산염기불균형

체액의 산도는 수소 이온 농도의 음의 로그 값인 pH로 표현된다. 정상적인 동맥혈 pH는 7.35에서 7.45 사이의 매우 좁은 범위를 유지하며, 이는 생명 유지에 필수적인 효소 반응과 세포 기능에 적합한 환경을 제공한다. pH가 7.35 미만으로 떨어지면 산증이라 하고, 7.45를 초과하면 알칼리증이라 한다.

이러한 좁은 pH 범위를 유지하는 데 핵심적인 역할을 하는 것이 완충계이다. 완충계는 약산과 그 짝염기의 쌍으로 이루어져 있으며, 외부에서 강산이나 강염기가 첨가되어도 pH의 급격한 변화를 억제한다. 체내에서 가장 중요한 완충계는 탄산-중탄산염 완충계이다. 이는 다음의 화학 평형으로 설명된다.

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻

이 시스템은 호흡계와 신장에 의해 정밀하게 조절된다. 호흡계는 이산화탄소를 배출하여 CO₂ 농도를 조절하고, 신장은 중탄산염 이온을 재흡수하거나 배설하여 HCO₃⁻ 농도를 조절한다.

헤모글로빈은 적혈구 내에 존재하는 중요한 단백질 완충 물질이다. 헤모글로빈은 조직에서 이산화탄소를 운반하며 생성된 수소 이온을 결합시켜 pH 변화를 완화한다. 이러한 다중 완충 시스템의 협력적 작용 덕분에 체내 대사 과정에서 지속적으로 생성되는 산을 효과적으로 중화하고 안정적인 내부 환경을 유지할 수 있다.

신체는 호흡계와 신장이라는 두 가지 주요 기관을 통해 산염기 균형을 정밀하게 조절합니다. 이 두 시스템은 서로 보완적으로 작동하여 혈액 pH를 정상 범위(7.35-7.45) 내로 유지합니다.

호흡성 조절은 이산화탄소 농도를 조절하는 빠른 기전입니다. 폐는 호흡의 깊이와 속도를 변화시켜 CO2를 배출합니다. 호흡성 산증이 발생하면(CO2 증가), 호흡중추가 자극되어 호흡수가 증가하고 깊은 호흡을 유도하여 과다한 CO2를 제거합니다. 반대로 호흡성 알칼리증에서는(CO2 감소), 호흡이 억제되어 CO2를 보유하려 합니다. 이 조절은 수분에서 수시간 내에 효과를 발휘합니다.

대사성 조절은 주로 신장을 통해 이루어지는 느리지만 강력한 기전입니다. 신장은 중탄산염 이온의 재흡수와 생성을 조절하고, 수소 이온을 소변으로 배출합니다. 대사성 산증 시 신장은 중탄산염 재흡수를 증가시키고 암모니아를 생성하여 더 많은 수소 이온을 배설합니다. 대사성 알칼리증 시에는 중탄산염 배설을 증가시킵니다. 이 과정은 완전한 보상에 수시간에서 수일이 소요됩니다.

이 두 시스템의 관계는 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

일차적인 불균형이 발생하면 다른 시스템이 이를 보상하려 시도합니다. 예를 들어, 일차적인 대사성 산증은 호흡성 알칼리증(과호흡)으로 보상되며, 일차적인 호흡성 산증은 대사성 알칼리증(신장의 중탄산염 보유)으로 보상됩니다.

대사성 산증은 혈액 내 산이 과다하게 축적되거나 중탄산염이 과도하게 손실되어 혈액의 pH가 감소하는 상태이다. 이는 주로 신장이나 대사 과정의 이상으로 인해 발생하며, 호흡성 요인이 아닌 대사성 요인에 기인한다는 점에서 호흡성 산증과 구별된다.

대사성 산증은 일반적으로 음이온 간격의 크기에 따라 음이온 간격 증가성 대사성 산증과 정상 음이온 간격성(또는 고염소혈증성) 대사성 산증으로 분류된다. 주요 원인은 다음과 같다.

주요 증상으로는 과다 호흡(쿠스마울 호흡), 피로, 의식 저하, 메스꺼움 등이 나타난다. 심각한 경우 부정맥이나 심혈관계 쇠약을 초래할 수 있다. 진단은 동맥혈 가스 분석과 함께 혈청 전해질 검사를 통해 이루어지며, 음이온 간격과 델타 간격을 계산하여 원인을 추정하는 데 도움을 준다.

치료의 기본 원칙은 기저 원인을 교정하는 것이다. 예를 들어, 당뇨병성 케톤산증의 경우 인슐린과 수액 공급이, 젖산산증의 경우 산소 공급과 순환 개선이 우선이다. 중탄산염 보충은 심한 산증(pH < 7.1-7.2)이나 특정 원인(예: 신세뇨관산증, 삼환계 항우울제 중독)에서만 제한적으로 고려된다.

호흡성 산증은 폐를 통한 이산화탄소의 배출이 감소하여 혈액 내 탄산 농도가 증가하고, 결과적으로 혈액의 pH가 낮아지는 상태를 말한다. 이는 주로 폐의 환기 기능 장애로 인해 발생한다. 주요 원인으로는 만성폐쇄성폐질환, 기관지 천식의 심한 악화, 중추신경계 억제(약물 과다 복용, 뇌손상 등), 흉부 외상, 신경근육계 질환(예: 길랑-바레 증후군, 중증 근무력증) 등이 있다.

임상 증상은 기저 원인과 산증의 속도 및 중증도에 따라 다르다. 급성 호흡성 산증에서는 두통, 불안, 의식 저하, 심박동수 증가, 혈관 확장으로 인한 안면 홍조 등이 나타날 수 있다. 만성적으로 진행된 경우에는 상대적으로 증상이 경미할 수 있으나, 신체가 신장을 통한 중탄산염 보유 등의 방식으로 부분적으로 보상하려 하기 때문이다. 진단은 동맥혈 가스 분석을 통해 이루어지며, 특징적으로 이산화탄소 분압이 상승하고 pH가 감소한 소견을 보인다.

치료의 핵심은 기저 원인을 교정하여 폐 환기를 개선하는 것이다. 약물로 인한 호흡 억제가 원인이라면 해당 약물을 중단하거나 길항제를 투여하며, 기관지 확장제나 스테로이드를 사용하여 기도 폐쇄를 완화한다. 심각한 경우에는 기계 환기가 필요할 수 있다. 중탄산염 제제의 투여는 일반적으로 권장되지 않으며, 특히 만성 호흡성 산증에서는 오히려 이산화탄소 배출을 더욱 억제할 위험이 있다.

대사성 알칼리증은 혈액 내 중탄산염 농도가 일차적으로 증가하여 혈중 pH가 상승하는 상태이다. 이는 주로 위장관이나 신장을 통한 수소 이온의 과도한 손실, 또는 체내로의 중탄산염 과부하로 인해 발생한다. 주요 생리적 완충 기전인 탄산-중탄산염 완충계의 균형이 깨져, 중탄산염 대 탄산의 비율이 증가하게 된다.

원인은 크게 염소 반응성과 염소 비반응성으로 구분된다. 염소 반응성 대사성 알칼리증은 염소 결핍이 동반되는 경우로, 지속적인 구토나 위관 감압으로 인한 위산 손실이 가장 흔하다. 이 경우 소변 내 염소 농도는 20 mEq/L 미만으로 낮아진다. 반면, 염소 비반응성 대사성 알칼리증은 염소 결핍이 주원인이 아니며, 부종 상태나 부신 기능 항진과 관련이 있다. 대표적인 예로는 이뇨제의 장기 사용, 코르티코스테로이드 과다, 또는 저칼륨혈증 등이 있다.

임상적으로는 감각 이상, 근육 경련, 테타니, 그리고 저환기로 인한 이차적인 호흡성 산증이 동반될 수 있다. 진단은 동맥혈 가스 분석을 통해 pH와 중탄산염 농도를 확인하고, 혈청 전해질 검사와 소변 염소 농도 측정을 통해 원인을 구분하는 것이 필수적이다. 치료는 기저 원인을 교정하는 데 중점을 두며, 염소 반응성 유형의 경우 염화나트륨 수액을 공급하는 것이 효과적이다.

호흡성 알칼리증은 동맥혈의 이산화탄소 분압이 비정상적으로 낮아져 혈액 pH가 상승하는 상태이다. 이는 폐를 통한 이산화탄소의 과도한 배출로 인해 발생하며, 주된 원인은 과호흡이다. 과호흡은 불안, 공황 발작, 통증, 발열, 중추신경계 장애, 또는 고산지대에의 적응 과정에서 나타날 수 있다. 일부 약물(예: 살리실산염 중독 초기)이나 기계적 환기 설정이 과도할 경우에도 발생한다.

이 상태의 생리적 결과는 혈중 이산화탄소 농도 감소로 인한 호흡성 알칼리증 자체와, 이에 대한 신장의 보상 기전이다. 급성 호흡성 알칼리증에서는 신장의 보상이 충분히 이루어지지 않아 pH가 현저히 상승할 수 있다. 만성화되면 신장이 중탄산염의 재흡수를 줄이고 배설을 증가시켜 부분적으로 pH를 정상 범위에 가깝게 교정하려 시도한다.

임상 증상은 주로 저이산화탄소혈증과 관련된 뇌혈관 수축에 기인한다. 증상으로는 현기증, 감각 이상(주로 입주위와 사지), 시야 흐림, 근육 경련, 그리고 심한 경우 테타니가 포함된다. 과호흡 증후군은 불안과 호흡성 알칼리증이 서로를 악화시키는 순환을 보이는 대표적인 예이다.

진단은 동맥혈 가스 분석을 통해 확인되며, 특징적으로 PaCO2가 감소하고 pH가 증가한다. 치료의 핵심은 기저 원인을 해결하는 것이다. 과호흡이 주원인인 경우, 환자에게 호흡을 늦추고 안정을 취하도록 지도하거나, 재호흡법(예: 종이 봉지에 호흡)을 적용하여 호흡성 알칼리증을 완화할 수 있다.

산염기 불균형은 다양한 기저 질환과 병태생리적 과정의 중요한 징후로 작용한다. 주요 원인 질환은 불균형의 유형에 따라 구분된다.

대사성 산증은 신부전으로 인한 산 배설 장애, 당뇨병성 케톤산증과 같은 유기산 과잉 생산, 심한 설사로 인한 중탄산염 손실, 그리고 젖산중독 등에서 흔히 발생한다. 호흡성 산증은 만성폐쇄성폐질환, 기흉, 폐렴, 중추신경계 억제 또는 근육 약화로 인한 호흡부전이 주요 원인이다.

대사성 알칼리증은 지속적인 구토로 인한 위산 손실, 이뇨제 과용, 또는 코르티코스테로이드 과다 복용에 따른 저칼륨혈증이 흔한 원인이다. 호흡성 알칼리증은 주로 과호흡 증후군, 불안장애, 고산병, 또는 뇌졸중·뇌종양 등에 의한 중추신경계 자극에 의해 유발된다.

이러한 병태생리적 과정은 종종 서로 연결되어 있다. 예를 들어, 만성 호흡성 산증은 신장의 보상 기전으로 인해 이차적인 대사성 알칼리증을 동반할 수 있다. 또한, 패혈증과 같은 중증 질환은 조직 관류 부전으로 인한 젖산중독과 함께 호흡 부전을 유발하여 혼합성 산증을 일으킬 수 있다. 따라서 산염기 불균형을 평가할 때는 단일 수치보다는 이러한 복합적인 병태생리적 맥락을 고려하는 것이 중요하다.

산염기불균형을 유발하거나 악화시킬 수 있는 약물 및 영양 요인은 다양하다. 약물의 경우, 이뇨제는 중요한 원인으로 작용한다. 루프 이뇨제와 티아지드계 이뇨제는 칼륨과 염소의 배설을 촉진하여 저칼륨혈증과 저염소혈증을 동반한 대사성 알칼리증을 초래할 수 있다. 반면, 탄산탈수효소효소 억제제는 중탄산염 배설을 증가시켜 대사성 산증을 유발할 수 있다. 아스피린 과량 복용은 대사성 산증과 호흡성 알칼리증이 혼합된 복잡한 불균형을 일으키는 대표적인 원인이다. 또한, 항바이러스제나 항생제 일부는 신세뇨관산증을 유발할 수 있다.

영양 요인은 주로 대사성 산증과 관련이 깊다. 고단백질 식이는 황을 함유한 아미노산의 대사로 인해 비휘발성 산의 생성을 증가시킨다. 특히 신장 기능이 저하된 상태에서는 이 산 부하를 충분히 배설하지 못해 산증이 발생할 위험이 높아진다. 장기간의 금식이나 극심한 저탄수화물 식이는 케톤체 생성을 촉진하여 케톤산증을 유발할 수 있다. 알코올 중독은 젖산산증과 케톤산증의 원인이 될 수 있다.

전해질 섭취 불균형도 영향을 미친다. 칼륨이나 마그네슘의 심한 결핍은 신세뇨관에서의 수소 이온 배설 장애를 일으켜 대사성 알칼리증을 초래할 수 있다. 반대로, 염화물 섭취 부족(예: 염분 제한 식이)은 염소-반응성 대사성 알칼리증의 원인이 된다. 일부 건강 보조제, 특히 알칼리성 물질(예: 중탄산나트륨)의 과도한 섭취는 대사성 알칼리증을 유발할 수 있다.

동맥혈 가스 분석은 산염기불균형의 존재 유무, 유형 및 중증도를 평가하는 핵심 검사이다. 이 검사는 동맥혈에서 직접 채취한 혈액 샘플을 분석하여 pH, 이산화탄소 분압, 중탄산염 농도 등 주요 지표를 정량적으로 측정한다. 검사 결과는 호흡성 요소와 대사성 요소를 구분하여 불균형의 근본 원인을 파악하는 데 결정적인 정보를 제공한다.

주요 측정 항목과 그 임상적 의미는 다음과 같다.

결과 해석은 체계적인 접근이 필요하다. 먼저 pH를 확인하여 산증 또는 알칼리증 상태를 판단한다. 다음으로 PaCO₂를 살펴 호흡성 기전의 기여도를 평가하고, HCO₃⁻를 통해 대사성 기전의 기여도를 평가한다. 예를 들어, pH가 낮은 산증 상태에서 PaCO₂가 높다면 이는 주로 호흡성 산증임을 나타낸다. 만약 동시에 HCO₃⁻도 높게 측정된다면, 이는 신장이 호흡성 산증에 보상적으로 반응하여 중탄산염을 보유하고 있음을 의미하는 이차적 변화일 수 있다[1]. 분석 시에는 산소 분압과 포화도도 함께 평가되어 환자의 산소화 상태에 대한 정보를 제공한다.

혈청 전해질 및 갭 계산은 동맥혈 가스 분석 결과를 해석하고 산염기 불균형의 원인을 구체적으로 규명하는 데 필수적인 단계이다. 주요 측정 항목으로는 나트륨, 칼륨, 염화물, 중탄산염 농도가 포함된다. 이들 수치는 신장의 산 배설 기능, 세포 내외 이온 분포, 그리고 삼투압 균형을 평가하는 데 중요한 정보를 제공한다.

산염기 불균형의 원인을 분류하는 데 가장 널리 사용되는 도구는 음이온 갭 계산이다. 음이온 갭은 측정된 주요 양이온(나트륨)과 주요 음이온(염화물 및 중탄산염)의 차이로 계산된다. 정상 범위는 대개 8-12 mEq/L 정도이다. 높은 음이온 갭은 측정되지 않은 음이온(예: 젖산, 케톤체, 요산, 독성 물질)이 혈중에 축적되었음을 시사하며, 이는 주로 대사성 산증의 원인을 규명하는 데 사용된다.

델타 갭과 같은 추가 계산은 혼합된 산염기 장애의 존재를 확인하는 데 도움을 준다. 예를 들어, 높은 음이온 갭 대사성 산증과 정상 음이온 갭 대사성 산증 또는 대사성 알칼리증이 동시에 존재할 수 있다. 또한, 칼륨 수치는 세포 내 산 상태와 신장의 암모니아 생성 능력을 간접적으로 반영할 수 있어 중요한 평가 지표가 된다.

응급 상황에서 산염기불균형을 교정하는 첫 번째 원칙은 기저 원인을 신속히 해결하는 것이다. 교정 방법은 불균형의 유형과 중증도, 환자의 임상 상태에 따라 달라진다.

호흡성 산증의 경우, 주된 목표는 폐의 이산화탄소 배출을 개선하는 것이다. 이는 기도 확보, 기관내삽관 및 기계환기를 통한 산소 공급, 또는 기관지확장제 투여 등으로 달성할 수 있다. 호흡성 알칼리증에서는 과호흡을 유발하는 원인(통증, 불안, 뇌 손상 등)을 치료하며, 경우에 따라 종이백 호흡이 일시적으로 도움이 될 수 있다.

대사성 산증의 응급 처치는 그 원인에 좌우된다. 젖산산증이나 당뇨병성 케톤산증과 같은 경우에는 수액 공급과 인슐린 치료로 기저 대사 장애를 교정하는 것이 우선이다. 중증의 대사성 산증(pH < 7.1)에서 중탄산염 정맥 주사는 심한 산혈증의 심혈관계 억제 효과를 일시적으로 완화하기 위해 고려될 수 있으나, 과도한 사용은 파라독스성 뇌척수액 산증이나 저칼륨혈증을 유발할 위험이 있다. 대사성 알칼리증의 치료는 일반적으로 염화나트륨 또는 염화칼륨 용액을 통한 염소 보충과 함께 칼륨 수치를 정상화하는 데 초점을 맞춘다.

모든 교정 조치는 신속하지만 점진적으로 이루어져야 하며, 지나치게 빠른 정상화는 삼투성 탈수수초증후군이나 부정맥과 같은 합병증을 초래할 수 있다. 지속적인 동맥혈 가스 분석과 전해질 모니터링이 필수적이다.

기저 원인 치료는 산염기불균형을 교정하는 가장 근본적이고 중요한 접근법이다. 단순히 pH 수치를 정상화시키는 대증 요법은 일시적인 효과만 있을 뿐, 근본적인 병리 생리를 해결하지 못하면 불균형이 재발하거나 악화될 수 있다. 따라서 정확한 원인 진단이 선행되어야 하며, 각 불균형 유형에 따라 표적 치료가 이루어진다.

대사성 산증의 경우, 당뇨병성 케톤산증이라면 인슐린 투여와 수액 공급이, 유산산증이라면 조직 관류 개선이나 독소 제거가, 신부전으로 인한 것이라면 투석이 기저 원인 치료에 해당한다. 호흡성 산증은 기도 폐쇄 해소, 폐렴 치료, 만성폐쇄성폐질환 악화 시 기관지 확장제 투여, 또는 중추성 무호흡에 대한 적절한 호흡 보조가 핵심이다.

대사성 알칼리증은 주로 구토나 위관 감압으로 인한 염산 손실, 또는 이뇨제 과용으로 인한 경우가 많다. 따라서 구토를 유발하는 원인 질환(예: 장폐색)을 치료하거나, 이뇨제를 중단하고 염화칼륨 보충을 통해 정상 염화물 상태를 회복시키는 것이 치료의 근간이다. 호흡성 알칼리증은 주로 과호흡을 유발하는 불안, 통증, 패혈증, 뇌병변 등을 치료하는 데 초점을 맞춘다.

치료 과정에서는 지속적인 모니터링이 필수적이다. 동맥혈 가스 분석과 혈청 전해질 검사를 반복하여 치료 반응을 평가하고, 과도한 교정으로 인한 반대 방향의 불균형(예: 산증을 과도하게 치료하여 알칼리증이 발생하는 경우)을 예방해야 한다.

식품이 체내에 미치는 산-염기 부하 잠재력은 해당 식품이 신진대사되고 최종적으로 배설될 때 남기는 잔여물의 화학적 성질에 의해 결정된다. 이는 식품 자체의 pH와 직접적으로 연관되지 않는다. 예를 들어, 레몬은 산성 식품이지만 체내에서 알칼리성 잔여물을 남기는 대표적인 알칼리성 식품으로 분류된다. 일반적으로 과일, 채소, 콩류는 체내에서 알칼리 잠재력을 가지는 반면, 곡류, 육류, 가금류, 생선, 달걀, 치즈는 산 잠재력을 가진다.

일반적인 서양식 식단은 고단백질, 고곡류 식품이 많아 상대적으로 산 부하가 높은 경향이 있다. 장기간 높은 산 부하 식단을 유지하면 신장에 산 배설 부담을 주고, 뼈의 완충제 역할을 위한 칼슘 동원을 촉진할 수 있다는 연구 결과가 있다[4]. 반면, 과일과 채소가 풍부한 식단은 알칼리 잠재력을 제공하여 체내 산염기 평형 유지에 도움을 줄 수 있다.

임상적으로 심한 대사성 산증이나 대사성 알칼리증을 식이 조절만으로 교정하는 것은 불가능하며, 반드시 의학적 치료가 필요하다. 그러나 건강한 개인이나 경미한 불균형이 우려되는 경우, 식단 내 알칼리성 식품의 비율을 높이는 것은 체내 완충 체계를 지원하는 보조적 수단이 될 수 있다. 이는 특히 신장 기능이 저하된 환자나 골건강에 관심이 많은 경우 고려해볼 수 있는 영양 전략이다.

체액 내 전해질 농도는 산염기불균형의 발생과 교정에 직접적인 영향을 미친다. 특히 나트륨, 칼륨, 염소, 중탄산염 이온의 균형은 pH 조절의 핵심 요소이다. 예를 들어, 저칼륨혈증은 신장에서 수소 이온의 배설을 증가시켜 대사성 알칼리증을 유발할 수 있다. 반대로, 고염소혈증은 정상 음이온 갭 대사성 산증의 일반적인 원인이 된다. 따라서 혈청 전해질 수치를 정상 범위 내로 유지하는 것은 불균형을 예방하고 치료하는 데 필수적이다.

적절한 수분 공급은 전해질 농도를 희석하거나 농축시켜 간접적으로 산염기 상태에 영향을 준다. 탈수는 혈액을 농축시켜 대사성 산증을 악화시킬 수 있으며, 반대로 과도한 수분 공급은 전해질을 희석시켜 불균형을 초래할 수 있다. 임상적으로는 환자의 상태에 따라 구강 또는 정맥을 통한 수분 보충이 이루어지며, 이때 공급되는 수액의 종류(예: 정상 식염수, 링거액)에 포함된 전해질 구성이 산염기 균형에 중요한 변수로 작용한다.

영양학적 관리 측면에서는 다음 표와 같이 전해질 균형에 기여하는 주요 식품 원천을 고려할 수 있다.

전반적으로, 산염기불균형의 관리에는 기저 원인 치료와 병행하여 개별화된 전해질 보충 및 수분 관리 전략이 필요하다. 이는 혈액 가스 분석 수치와 함께 정기적인 혈청 전해질 검사를 모니터링하여 조정된다.