В кислоты базовой физиологии , то диаграмма , Дэвенпорт представляет собой графический инструмент, разработанный Horace W. Davenport , который позволяет клиницист или исследователем , чтобы описать крови бикарбонат концентрации и крови рН ниже дыхательной и / или метаболического кислотно-основного нарушения. Диаграмма отображает трехмерный поверхность , описывающую все возможные состояния химического равновесия между газообразным диоксидом углерода , водным раствором бикарбонатом и водными протонами в физиологически сложный интерфейсе из альвеол этих легких и альвеолярных капилляров. Хотя поверхность, представленная на диаграмме, определяется экспериментально, диаграмма Дэвенпорта в первую очередь является концептуальным инструментом, позволяющим исследователю представить себе влияние физиологических изменений на кислотно-щелочной химический состав крови. Диаграмма Давенпорта редко используется в клинических условиях.
Вывод [ править ]
Когда образец крови подвергается воздействию воздуха в альвеолах легких или в лабораторных экспериментах in vitro , двуокись углерода в воздухе быстро приходит в равновесие с производными двуокиси углерода и другими веществами в водном растворе. На рисунке 1 показаны наиболее важные равновесные реакции углекислого газа в крови, имеющие отношение к кислотно-щелочной физиологии:
Обратите внимание, что в этом уравнении буферная система HB / B представляет все небикарбонатные буферы, присутствующие в крови, такие как гемоглобин в его различных протонированных и депротонированных состояниях. Поскольку в крови человека присутствует множество различных небикарбонатных буферов, конечное состояние равновесия, достигаемое при любом заданном pCO 2, является очень сложным и не может быть легко предсказано с помощью одной только теории. Изображая экспериментальные результаты, диаграмма Дэвенпорта обеспечивает простой подход к описанию поведения этой сложной системы.
На рисунке 2 показана диаграмма Дэвенпорта, обычно изображаемая в учебниках и литературе. Чтобы понять, как следует интерпретировать диаграмму, полезно в первую очередь понять, как она выводится. Рассмотрим следующий эксперимент. Небольшой образец крови берется у здорового пациента и помещается в камеру, в которой парциальное давление углекислого газа (P CO2 ) поддерживается на уровне 40 мм рт. По достижении равновесия измеряются pH и концентрация бикарбоната, которые наносятся на диаграмму, как показано на рисунке 3.
Затем P CO2 в камере поддерживается постоянным, в то время как pH образца крови изменяется, сначала путем добавления сильной кислоты , а затем путем добавления сильного основания . При изменении pH для образца строится кривая титрования (рис. 4). Обратите внимание, что эта кривая титрования действительна только при P CO2 40 мм рт.
Затем представьте, что экспериментатор получает новый идентичный образец крови от того же пациента. Однако вместо помещения образца в камеру с P CO2, равным 40 мм рт. Ст., В камере устанавливается значение P CO2, равное 60 мм рт. После уравновешивания достигается новая точка, указывающая на новый pH и новую концентрацию бикарбоната (рис. 5). Обратите внимание, что концентрация бикарбоната при новом, более высоком P CO2 больше, чем при первом измерении, тогда как pH теперь меньше. Ни один из результатов не должен вызывать удивления. Увеличение P CO2означает, что общее количество углекислого газа в системе увеличилось. Поскольку газообразный диоксид углерода находится в равновесии с производными диоксида углерода в растворе, концентрации производных диоксида углерода, включая бикарбонат, также должны увеличиваться. Падение pH также неудивительно, поскольку образование молекулы бикарбоната сопровождается высвобождением протона (см. Рис. 1).
Если этот же эксперимент повторить при различных парциальных давлениях углекислого газа, будет получен ряд точек. Через эти точки можно провести линию, называемую буферной линией (рис. 6).
Буферную линию можно использовать для прогнозирования результата изменения P CO2 в диапазоне, близком к экспериментально определенным точкам. Кроме того, для каждой экспериментальной точки может быть проведен эксперимент по титрованию, в котором pH изменяется, в то время как P CO2 поддерживается постоянным, и кривые титрования могут быть построены для каждого из парциальных давлений диоксида углерода (рис. 7). На диаграмме Дэвенпорта эти кривые титрования называются изоплетами , потому что они создаются при фиксированном парциальном давлении углекислого газа.
Ключевой концепцией для понимания диаграммы Дэвенпорта является отметить, что по мере увеличения P CO2 величина результирующего изменения pH зависит от буферной способности небикарбонатных буферов, присутствующих в растворе. Если присутствуют сильные небикарбонатные буферы, они быстро поглощают подавляющее большинство протонов, высвобождаемых при образовании бикарбоната, и pH будет очень мало изменяться при заданном повышении концентрации бикарбоната. В результате получится буферная линия с очень крутым уклоном (рис. 8). С другой стороны, если присутствуют только слабые небикарбонатные буферы (или если небикарбонатный буфер вообще отсутствует), то для данного изменения концентрации бикарбоната будет наблюдаться гораздо большее изменение pH, и линия буфера будет иметь наклон ближе к нулю.
Поучительно отметить, что наклон линии бикарбоната на самом деле никогда не достигнет нуля (т.е. никогда не будет горизонтальным) в условиях равновесия, даже при полном отсутствии небикарбонатных буферов. Это связано с тем, что образование протонов в результате увеличения P CO2 сопровождается образованием ионов бикарбоната, как упоминалось ранее. Таким образом, снижение pH в результате увеличения P CO2 всегда должно происходить с некоторым минимальным увеличением концентрации бикарбоната. Точно так же повышение pH по аналогичным причинам должно происходить с некоторым минимальным снижением концентрации бикарбоната.
Двумерное представление трехмерной поверхности [ править ]
Напомним, что взаимосвязь, представленная на диаграмме Давенпорта, представляет собой взаимосвязь между тремя переменными: P CO2 , концентрацией бикарбоната и pH. Таким образом, рис. 7 можно рассматривать как топографическую карту, то есть двумерное представление трехмерной поверхности, где каждая изоплета указывает различное парциальное давление или «высоту».
Более точное изображение включало бы три оси. На рисунке 9 показана диаграмма Давенпорта в трех измерениях. Светло-голубые линии обозначают изоплеты в том виде, в котором мы обычно их встречаем, ограниченные двумерной плоскостью. Темно-синие кривые показывают фактическое расположение изоплет в трех измерениях. Таким образом, голубые линии - это просто проекции изоплет в трехмерном пространстве на двухмерную плоскость. Опять же, напомним, что изоплета - это просто кривая титрования, то есть путь, который прослеживается, если pH изменяется, в то время как P CO2 поддерживается постоянным. Зеленая поверхность описывает все комбинации P CO2 , [HCO 3 -] и pH, которые удовлетворяют равновесию системы. Все изоплеты в их реальной трехмерной ориентации должны быть ограничены этой поверхностью.
Вторая ключевая концепция заключается в том, что движение вдоль буферной линии должно соответствовать изменению P CO2 . Таким образом, как и изоплеты, буферная линия, нарисованная на типичной диаграмме Дэвенпорта (например, рис. 6), на самом деле является проекцией линии, существующей в трехмерном пространстве, на двухмерную плоскость. Как и в случае с изоплетами, буферные линии в их реальной трехмерной ориентации ограничены поверхностью, представляющей значения P CO2 , [HCO 3 -] и pH, которые удовлетворяют равновесию системы. На рис. 10 темно-красные линии - это фактические буферные линии в трехмерном пространстве, а светло-красные линии - это проекции буферных линий на двумерную плоскость. (Позже мы увидим, как можно определить несколько параллельных буферных строк для данной системы).
Респираторные и метаболические кислотно-щелочные нарушения [ править ]
Одной из наиболее важных особенностей диаграммы Давенпорта является ее полезность для изображения движения от одной точки на поверхности равновесия к другой после изменений дыхания и / или метаболизма . Могут произойти четыре фундаментальных изменения, влияющих на кислотно-щелочной баланс в организме: респираторный ацидоз , респираторный алкалоз , метаболический ацидоз и метаболический алкалоз . Кроме того, дыхательные и метаболические нарушения могут возникать одновременно, например респираторный ацидоз с последующим компенсаторным сдвигом в сторону метаболического алкалоза.
Респираторные расстройства [ править ]
Чтобы понять, как изменения дыхания могут повлиять на pH крови , рассмотрим влияние вентиляции на P CO2 в легких. Если бы кто-то задержал дыхание (или дышал очень медленно, как в случае угнетения дыхания ), кровь продолжала бы доставлять углекислый газ к альвеолам в легких, и количество углекислого газа в легких увеличилось бы. С другой стороны, при гипервентиляции в легкие втягивается свежий воздух, а углекислый газ быстро выдувается. В первом случае, поскольку в легких накапливается углекислый газ, альвеолярный P CO2станет очень высоким. Во втором случае, поскольку углекислый газ быстро выходит из легких, альвеолярный P CO2 будет очень низким. Обратите внимание, что эти две ситуации, угнетение дыхания и гипервентиляция, вызывают эффекты, которые непосредственно аналогичны описанному ранее эксперименту, в котором изменялись парциальные давления углекислого газа и наблюдались результирующие изменения pH. Как показано на диаграмме Давенпорта, угнетение дыхания, которое приводит к высокому содержанию P CO2 , снижает pH крови. Гипервентиляция будет иметь противоположный эффект. Снижение pH крови из-за угнетения дыхания называется респираторным ацидозом. Повышение pH крови из-за гипервентиляции называется респираторным алкалозом (рис. 11).
Метаболические нарушения [ править ]
Изменения метаболического состава крови также могут влиять на pH крови. Опять же, вспомните из нашего первоначального эксперимента, что если сильная кислота или сильное основание добавлены к образцу крови, pH и концентрация бикарбоната изменятся соответственно, что приведет к кривой титрования. Ионы гидроксида , например, при добавлении к раствору будут реагировать со свободными ионами водорода и увеличивать pH раствора. Кроме того, ионы гидроксида отводят протоны от угольной кислоты в растворе, вызывая повышение концентрации бикарбоната. Новое положение на диаграмме после добавления гидроксид-ионов больше не лежит на нашей исходной буферной линии. Однако если P CO2теперь изменяется без дальнейшего добавления сильной кислоты или сильного основания к раствору, можно определить новую буферную линию, которая находится выше и приблизительно параллельна исходной буферной линии.
Точно так же в физиологической системе, такой как живое тело, удаление протонов, например, путем рвоты кислым содержимым желудка , приведет к увеличению pH и концентрации бикарбоната, что приведет систему к новому, более высокому уровню. буферная строка. Такое нарушение называется метаболическим алкалозом (рис. 12). В качестве альтернативы, если протоны добавляются в кровоток в виде кислых метаболитов , как это происходит при диабетическом кетоацидозе , тогда рН упадет вместе с концентрацией бикарбоната. Этот тип нарушения называется метаболическим ацидозом. В случае метаболического ацидоза новая буферная линия находится ниже исходной линии.
Ссылки [ править ]
- Давенпорт, Гораций В. (1974). Азбука кислотно-щелочной химии: элементы физиологической химии газов крови для студентов-медиков и врачей (шестое изд.). Чикаго: Издательство Чикагского университета.
- Борон, Уолтер Ф. и Боулпаэп, Эмиль Л. (2003). Медицинская физиология: клеточный и молекулярный подход. Филадельфия: Сондерс.
