En fisiología ácido-base , el diagrama de Davenport es una herramienta gráfica, desarrollada por Horace W. Davenport , que permite a un médico o investigador describir las concentraciones de bicarbonato en sangre y el pH de la sangre después de una alteración acidobásica respiratoria y / o metabólica. El diagrama representa una superficie tridimensional que describe todos los estados posibles de equilibrios químicos entre gaseosa de dióxido de carbono , acuosa de bicarbonato y protones acuosas a la fisiológicamente complejo interfaz de los alvéolos de los pulmones y las alveolares capilares . Aunque la superficie representada en el diagrama se determina experimentalmente, el diagrama de Davenport rara vez se usa en el entorno clínico, pero permite al investigador visualizar los efectos de los cambios fisiológicos en la química ácido-base de la sangre. Para uso clínico, hay dos innovaciones recientes: un diagrama ácido-base que proporciona descripciones de texto para las anomalías [1] (Grogono 2019) y una versión para gran altitud que proporciona descripciones de texto apropiadas para la altitud [2] (Grogono y Solarte, 2021 ).
Derivación
Cuando una muestra de sangre se expone al aire, ya sea en los alvéolos del pulmón o en un experimento de laboratorio in vitro , el dióxido de carbono en el aire entra rápidamente en equilibrio con los derivados del dióxido de carbono y otras especies en la solución acuosa. La Figura 1 ilustra las reacciones de equilibrio más importantes del dióxido de carbono en la sangre relacionadas con la fisiología ácido-base:
Tenga en cuenta que en esta ecuación, el sistema de tampón HB / B- representa todos los tampones distintos de bicarbonato presentes en la sangre, como la hemoglobina en sus diversos estados protonados y desprotonados. Debido a que en la sangre humana están presentes muchos tampones distintos de bicarbonato, el estado de equilibrio final alcanzado en cualquier pCO 2 dado es muy complejo y no se puede predecir fácilmente usando solo la teoría. Al representar los resultados experimentales, el diagrama de Davenport proporciona un enfoque simple para describir el comportamiento de este complejo sistema.
La Figura 2 muestra un diagrama de Davenport como se describe comúnmente en los libros de texto y la literatura. Para comprender cómo se debe interpretar el diagrama, es útil comprender cómo se deriva el diagrama en primer lugar. Considere el siguiente experimento. Se toma una pequeña muestra de sangre de un paciente sano y se coloca en una cámara en la que la presión parcial de dióxido de carbono (P CO2 ) se mantiene a 40 mmHg. Una vez que se alcanza el equilibrio, el pH y la concentración de bicarbonato se miden y se representan en un gráfico como en la Fig.3.
Luego, el P CO2 en la cámara se mantiene constante mientras se cambia el pH de la muestra de sangre, primero agregando un ácido fuerte y luego agregando una base fuerte . A medida que se varía el pH, se produce una curva de titulación para la muestra (Fig. 4). Observe que esta curva de titulación es válida solo a una P CO2 de 40 mmHg, porque la cámara se mantuvo a esta presión parcial durante todo el experimento.
A continuación, imagine que el experimentador obtiene una nueva muestra de sangre idéntica del mismo paciente. Sin embargo, en lugar de colocar la muestra en una cámara con un P CO2 de 40 mmHg, la cámara se restablece a un P CO2 de 60 mmHg. Después del equilibrio, se alcanza un nuevo punto, que indica un nuevo pH y una nueva concentración de bicarbonato (Fig. 5). Tenga en cuenta que la concentración de bicarbonato en el nuevo P CO2 más alto es mayor que en la primera medición, mientras que el pH ahora es menor. Ninguno de los resultados debería ser una sorpresa. Aumentar el P CO2 significa que la cantidad total de dióxido de carbono en el sistema ha aumentado. Debido a que el dióxido de carbono gaseoso está en equilibrio con los derivados de dióxido de carbono en la solución, las concentraciones de derivados de dióxido de carbono, incluido el bicarbonato, también deberían aumentar. La caída del pH tampoco es sorprendente, ya que la formación de una molécula de bicarbonato es concomitante con la liberación de un protón (ver Fig. 1).
Si se repite este mismo experimento a varias presiones parciales de dióxido de carbono, se obtendrán una serie de puntos. Se puede trazar una línea a través de estos puntos, llamada línea de amortiguación (Fig. 6).
La línea de amortiguación se puede utilizar para predecir el resultado de variar el P CO2 dentro de un rango cercano a los puntos determinados experimentalmente. Además, para cada punto experimental, se puede realizar un experimento de titulación en el que se varía el pH mientras que el P CO2 se mantiene constante, y se pueden generar curvas de titulación para cada una de las presiones parciales de dióxido de carbono (Fig. 7). En el diagrama de Davenport, estas curvas de titulación se denominan isopletas , porque se generan a una presión parcial fija de dióxido de carbono.
Un concepto clave para comprender el diagrama de Davenport es observar que a medida que aumenta el P CO2 , la magnitud del cambio resultante en el pH depende del poder amortiguador de los amortiguadores sin bicarbonato presentes en la solución. Si hay tampones fuertes que no sean de bicarbonato, estos absorberán rápidamente la gran mayoría de los protones liberados por la formación de bicarbonato, y el pH cambiará muy poco para un aumento dado en la concentración de bicarbonato. El resultado será una línea de amortiguación con una pendiente muy pronunciada (Fig. 8). Por otro lado, si solo hay tampones débiles que no sean de bicarbonato (o si no hay ningún tampón que no sea de bicarbonato), se observará un cambio mucho mayor en el pH para un cambio dado en la concentración de bicarbonato y la línea de tampón tendrá una pendiente más cercana a cero.
Es instructivo observar que la pendiente de la línea de bicarbonato nunca llegará realmente a cero (es decir, nunca será horizontal) en condiciones de equilibrio, incluso en ausencia total de tampones que no sean de bicarbonato. Esto se debe a que la producción de protones resultante de un aumento de P CO2 es concomitante con la producción de iones bicarbonato, como se mencionó anteriormente. Por tanto, siempre debe producirse una disminución del pH resultante del aumento de P CO2 con un aumento mínimo de la concentración de bicarbonato. Asimismo, debe producirse un aumento del pH por razones similares con una mínima disminución de la concentración de bicarbonato.
Representación bidimensional de una superficie tridimensional
Recuerde que la relación representada en un diagrama de Davenport es una relación entre tres variables: P CO2 , concentración de bicarbonato y pH. Por lo tanto, la Fig. 7 puede considerarse como un mapa topográfico , es decir, una representación bidimensional de una superficie tridimensional, donde cada isopleta indica una presión parcial o "altitud" diferente.
Una descripción más precisa involucraría tres ejes. La Figura 9 muestra un diagrama de Davenport en tres dimensiones. Las líneas de color azul claro indican las isopletas como las encontraríamos normalmente, confinadas a un plano bidimensional. Las curvas de color azul oscuro muestran las ubicaciones reales de las isopletas en tres dimensiones. Por lo tanto, las líneas de color azul claro son simplemente las proyecciones de las isopletas en un espacio tridimensional sobre un plano bidimensional. Nuevamente, recuerde que una isopleta es solo una curva de titulación, es decir, la ruta que se traza si se varía el pH mientras que el P CO2 se mantiene constante. La superficie verde describe todas las combinaciones de P CO2 , [HCO 3 - ] y pH que satisfacen el equilibrio del sistema. Todas las isopletas en sus orientaciones tridimensionales reales deben confinarse a esta superficie.
Un segundo concepto clave es que el movimiento a lo largo de una línea de amortiguación debe corresponder a un cambio en P CO2 . Así, al igual que las isopletas, la línea de zona de influencia como se dibuja en un diagrama de Davenport típico (por ejemplo, Fig. 6) es en realidad la proyección de una línea existente en un espacio tridimensional sobre un plano bidimensional. Al igual que con las isopletas, las líneas de amortiguación en su orientación tridimensional real están confinadas a la superficie que representa los valores de P CO2 , [HCO 3 - ] y pH que satisfacen el equilibrio del sistema. En la Fig. 10, las líneas de color rojo oscuro son las líneas de amortiguación reales en el espacio tridimensional, mientras que las líneas de color rojo claro son las proyecciones de las líneas de amortiguación en un plano bidimensional. (Veremos más adelante cómo se pueden determinar múltiples líneas de amortiguación paralelas para un sistema dado).
Alteraciones acidobásicas respiratorias y metabólicas
Una de las características más importantes del diagrama de Davenport es su utilidad para representar el movimiento de un punto en la superficie de equilibrio a otro siguiendo cambios en la respiración y / o el metabolismo . Cuatro cambios fundamentales pueden ocurrir que afectan el equilibrio ácido-base en el cuerpo: la acidosis respiratoria , alcalosis respiratoria , acidosis metabólica y alcalosis metabólica . Además, pueden ocurrir simultáneamente una alteración respiratoria y metabólica, como acidosis respiratoria seguida de un cambio compensatorio hacia la alcalosis metabólica.
Alteraciones respiratorias
Para comprender cómo los cambios en la respiración pueden afectar el pH de la sangre , considere los efectos de la ventilación sobre el P CO2 en los pulmones. Si uno contuviera la respiración (o respirara muy lentamente, como en el caso de la depresión respiratoria ), la sangre continuaría suministrando dióxido de carbono a los alvéolos de los pulmones y la cantidad de dióxido de carbono en los pulmones aumentaría. Por otro lado, si uno hiperventilara , entonces entraría aire fresco en los pulmones y se expulsaría rápidamente dióxido de carbono. En el primer caso, debido a que el dióxido de carbono se acumula en los pulmones, el P CO2 alveolar se volvería muy alto. En el segundo caso, debido a que el dióxido de carbono sale rápidamente de los pulmones, el P CO2 alveolar sería muy bajo. Nótese que estas dos situaciones, las de depresión respiratoria e hiperventilación, producen efectos que son inmediatamente análogos al experimento descrito anteriormente, en el que se variaron las presiones parciales de dióxido de carbono y se observaron los cambios de pH resultantes. Como lo indica el diagrama de Davenport, la depresión respiratoria, que da como resultado un P CO2 alto , reducirá el pH de la sangre. La hiperventilación tendrá los efectos opuestos. Una disminución del pH sanguíneo debido a la depresión respiratoria se denomina acidosis respiratoria. Un aumento del pH sanguíneo debido a la hiperventilación se denomina alcalosis respiratoria (Fig. 11).
Alteraciones metabólicas
Los cambios en la composición metabólica de la sangre también pueden afectar el pH sanguíneo. Nuevamente, recuerde de nuestro experimento inicial que si se agrega un ácido fuerte o una base fuerte a la muestra de sangre, el pH y la concentración de bicarbonato cambiarán en consecuencia, dando como resultado una curva de titulación. Los iones de hidróxido , por ejemplo, cuando se agregan a la solución, reaccionarán con los iones de hidrógeno libres y aumentarán el pH de la solución. Además, los iones de hidróxido extraerán protones del ácido carbónico en solución, lo que hará que aumente la concentración de bicarbonato. La nueva posición en el diagrama que sigue a la adición de iones de hidróxido ya no se encuentra en nuestra línea de amortiguación original. Sin embargo, si ahora se varía el P CO2 sin más adición de ácido fuerte o base fuerte a la solución, se puede determinar una nueva línea tampón que se encuentra por encima y aproximadamente paralela a la línea tampón original.
De manera similar, en un sistema fisiológico como un cuerpo vivo, la eliminación de protones, por ejemplo, al vomitar el contenido ácido del estómago , dará como resultado un aumento en el pH y un aumento en la concentración de bicarbonato, llevando el sistema a un nuevo nivel más alto. línea de amortiguación. Tal alteración se llama alcalosis metabólica (Fig. 12). Alternativamente, si se agregan protones al torrente sanguíneo en forma de metabolitos ácidos , como ocurre durante la cetoacidosis diabética , entonces el pH bajará, junto con la concentración de bicarbonato. Este tipo de alteración se denomina acidosis metabólica. En el caso de la acidosis metabólica, la nueva línea tampón se encuentra por debajo de la línea original.
Referencias
- ^ Grogono, Alan (1 de abril de 2019). "Los informes ácido-base necesitan una explicación de texto" . Anestesiología . 130 (4): 668–669. doi : 10.1097 / ALN.0000000000002628 . Consultado el 1 de abril de 2019 .
- ^ Grogono, Alan (1 de enero de 2021). "Corrección de la interpretación ácido-base para grandes altitudes" . Anestesiología . 134 (1): 133-135. doi : 10.1097 / ALN.0000000000003581 . Consultado el 1 de enero de 2021 .
- Davenport, Horace W. (1974). El ABC de la química ácido-base: los elementos de la química fisiológica de los gases en sangre para estudiantes de medicina y médicos (Sexta ed.). Chicago: Prensa de la Universidad de Chicago.
- Boro, Walter F. y Boulpaep, Emile L. (2003). Fisiología médica: un enfoque celular y molecular. Filadelfia: Saunders.