Диаграмма Давенпорта - Davenport diagram

В кислотно-щелочная физиология, то Диаграмма Давенпорта это графический инструмент, разработанный Гораций В. Давенпорт, что позволяет врачу или исследователю описать кровь бикарбонат концентрации и кровь pH после респираторного и / или метаболического нарушения кислотно-щелочного баланса. На схеме изображена трехмерная поверхность, описывающая все возможные состояния химическое равновесие между газообразный углекислый газ, водный бикарбонатные и водные протоны на физиологически сложной границе раздела альвеолы из легкие и альвеолярный капилляры. Хотя поверхность, представленная на диаграмме, определена 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

Когда образец крови подвергается воздействию воздуха, либо в альвеолах легких, либо в in vitro В лабораторном эксперименте двуокись углерода в воздухе быстро приходит в равновесие с производными двуокиси углерода и другими частицами в водном растворе. На рисунке 1 показаны наиболее важные равновесные реакции углекислого газа в крови, связанные с кислотно-щелочной физиологией:

Рисунок 1. Важные кислотно-основные реакции с участием диоксида углерода.

Обратите внимание, что в этом уравнении HB / B- буфер система представляет собой все небикарбонатные буферы, присутствующие в крови, такие как гемоглобин в различных протонированных и депротонированных состояниях. Поскольку в крови человека присутствует множество различных небикарбонатных буферов, конечное состояние равновесия достигается в любой момент pCO₂ очень сложен и не может быть легко предсказан, используя только теорию. Изображая экспериментальные результаты, диаграмма Давенпорта обеспечивает простой подход к описанию поведения этой сложной системы.

Рисунок 2. Типичная диаграмма Давенпорта.

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_СО2) удерживается на уровне 40 мм рт. После достижения равновесия измеряются pH и концентрация бикарбоната, которые наносятся на диаграмму, как на рис. 3.

Рис. 3. Концентрация иона бикарбоната и pH определяются при определенном парциальном давлении диоксида углерода.

Затем буква P_СО2 в камере поддерживается постоянным при изменении pH пробы крови, сначала добавлением сильная кислота, затем добавив сильная база. При изменении pH титрование кривая для образца (рис. 4). Обратите внимание, что эта кривая титрования действительна только при P_СО2 40 мм рт.

Рис. 4. Кривая титрования при определенном PCO2.

Затем представьте, что экспериментатор получает новый идентичный образец крови от того же пациента. Однако вместо помещения образца в камеру с P_СО2 40 мм рт. ст., камера сбрасывается на P_СО2 60 мм рт. ст. 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_СО2 больше, чем при первом измерении, тогда как pH теперь меньше. Ни один из результатов не должен вызывать удивления. Увеличение P_СО2 означает, 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).

Рисунок 5. Новая точка достигается после изменения PCO2.

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).

Рисунок 6. Буферная линия может быть создана путем изменения PCO2.

Буферную строку можно использовать для прогнозирования результата изменения P_СО2 в диапазоне, близком к экспериментально определенным точкам. Кроме того, для каждой экспериментальной точки может быть проведен эксперимент по титрованию, в котором pH изменяется, а P_СО2 поддерживается постоянным, и кривые титрования могут быть построены для каждого парциального давления диоксида углерода (рис. 7). На диаграмме Дэвенпорта эти кривые титрования называются изоплеты, потому что они генерируются при фиксированном парциальном давлении диоксида углерода.

Рис. 7. Кривую титрования можно построить для любого заданного PCO2.

Ключевой концепцией для понимания диаграммы Дэвенпорта является то, что как P_СО2 увеличивается, 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 отсутствует вообще), то для данного изменения концентрации бикарбоната будет наблюдаться гораздо большее изменение pH, и линия буфера будет иметь наклон ближе к нулю.

Рис. 8. Присутствие сильных небикарбонатных буферов приводит к получению буферной линии с крутым наклоном, в то время как присутствие слабых небикарбонатных буферов дает буферную линию с наклоном, близким 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_СО2 сопутствует образованию ионов бикарбоната, как упоминалось ранее. Таким образом, снижение pH в результате увеличения P_СО2 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

Напомним, что отношения, представленные на диаграмме Давенпорта, представляют собой отношения между тремя переменными: P_СО2, концентрация бикарбоната и pH. Таким образом, рис.7 можно рассматривать как топографическая карта - 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 каком 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 отслеживается, если pH изменяется, пока P_СО2 остается неизменным. Зеленая поверхность описывает все комбинации P_СО2, [HCO₃⁻] 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_СО2. 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_СО2, [HCO₃⁻] 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

Одной из наиболее важных особенностей диаграммы Дэвенпорта является ее полезность при изображении движения от одной точки на поверхности равновесия к другой после изменений в дыхание и / или метаболизм. Могут произойти четыре фундаментальных изменения, влияющих на кислотно-щелочной баланс в организме: респираторный ацидоз, респираторный алкалоз, Метаболический ацидоз и метаболический алкалоз. Кроме того, респираторные и метаболические нарушения могут возникать одновременно, например, респираторный ацидоз с последующим компенсаторным сдвигом в сторону метаболического алкалоза.

Респираторные нарушения

Чтобы понять, как изменения дыхания могут повлиять pH крови, рассмотрим эффекты вентиляция на стр_СО2 в легких. Если бы кто-то задержал дыхание (или дышал очень медленно, как в случае угнетение дыхания ), кровь продолжит доставлять углекислый газ к альвеолам в легких, и количество углекислого газа в легких увеличится. С другой стороны, если бы гипервентиляция, тогда свежий воздух будет втягиваться в легкие, и углекислый газ быстро выдувается. В первом случае из-за того, что в легких накапливается углекислый газ, альвеолярный P_СО2 станет очень высоким. Во втором случае, поскольку углекислый газ быстро выходит из легких, альвеолярный P_СО2 будет очень низким. Обратите внимание, что эти две ситуации, угнетение дыхания и гипервентиляция, вызывают эффекты, которые немедленно аналогичны описанному ранее эксперименту, в котором изменялись парциальные давления углекислого газа и наблюдались результирующие изменения pH. Как показано на диаграмме Дэвенпорта, угнетение дыхания, которое приводит к высокому P_СО2, снизит 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).

Рис. 11. Изменения в вентиляции могут привести к респираторному ацидозу или респираторному алкалозу.

Метаболические нарушения

Изменения метаболического состава крови также могут влиять на pH крови. Опять же, вспомните из нашего первоначального эксперимента, что если к образцу крови добавляется сильная кислота или сильное основание, pH и концентрация бикарбоната соответственно изменяются, что приводит к кривой титрования. Гидроксид ионы, например, при добавлении к раствору будет реагировать со свободными ионами водорода и увеличивать pH раствора. Кроме того, ионы гидроксида будут отвлекать протоны от угольная кислота в растворе, вызывая повышение концентрации бикарбоната. Новое положение на диаграмме после добавления гидроксид-ионов больше не находится на нашей исходной буферной линии. Однако если P_СО2 теперь 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 рвота кислотное содержание желудок, приведет к увеличению pH и концентрации бикарбоната, что приведет систему к новой, более высокой буферной линии. Такое нарушение называется метаболическим алкалозом (рис. 12). В качестве альтернативы, если протоны добавляются в кровоток в виде кислой метаболиты, как это происходит во время диабетический кетоацидоз, тогда pH упадет вместе с концентрацией бикарбоната. Этот тип нарушения называется метаболическим ацидозом. В случае метаболического ацидоза новая буферная линия находится ниже исходной линии.

Рис. 12. Изменения концентраций кислотных или основных метаболитов могут привести к метаболическому ацидозу или метаболическому алкалозу.