Davenportův diagram - Davenport diagram

v fyziologie kyselé báze, Davenportův diagram je grafický nástroj vyvinutý společností Horace W. Davenport, který umožňuje popsat klinickému lékaři nebo vyšetřovateli krev hydrogenuhličitan koncentrace a krev pH po respiračních a / nebo metabolických poruchách acidobazické rovnováhy. Diagram zobrazuje trojrozměrný povrch popisující všechny možné stavy chemické rovnováhy mezi plynný oxid uhličitý, vodný hydrogenuhličitan a vodné protony na fyziologicky složitém rozhraní alveoly z plíce a alveolární kapiláry. Ačkoli je povrch znázorněný v diagramu experimentálně určen, je Davenportův diagram primárně koncepčním nástrojem, který umožňuje zkoušejícímu představit si účinky fyziologických změn na chemii kyseliny a zásady v krvi. Davenportův diagram se v klinickém prostředí používá jen zřídka.

Derivace

Pokud je vzorek krve vystaven vzduchu, buď v plicních sklípcích nebo v plicních sklípcích in vitro laboratorní experiment, oxid uhličitý ve vzduchu rychle vstupuje do rovnováhy s deriváty oxidu uhličitého a jinými druhy ve vodném roztoku. Obrázek 1 ilustruje nejdůležitější rovnovážné reakce oxidu uhličitého v krvi související s acidobazickou fyziologií:

Všimněte si, že v této rovnici je HB / B- nárazník systém představuje všechny non-bikarbonátové pufry přítomné v krvi, jako je hemoglobin v různých protonovaných a deprotonovaných stavech. Protože v lidské krvi je přítomno mnoho různých non-hydrogenuhličitanových pufrů, konečný rovnovážný stav dosáhl v kterémkoli daném pCO₂ je velmi složitý a nelze jej snadno předpovědět pouze pomocí teorie. Znázorněním experimentálních výsledků poskytuje Davenportův diagram jednoduchý přístup k popisu chování tohoto složitého systému.

Obrázek 2 ukazuje Davenportův diagram, jak je běžně zobrazován v učebnicích a literatuře. Abychom pochopili, jak má být diagram interpretován, je užitečné nejprve pochopit, jak je diagram odvozen. Zvažte následující experiment. Malý vzorek krve je odebrán zdravému pacientovi a umístěn do komory, ve které je parciální tlak oxidu uhličitého (P_CO2) se udržuje na 40 mmHg. Jakmile je dosaženo rovnováhy, změří se pH a koncentrace hydrogenuhličitanu a vynesou se do grafu jako na obr.

Dále, P_CO2 v komoře se udržuje konstantní, zatímco se mění pH vzorku krve, nejprve přidáním a silná kyselina, pak přidáním a silná základna. Protože se pH mění, a titrace pro vzorek se vytvoří křivka (obr. 4). Všimněte si, že tato titrační křivka je platná pouze pro P_CO2 40 mmHg, protože komora byla během experimentu udržována na tomto parciálním tlaku.

Dále si představte, že experimentátor získá nový, identický vzorek krve od stejného pacienta. Namísto umístění vzorku do komory s P_CO2 40 mmHg se komora resetuje na P_CO2 60 mmHg. Po ekvilibraci je dosaženo nového bodu, který indikuje nové pH a novou koncentraci hydrogenuhličitanu (obr. 5). Všimněte si, že koncentrace hydrogenuhličitanu na nové, vyšší P_CO2 je větší než v prvním měření, zatímco pH je nyní menší. Ani jeden výsledek by neměl být překvapením. Zvýšení P_CO2 znamená, že celkové množství oxidu uhličitého v systému vzrostlo. Jelikož je plynný oxid uhličitý v rovnováze s deriváty oxidu uhličitého v roztoku, měly by se také zvyšovat koncentrace derivátů oxidu uhličitého, včetně hydrogenuhličitanu. Pokles pH rovněž nepřekvapuje, protože tvorba bikarbonátové molekuly je souběžná s uvolňováním protonu (viz obr. 1).

Pokud se tentýž experiment opakuje při různých parciálních tlacích oxidu uhličitého, získá se řada bodů. Těmito body lze nakreslit čáru, která se nazývá vyrovnávací čára (obr.6).

Vyrovnávací čára může být použita k předpovědi výsledku změny P_CO2 v rozsahu blízkém experimentálně určeným bodům. Kromě toho lze pro každý experimentální bod provést titrační experiment, při kterém se pH mění, zatímco P_CO2 je udržována konstantní a mohou být generovány titrační křivky pro každý z parciálních tlaků oxidu uhličitého (obr. 7). V Davenportově diagramu se tyto titrační křivky nazývají isopleths, protože jsou generovány za stálého parciálního tlaku oxidu uhličitého.

Klíčovým konceptem pro pochopení Davenportova diagramu je poznamenat, že jako P_CO2 je zvýšena, velikost výsledné změny pH závisí na pufrovací síle non-bikarbonátových pufrů přítomných v roztoku. Pokud jsou přítomny silné non-hydrogenuhličitanové pufry, pak rychle absorbují drtivou většinu protonů uvolněných tvorbou hydrogenuhličitanu a pH se při daném zvýšení koncentrace hydrogenuhličitanu změní jen velmi málo. Výsledkem bude nárazníková linie s velmi strmým sklonem (obr.8). Na druhou stranu, pokud jsou přítomny pouze slabé non-hydrogenuhličitanové pufry (nebo pokud není vůbec žádný non-hydrogenuhličitanový pufr), pak bude při dané změně koncentrace hydrogenuhličitanu pozorována mnohem větší změna pH a linie pufru bude mít sklon blížící se nule.

Je poučné poznamenat, že sklon hydrogenuhličitanové linie nikdy ve skutečnosti nedosáhne nuly (tj. Nikdy nebude vodorovný) za rovnovážných podmínek, a to ani při úplné absenci non-bikarbonátových pufrů. Je to proto, že produkce protonů vyplývající ze zvýšení P_CO2 je souběžně s produkcí hydrogenuhličitanových iontů, jak již bylo uvedeno výše. Pokles pH vyplývající ze zvýšeného P_CO2 musí vždy nastat s minimálním zvýšením koncentrace bikarbonátu. Stejně tak musí dojít ke zvýšení pH z podobných důvodů s minimálním snížením koncentrace hydrogenuhličitanu.

Dvourozměrná reprezentace trojrozměrného povrchu

Připomeňme, že vztah znázorněný v Davenportově diagramu je vztahem mezi třemi proměnnými: P_CO2, koncentrace hydrogenuhličitanu a pH. Na obr. 7 lze tedy pohlížet jako na topografická mapa - to je dvourozměrná reprezentace trojrozměrného povrchu - kde každý isopleth označuje jiný parciální tlak nebo „nadmořskou výšku“.

Přesnější zobrazení by zahrnovalo tři osy. Obrázek 9 ukazuje Davenportův diagram ve třech rozměrech. Světle modré čáry označují izoplety, jak bychom se s nimi běžně setkali, omezené na dvourozměrnou rovinu. Tmavě modré křivky ukazují skutečné umístění izoplethů ve třech rozměrech. Světle modré čáry jsou tedy jednoduše projekcemi izoplethů v trojrozměrném prostoru do dvourozměrné roviny. Opět si připomeňme, že isopleth je jen titrační křivka - to znamená cesta, kterou lze sledovat, pokud se pH mění, zatímco P_CO2 je konstantní. Zelený povrch popisuje všechny kombinace P_CO2, [HCO₃⁻] a pH, které uspokojují rovnováhu systému. Všechny isoplety ve své skutečné trojrozměrné orientaci musí být omezeny na tento povrch.

Druhým klíčovým konceptem je, že pohyb podél vyrovnávací čáry musí odpovídat změně P_CO2. Stejně jako izoplety je tedy vyrovnávací čára nakreslená na typickém Davenportově diagramu (např. Obr. 6) vlastně projekcí přímky existující v trojrozměrném prostoru do dvourozměrné roviny. Stejně jako u isopletů jsou vyrovnávací čáry ve své skutečné trojrozměrné orientaci omezeny na povrch představující hodnoty P_CO2, [HCO₃⁻] a pH, které uspokojují rovnováhu systému. Na obr. 10 jsou tmavě červené čáry skutečné vyrovnávací čáry v trojrozměrném prostoru, zatímco světle červené čáry jsou projekce vyrovnávacích čar do dvojrozměrné roviny. (Uvidíme později, jak lze pro daný systém určit více paralelních linek vyrovnávací paměti).

Respirační a metabolické poruchy acidobazické rovnováhy

Jedním z nejdůležitějších rysů Davenportova diagramu je jeho užitečnost při zobrazování pohybu z jednoho bodu na rovnovážné ploše do druhého po změnách v dýchání a / nebo metabolismus. Mohou nastat čtyři zásadní změny, které ovlivňují acidobazickou rovnováhu v těle: respirační acidóza, respirační alkalóza, metabolická acidóza a metabolická alkalóza. Kromě toho se mohou současně vyskytnout respirační a metabolické poruchy, jako je respirační acidóza, po které následuje kompenzační posun směrem k metabolické alkalóze.

Respirační poruchy

Abychom pochopili, jak mohou ovlivnit změny v dýchání pH krve, zvažte účinky větrání na P_CO2 v plicích. Pokud by někdo zadržel dech (nebo dýchal velmi pomalu, jako v případě respirační deprese ), krev by pokračovala v dodávání oxidu uhličitého do plicních sklípků a množství oxidu uhličitého v plicích by se zvyšovalo. Na druhou stranu, pokud by někdo měl hyperventilát, pak by se do plic nasával čerstvý vzduch a rychle by se vyfoukl oxid uhličitý. V prvním případě, protože se oxid uhličitý hromadí v plicích, alveolární P_CO2 by bylo velmi vysoké. Ve druhém případě, protože oxid uhličitý rychle opouští plíce, alveolární P_CO2 by bylo velmi nízké. Všimněte si, že tyto dvě situace, deprese dýchání a hyperventilace, způsobují účinky, které jsou bezprostředně analogické s dříve popsaným experimentem, ve kterém se měnily parciální tlaky oxidu uhličitého a pozorovaly se výsledné změny pH. Jak naznačuje Davenportův diagram, respirační deprese, která vede k vysokému P_CO2, sníží pH krve. Hyperventilace bude mít opačné účinky. Snížení pH krve v důsledku respirační deprese se nazývá respirační acidóza. Zvýšení pH krve v důsledku hyperventilace se nazývá respirační alkalóza (obr. 11).

Metabolické poruchy

Změny v metabolickém složení krve mohou také ovlivnit pH krve. Opět si připomeňme z našeho počátečního experimentu, že pokud je do vzorku krve přidána silná kyselina nebo silná báze, pH a koncentrace hydrogenuhličitanu se odpovídajícím způsobem změní, což povede k titrační křivce. Hydroxid ionty například když se přidá k roztoku, bude reagovat s volnými vodíkovými ionty a zvýší pH roztoku. Kromě toho hydroxidové ionty budou abstraktní protony z kyselina uhličitá v roztoku, což způsobuje zvýšení koncentrace hydrogenuhličitanu. Nová pozice na diagramu po přidání hydroxidových iontů již neleží na naší původní vyrovnávací linii. Pokud však P_CO2 nyní se mění bez dalšího přidávání silné kyseliny nebo silné báze do roztoku, lze určit novou linii pufru, která leží nad a přibližně rovnoběžně s původní linií pufru.

Podobně, ve fyziologickém systému, jako je živé tělo, odstranění protonů, například, zvracení kyselý obsah žaludek bude mít za následek zvýšení pH a zvýšení koncentrace hydrogenuhličitanu, čímž se systém přenese na novou, vyšší linii pufru. Takové narušení se nazývá metabolická alkalóza (obr. 12). Alternativně, pokud jsou protony přidány do krevního řečiště ve formě kyselé metabolity, jak k tomu dochází během diabetická ketoacidóza, pak pH poklesne spolu s koncentrací hydrogenuhličitanu. Tento typ poruchy se nazývá metabolická acidóza. V případě metabolické acidózy leží nová linie pufru pod původní linií.

Reference

• Davenport, Horace W. (1974). ABC chemie kyselin a zásad: Prvky fyziologické chemie krve a plynů pro studenty medicíny a lékaře (Šesté vydání). Chicago: The University of Chicago Press.
• Boron, Walter F. a Boulpaep, Emile L. (2003). Lékařská fyziologie: buněčný a molekulární přístup. Philadelphia: Saunders.