10.1: El Sistema

¿El 'Nuevo Paradigma'?

Recientemente, la atención se ha desplazado hacia un enfoque fisicoquímico cuantitativo de la fisiología ácido-base. Muchos de los conceptos generalmente aceptados del comportamiento de los iones de hidrógeno (como se discutió anteriormente) se ven de manera diferente y, de hecho, ¡a menudo se demuestra que son Este análisis introducido por Peter Stewart ^1,2 en 1978 ³ proporciona una visión química del complejo sistema de equilibrio químico conocido como equilibrio ácido-base. El impacto del análisis Stewart ha sido lento en llegar pero ha habido un reciente resurgimiento en el interés, particularmente porque este enfoque proporciona explicaciones para varias áreas que de otra manera son difíciles de entender (por ejemplo, acidosis dilucional, trastornos ácido-base relacionados con cambios en la albúmina plasmática concentración). [Como se discute en la sección 1.1, la mayor parte de este libro cubre el enfoque tradicional ácido-base.]

Stewart reserve ahora en línea El influyente libro de Peter Stewart de 1981 (“How to Understanding Acid-Base”) ^1 ha sido durante mucho tiempo fuera o impreso y ha sido difícil para muchas personas obtener acceso a una copia. Recientemente, la viuda de Stewart le ha dado los derechos de autor del libro a Paul Elbers de Ámsterdam y Paul ha colocado todo el libro en línea en su nueva página web http://www.AcidBase.org

El lector interesado es referido a Bellomo (1999) ⁴ y los artículos de revisión asociados en esa edición de Opinión Actual en Cuidados Críticos donde el 'nuevo paradigma' del enfoque ácido-base de Stewart es considerado con el entusiasmo del verdadero creyente.

Sin duda, el enfoque fisicoquímico cobrará más importancia en el futuro y este capítulo proporciona una introducción. Primero es necesario un poco de trasfondo.

Términos y conceptos

Este enfoque requiere una consideración de soluciones como sistemas. En particular:

“.. es una propiedad general de los sistemas que los resultados cuantitativos de varios mecanismos interactuantes pero independientes no puedan explicarse ni entenderse únicamente en términos de la acción de cualquiera de estos mecanismos”. (Stewart 1983, p1444-5) ²

Una simple introducción a los conceptos y los términos que emplea Stewart es necesaria para comprender el marco en el que discute la química ácido-base en el cuerpo. Un fluido biológico es un sistema dinámico muy complejo pero es posible realizar análisis útiles considerando las especies químicas involucradas y cómo interactúan químicamente entre sí. Considera el argumento que se desarrolla de esta manera:

• A menudo hay múltiples mecanismos involucrados para influir en la concentración particular de cualquier especie química individual.
• El ión hidrógeno es un ejemplo de una de estas especies cuya concentración depende de varios mecanismos químicos que interactúan (equilibrios).
• Finalmente (y rápidamente) estos múltiples mecanismos deben entrar en equilibrio y se determina el [H ⁺] en la solución en ese momento.
• Un intento de calcular la concentración de equilibrio de cualquier especie debe tomar en cuenta todos los mecanismos involucrados.
• Esto no es tan difícil como se puede suponer porque ciertas simplificaciones son posibles. (Estos serán considerados más adelante).
• Finalmente, se puede obtener una fórmula para el cálculo del valor de equilibrio de una especie química (eg [H ⁺]). La ecuación para [H ⁺] es compleja pero la solución de la misma es fácil y rápida en una computadora.

Lo que planeamos hacer es decidir qué es lo que determina [H ⁺] (y las otras concentraciones químicas) en una solución biológica considerando los diversos mecanismos de interacción involucrados. Un objetivo es desarrollar una fórmula para calcular [H ⁺], pero lo que es más importante, se debe obtener una nueva comprensión de cómo funciona realmente la fisiología ácido-base a nivel químico.

Las concentraciones de las diversas especies químicas presentes son las variables cuyos valores se utilizan en las ecuaciones. Desde la perspectiva de considerar una solución biológica como un sistema de interacción de especies químicas, podemos considerar estas variables como de dos tipos. Todas las variables se pueden clasificar como variables dependientes o como variables independientes. Esto es extremadamente importante en la discusión de causa y efecto así que primero considere el significado de estos términos:

Variables dependientes e independientes Las variables dependientes tienen valores que son determinados internamente por el sistema. Están determinados por las ecuaciones (equilibrios químicos) que determinan el sistema y solo pueden ser alterados por cambios en los valores de las variables independientes. Las variables independientes tienen valores que están determinados por procesos o condiciones externas al sistema; se imponen al sistema en lugar de ser determinados por él.

Considera una simple analogía: Un pez dorado en un cuenco que está lleno hasta el borde. La combinación tazo-agua-pez dorado es el sistema en este ejemplo. La cantidad de oxígeno en la solución es una variable dependiente: su valor en cualquier momento está determinado por la tasa de consumo de oxígeno del pez dorado y este es un proceso que es completamente interno al sistema. Ahora considere el volumen de agua en el recipiente: esta es una variable independiente ya que su valor está determinado por factores externos al sistema dentro del tazón. Si hubiera alguna reacción dentro del cuenco que produjera más agua (por ejemplo, la producción metabólica de agua por parte del pez dorado) entonces simplemente desbordaría los bordes del cuenco lleno. El volumen se mantendría constante a pesar de los cambios internos dentro del cuenco. Considerar más a fondo el contenido variable dependiente de oxígeno en el recipiente. Esto no solo está determinado por el proceso interno (O ₂ consumo por el pez dorado) sino que se ve afectado por el valor de diversas variables independientes como el volumen del cuenco y la temperatura del agua. Más oxígeno se disolverá en el agua a una temperatura más baja. La temperatura del agua está determinada por la temperatura ambiental que es independiente del sistema de peces dorados en cuenco. La temperatura del agua es otra variable independiente.

¿Por qué es tan importante el concepto de variables dependientes e independientes? La razón es que los valores de todas las variables dependientes están determinados por y pueden calcularse a partir de los valores de las variables independientes. Y un punto particular muy importante: ¡En el sistema ácido-base en los fluidos corporales, [H ^+] es una variable dependiente!

El análisis tradicional de ácido-base hace la suposición implícita de que [H ⁺] es una variable independiente y esto es incorrecto. Por lo tanto, la concentración de iones hidrógeno se puede calcular si se conocen los valores de las variables independientes.

Observaciones Preliminares sobre la Importancia de esto

Ahora bien, el significado de esto y por qué es tan diferente de la comprensión tradicional puede no ser inmediatamente evidente para usted. Así que consideremos lo siguiente:

Considere una celda donde los iones H ⁺ están siendo bombeados fuera de una celda hacia el ISF.

Usando el enfoque tradicional, predeciríamos que esto disminuiría el [H ⁺] intracelular (y aumentaría el pH) porque ahora hay menos H ⁺ en el ICF en esa célula. Pero el enfoque Stewart diría que este entendimiento estaba equivocado. Debido a que [H ⁺] es una variable dependiente, su concentración no se puede cambiar de esta manera; su concentración sólo se puede cambiar si cambia el valor de una de las variables independientes y todo lo que está sucediendo es un bombeo de iones H ⁺. El enfoque Stewart predeciría que los equilibrios químicos dentro de la célula se reajustarían para reemplazar cualquier H ⁺ perdido (al ser bombeado fuera de la célula) con el resultado de que el [H ⁺] intracelular permanecería sin cambios.

Entonces, ¿qué pasa realmente? Bueno, si el bombeo de H ⁺ fuera de la celda era el único cambio que se producía entonces el ICF [H ⁺] no cambiaría y el enfoque Stewart lo predeciría correctamente. La fuente del reemplazo H ⁺ sería un aumento extremadamente pequeño en la disociación de H ₂ O dentro de la célula.

Pero, espera un minuto, seguramente esto no puede ser así. Como otro ejemplo, considere lo que sucede en las células parietales en el estómago. Después de una comida, las células parietales bombean activamente grandes cantidades de H ⁺ en el lumen gástrico. El [H ⁺] en las células parietales disminuye y esto se refleja en la sangre venosa gástrica como un aumento del pH (la 'marea alcalina posprandial').

¿No significa esto entonces que la predicción del enfoque Stewart está equivocada después de todo? En absoluto. De hecho, un análisis adecuado de este ejemplo muestra que el resultado es consistente con el predicho por el enfoque Stewart. Un dato importante que hasta ahora se ha pasado por alto en nuestro análisis es el requisito de electroneutralidad. Simplemente no es posible bombear mucho H ⁺ porque esto establece una diferencia de potencial a través de la membrana celular. Ahora la célula solo puede tolerar una separación de carga extremadamente pequeña (y una separación de carga tan diminuta es suficiente para establecer una diferencia de potencial transmembrana o RMP de, digamos, 100mV). La diferencia de concentración real que representa esta RMP es demasiado pequeña para medir aparte de como una diferencia de potencial (es decir, potencial de membrana).

Lo que está sucediendo en la célula parietal es que tanto H ⁺ como Cl ^- se están transfiriendo fuera de la célula y hacia el lumen gástrico. Se mantiene la electroneutralidad. El punto vital a notar aquí es el movimiento de Cl ^-y el efecto de éste. ^{Como no hay diferencia de potencial establecida por el bombeo de H + y Cl, en conjunto no hay fuerza electroquímica que inhiba el movimiento.} En consecuencia grandes cantidades de Cl ^- se están moviendo fuera de la celda. Esto provoca un cambio en la diferencia de iones fuertes (SID). No se preocupe por lo que esto significa actualmente (se explicará en la sección 10.3), solo tenga en cuenta que es una de las variables independientes en este sistema y así determina los valores de las variables dependientes, de las cuales [H ⁺] es una. La explicación correcta (como lo proporciona el enfoque Stewart) es que sí, el [H ⁺] en la célula parietal gástrica sí disminuye pero no es el bombeo del H ⁺ lo que provoca esto, sino la pérdida de Cl ^- de la célula. La pérdida de Cl ^- cambia el valor de una de las variables independientes.

Las explicaciones de los dos enfoques sobre por qué los cambios [H ⁺] son bastante diferentes. El enfoque Stewart es el que es correcto en el sentido de explicar la causa.

Referencias

1. Stewart PA Cómo entender ácido-base. Nueva York: Elsevier, 1981
2. Stewart PA. Química ácido-base cuantitativa moderna. Can J Physiol Pharmacol 1983 Dic; 61 (12) 1444-61. PubMed
3. Stewart PA. Variables independientes y dependientes del control ácido-base. Respir Physiol 1978 Abr; 33 (1) 9-26. PubMed
4. Bellomo R & Ronco C Nuevos paradigmas en fisiología ácido-base Opinión Actual en Cuidados Críticos 1999; 5:427

Todos los resúmenes de Medline: PubMed HubMed