콩팥과 체액

180 L를 걸러 1.5 L를 버린다

콩팥의 일을 하는 단위는 네프론(Nephron)이다. 콩팥 하나에 약 100만 개가 있다. 네프론은 피를 거르는 작은 체와 그 뒤로 길게 이어진 관으로 되어 있다. 체는 모세혈관이 실타래처럼 뭉친 사구체(Glomerulus)와 그것을 감싼 주머니(보먼 주머니)이고, 관은 세관(Tubule)이다. 사구체에서 혈구와 단백질을 뺀 혈장이 세관으로 밀려 나오고, 세관을 따라 내려가면서 쓸모 있는 것이 다시 피로 돌아간다.

아래 지도에서 액체가 네프론을 따라 흐르는 모습을 보자. 점의 개수와 관의 굵기가 그 구간을 지나는 하루치 양이다. 구간을 누르면 거기서 무엇을 되찾는지가 나온다. 오른쪽 "항이뇨 호르몬" 단추를 바꾸면 마지막 집합관에서 되찾는 물의 양이 달라진다.

네프론의 일은 앞에서 대부분 끝난다. 근위 세관이 약 65 %, 헨레 고리가 약 20 %를 되찾고, 원위 세관과 집합관은 마지막 몇 %만 다룬다. 그런데 몸의 상태에 따라 조절되는 것은 바로 이 마지막 몇 %다. 180 L의 1 %는 1.8 L, 하루 소변 전체와 맞먹는다. 꼬리가 몸통을 흔드는 셈이다.

사구체 여과: 압력의 줄다리기

사구체의 벽은 아주 얇고 구멍이 많아서 물과 작은 분자(포도당, 소금, 요소)는 쉽게 지나가고 혈구와 알부민 같은 큰 단백질은 지나가지 못한다. 무엇이 액체를 밀어내는가? 심장이 만든 혈압이다. 사구체 모세혈관의 압력은 약 55 mmHg로 몸의 다른 모세혈관(약 25 mmHg)보다 훨씬 높다. 사구체가 두 개의 세동맥 사이에 끼어 있기 때문이다. 들어가는 들세동맥(Afferent arteriole)과 나가는 날세동맥(Efferent arteriole)이 둘 다 저항이어서, 그 사이의 압력을 위아래로 조절할 수 있다.

밀어내는 힘에 맞서는 힘도 둘 있다. 보먼 주머니 안에 이미 찬 액체의 압력(약 15 mmHg)과, 혈관 안에 남은 단백질이 물을 붙잡는 교질 삼투압(Oncotic pressure)(들어갈 때 약 25 mmHg, 여과가 진행될수록 단백질이 진해져 높아진다)이다. 이 힘들의 차이가 순여과압(Net filtration pressure)이고, 여기에 여과막의 넓이와 투과성(여과 계수)을 곱한 것이 사구체 여과율(Glomerular filtration rate, GFR)이다.

아래 그림에서 두 세동맥의 벽 위에 있는 손잡이를 위아래로 끌어 혈관을 좁히거나 넓혀 보자. 오른쪽 막대는 밀어내는 힘과 막는 힘의 줄다리기다.

두 세동맥은 반대 방향으로 일한다. 들세동맥을 좁히면 압력과 혈류가 함께 줄고, 날세동맥을 좁히면 혈류는 줄어도 압력과 여과율은 오른다. 혈압이 떨어지거나 피를 잃었을 때 몸이 내는 호르몬인 안지오텐신 II(Angiotensin II)는 날세동맥을 더 강하게 좁혀서, 콩팥으로 가는 피를 아끼면서도 여과는 지킨다. 반대로 교감 신경이 아주 강할 때(큰 출혈, 극한 운동)는 들세동맥까지 좁혀 콩팥 혈류를 근육과 심장 쪽으로 돌린다.

혈압이 바뀌어도 여과율은 거의 그대로

혈압은 하루에도 수십 mmHg씩 오르내린다. 계단을 오르면 오르고, 잠들면 내린다. 여과율이 혈압을 그대로 따라간다면 소변량이 시시각각 출렁이고 소금과 물을 잃었다가 쌓았다가 할 것이다. 콩팥은 이것을 스스로 막는다. 혈압이 오르면 들세동맥 벽의 근육이 늘어나는 것을 느끼고 수축한다(근원성 반응(Myogenic response)). 또 여과가 늘어 원위 세관에 소금이 많이 오면, 그 자리(치밀반)가 신호를 보내 들세동맥을 좁힌다(세관-사구체 되먹임(Tubuloglomerular feedback)). 둘을 합쳐 자동 조절(Autoregulation)이라 한다.

아래에서 평균 동맥압을 끌어 60에서 200 mmHg까지 움직여 보자. "자동 조절"을 끄면 무슨 일이 생기는지도 본다.

평평한 구간이 무한하지는 않다. 평균 동맥압이 약 80 mmHg 아래로 떨어지면 들세동맥을 아무리 넓혀도 압력이 모자라고, 약 70 mmHg 아래에서는 여과가 거의 멈춘다. 큰 출혈이나 쇼크 때 콩팥이 가장 먼저 다치는 장기 가운데 하나인 이유다. 반대로 오랜 고혈압은 이 조절 장치를 계속 일하게 해 세동맥 벽을 두껍게 만든다.

청소율: 1분에 혈장 몇 mL를 깨끗이 하는가

콩팥이 일을 얼마나 잘하는지 어떻게 잴까? 콩팥을 꺼내 볼 수는 없으니 피와 소변만 보고 알아내야 한다. 이때 쓰는 개념이 청소율(Clearance)이다. 어떤 물질을 소변으로 1분에 버린 양을, 혈장 몇 mL에 들어 있던 양으로 바꿔 말한 것이다. "1분에 혈장 125 mL를 이 물질로부터 완전히 깨끗하게 했다"는 식이다.

물질마다 콩팥이 다루는 방식이 다르므로 청소율도 다르다. 걸러지기만 하고 되찾지도 더 내보내지도 않는 물질(식물에서 얻는 당인 이눌린(Inulin))의 청소율은 정확히 여과율과 같다. 걸러진 뒤 세관이 더 퍼내는 물질(PAH)은 콩팥을 지나는 혈장을 거의 전부 청소하므로 콩팥 혈장 흐름을 잰다. 다 되찾는 포도당의 청소율은 0이다.

실제 진료에서는 이눌린을 주사하는 대신 근육이 날마다 거의 일정하게 만드는 노폐물인 크레아티닌(Creatinine)을 쓴다. 피의 크레아티닌 농도에 나이와 성별을 넣은 식으로 여과율을 어림한 값이 검진표의 eGFR(estimated GFR)이다. 크레아티닌은 세관이 조금 더 내보내서 청소율이 실제 여과율보다 약 10~20 % 높게 나오고, 근육이 많은 사람은 혈중 농도가 높게 나온다. 그래서 eGFR은 "어림값"이다.

eGFR이 60 mL/min/1.73 m² 아래로 3개월 넘게 머물면 만성 콩팥병으로 분류하는 것이 흔한 기준이다(기준은 학회·시기에 따라 다르다). 위 시뮬레이터의 쌍곡선이 보여 주듯 크레아티닌은 여과율이 꽤 떨어질 때까지 정상 범위에 머문다. 그래서 소변 단백(알부민)도 함께 본다.

이 장의 수치와 시뮬레이터는 원리를 보여 주기 위한 교육용 모델입니다. 붓기, 소변량이나 색의 큰 변화, 거품뇨 같은 증상이 있거나 검사 수치가 걱정되면 의료진과 상담하세요.

되찾기에는 한계가 있다: 포도당

걸러진 포도당은 근위 세관 벽의 운반체가 나트륨과 함께 끌어당겨 거의 전부 되찾는다. 그러나 운반체의 수는 정해져 있다. 1분에 되찾을 수 있는 최대량을 최대 수송량(Transport maximum, Tm)이라 하고, 포도당은 약 375 mg/min이다. 여과되는 포도당은 \(GFR \times\) 혈당이므로, 혈당이 오르면 언젠가 운반체가 모두 차서 넘친 포도당이 소변으로 나간다. 당뇨병(diabetes mellitus)이라는 이름의 "꿀처럼 단 소변"이 이것이다(15장).

아래 그래프에서 혈당을 끌어 올려 보자. 오른쪽 위 그림은 세관 벽의 운반체가 얼마나 찼는지를 보여 준다.

여과량이 Tm에 가까워지기 전부터 조금씩 새는 이유는 네프론마다 운반체 수가 다르기 때문이다. 약한 네프론부터 먼저 넘친다. 그래서 정상 콩팥에서 포도당이 소변으로 나오기 시작하는 혈당, 즉 신장 역치(Renal threshold)는 약 180~200 mg/dL이다. 포도당뿐 아니라 아미노산, 인산, 중탄산도 같은 방식으로 Tm을 가진다.

진한 소변을 만드는 장치: 역류 증폭

몸의 액체는 약 290 mOsm/kg이다. 그런데 사람의 소변은 최대 약 1,200 mOsm/kg, 혈장의 네 배까지 진해질 수 있다. 물을 아끼려면 소변을 진하게 만들어야 하고, 그러려면 세관 밖에 소변보다 더 진한 곳이 있어야 물이 빠져나간다. 그 진한 곳이 콩팥 속질이고, 그것을 만드는 것이 머리핀처럼 꺾인 헨레 고리다.

원리는 이렇다. 올라오는 다리(상행각)는 물을 통과시키지 않으면서 소금을 바깥으로 퍼낸다. 한 높이에서 만들 수 있는 차이는 약 200 mOsm/kg뿐이다. 내려가는 다리(하행각)는 물이 잘 빠져 주변과 같은 농도가 된다. 액체가 고리를 따라 계속 흐르면, 내려가며 진해진 액체가 바닥을 돌아 올라오고, 올라오며 또 소금을 퍼내 아래쪽을 더 진하게 만든다. 작은 차이가 흐름을 따라 겹겹이 쌓여 큰 차이가 된다. 이것이 역류 증폭(Countercurrent multiplication)이다.

속질에 이 기울기가 있으면, 집합관이 속질을 지나 내려가는 동안 물이 빠져나가 소변이 바닥 농도까지 진해질 수 있다. 다만 물이 빠지려면 집합관 벽에 물길이 열려 있어야 한다. 그 물길을 여는 것이 다음 절의 항이뇨 호르몬이다. 속질의 혈관(곧은 혈관)도 같은 머리핀 모양이라 이 기울기를 씻어 내지 않고 산소만 대 준다.

항이뇨 호르몬과 갈증

뇌의 시상하부에는 혈장 삼투압을 재는 세포가 있다. 삼투압이 약 285 mOsm/kg을 넘으면 뇌하수체 뒤엽에서 항이뇨 호르몬(Antidiuretic hormone, ADH; 바소프레신)이 나온다. ADH는 집합관 세포의 벽에 물길 단백질(아쿠아포린)을 꽂아 넣는다. 물길이 열리면 소변의 물이 진한 속질로 빠져나가 소변이 진하고 적어진다. 삼투압이 약 295를 넘으면 목마름이 더해진다. 콩팥은 물을 아낄 수만 있고, 잃은 물을 채우는 것은 마시는 일이다.

ADH는 삼투압에 아주 예민하다. 삼투압이 1 % 남짓(3 mOsm/kg)만 바뀌어도 소변 농도가 크게 달라진다. 혈액량이 10 % 넘게 줄면(출혈, 심한 땀) 삼투압과 상관없이 ADH가 크게 늘어난다. 아래 그래프의 점을 끌어 보자.

이제 이 조절을 시간 속에서 보자. 물 1 L를 한 번에 마시면 장에서 물이 흡수되며 혈장이 조금 묽어지고, ADH가 줄고, 소변이 늘어 남는 물을 내보낸다. 땀을 흘리면 반대로 ADH가 늘어 소변이 준다.

물 1 L를 마셨을 때 소변이 곧바로 늘지 않고 한 시간쯤 늦게 봉우리를 그리는 이유는 두 가지다. 장에서 흡수되는 데 시간이 걸리고, 이미 나와 있는 ADH가 피에서 사라지는 데(반감기 약 15분) 시간이 걸린다. 콩팥이 내보낼 수 있는 물에도 한계가 있다. 가장 묽은 소변(약 50 mOsm/kg)으로 하루치 용질을 모두 내보내도 1분에 약 12~16 mL, 한 시간에 1 L 남짓이 최대다. 이 숫자는 이 장 끝의 경고에서 다시 나온다.

체액 구획: 물은 어디에 있는가

몸무게의 약 60 %가 물이다(남성 기준, 지방이 많을수록 낮다). 다온(78 kg)이면 약 47 L다. 이 물의 3분의 2는 세포 안(세포 내액(Intracellular fluid, ICF)), 3분의 1은 세포 밖(세포 외액(Extracellular fluid, ECF))에 있다. 세포 외액의 약 4분의 1이 혈관 속 혈장이고 나머지는 세포 사이를 채운 사이질액이다.

무엇을 더하고 빼느냐에 따라 물이 움직이는 방향이 다르다. 맹물은 삼투압을 낮추므로 세 구획에 고루 퍼지고, 그중 3분의 2가 세포 안으로 들어간다. 식염수(혈장과 삼투압이 같은 소금물)는 소금이 세포 밖에 머무르므로 세포 외액만 늘린다. 땀은 혈장보다 묽은 소금물이라 물을 더 많이 잃고, 남은 체액이 진해진다. 아래에서 직접 넣고 빼 보자.

세포가 붓는 것이 왜 문제일까? 대부분의 세포는 조금 붓더라도 견디지만, 뇌는 단단한 머리뼈 안에 있어 부을 공간이 없다. 혈장 나트륨이 135 mmol/L 아래로 떨어진 상태를 저나트륨혈증(Hyponatremia)이라 하고, 빠르게 떨어질수록 두통, 구역, 혼란, 심하면 경련과 의식 저하가 온다. 세포의 부피와 삼투압은 3장에서 다뤘다.

다온의 콩팥: 대회 날의 물

다온의 검진표에서 혈청 크레아티닌은 0.8 mg/dL, 이것을 34세 남성 식에 넣은 eGFR은 약 120 mL/min/1.73 m²다. 콩팥이 1분에 혈장 약 120 mL를 거른다는 뜻이고, 하루로 치면 170 L가 넘는다. 정상 범위다.

대회 날에는 무슨 일이 생길까. 24 °C, 습도 60 %에서 약 58분을 달리면 땀으로 약 0.6 L를 잃는다(19장의 체온 모델로 계산한 값). 아래 화면은 출발 30분 전부터 결승 뒤 3시간 남짓까지 다온의 체액을 환자 모니터처럼 보여 준다. 날씨와 마시는 물의 양을 바꿔 보자.

위의 실험에서 보듯 콩팥은 한쪽 방향(물 아끼기)에서는 아주 효율적이지만, 반대 방향(물 내보내기)에서는 한계가 있다. 땀을 흘리면 ADH와 목마름이 함께 움직여 잃은 물을 메우지만, 억지로 많이 마시면 그 장치가 따라가지 못한다. 대회 뒤 몸무게를 재어 줄어든 1 kg마다 물 1~1.5 L를 몇 시간에 걸쳐 나눠 마시는 것이 흔히 권하는 방식이다.