇게 우리 몸의 pH는 다양한 완충 작용으로 조절된다. 우리 몸의 pH가 적절히 조절되지 않으면 생명을 유지하는 데 필요한 화학반응들이 일어나지 않아 질병에 걸리거나 목숨을 잃을 수도 있다. 따라서 생체 내 완충 용액은 생명을 유지하는 데 없어서는 안 될 중요한 장치이다.
[교과서 옮기기] 생체 내에서의 완충 작용 (교학사, 화학2(2015), 123p)
사람의 체액은 종류에 따라 각각의 pH를 유지한다. 이때 pH는 헤모글로빈이 운반하는 산소의 양과 세포 속에 있는 효소의 작용에 크게 영향을 미친다. pH가 적정 범위 밖으로 변하게 되면 효소 기능이 억제되고 정상적인 세포의 기능이 손상되므로 pH를 일정하게 유지하는 것은 매우 중요하다. 혈액의 완충 작용에 가장 중요한 물질은 탄산수소 이온(HCO3-)이다. 이것은 혈액 속에 생성된 산과 반응해서 탄산(H2CO3)을 만든다. 혈액 속의 H2CO3은 다음과 같이 이산화 탄소(CO2)와 평형을 이룬다.
한편, H2CO3은 HCO3-과 평형을 이룬다.
심한 운동으로 젖산이 생성되면, 젖산의 H+이 혈액 속에 녹아 들어가서 HCO3-과 반응하여 약산인 H2CO3을 생성한다. 이 과정에서 혈액의 H+ 농도가 일정하게 유지되므로 혈액의 pH는 거의 변하지 않는다. 몸속에서 생성되는 CO2의 95 %는 HCO3- 형태로 혈액에 녹아 있다. 이외에도 혈액 속에 녹아 있는 인산이수소 이온(H2PO4-)과 인산수소 이온(HPO42-)으로 이루어진 완충 용액 등의 완충 작용에 의해 혈액의 pH는 거의 일정하게 유지된다. H2PO4-과 HPO42-은 혈액 속에서 다음과 같이 평형을 이루면서 완충 작용을 한다.
[교과서 옮기기] 생체 내 완충 작용 (지학사, 화학2(2015), 117p)
만약 혈액의 pH가 7.4보다 커지거나 작아지면 인체에 치명적일 수도 있는데, 혈액의 pH가 급격히 변하는 것을 방지하기 위한 완충 체계가 존재한다. 사람의 혈액은 대표적인 완충 용액인데, 음식물의 섭취나 생체 내의 작용으로 H+이나 OH-의 농도가 변하는 상황에서도 pH를 7.4 정도로 유지할 수 있다. 사람의 혈액은 어떻게 pH를 일정하게 유지할 수 있을까?
혈액은 여러 가지 완충 용액에 의해 산, 염기에 의한 pH 변화를 줄이는 완충 작용이 일어난다. 즉 혈액은 탄산(H2CO3)과 탄산수소 이온(HCO3-)의 완충 용액, 인산이수소 이온(H2PO4-)과 인산수소 이온(HPO42-)으로 완충 용액, 헤모글로빈 등에 의한 단백질 완충 작용에 의해 pH가 일정하게 유지된다.
H2CO3은 혈액에 이산화 탄소(CO2)가 녹아 생성되며, H2CO3의 짝염기는 HCO3- 이다. H2CO3과 그 짝염기인 HCO3-의 완충 용액은 수용액에서 다음과 같은 평형을 이루고 있다.
이 용액에 산이 첨가되면 산이 내놓는 H+이 HCO3-과 반응하여 H2CO3이 생성되므로 pH가 거의 일정하게 유지된다.
반대로 염기가 첨가되면 염기가 내놓는 OH-과 H2CO3이 중화 반응을 하므로 이때에도 pH가 거의 일정하게 유지된다.
그림 II-15는 혈액에 들어 있는 H2CO3과 그 짝염기인 HCO3-으로 만들어진 완충 용액이 산성과 염기성 물질을 어떻게 중화시키는지 보여 주고 있다.
