1.6: Гіпотеза Альфастату

Last updated
Save as PDF

Page ID: 67862

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

1.6.1 Поза Девісом: гіпотеза Альфастату

Рівз ¹ і Ран ² розширили висновки, досягнуті Девісом ³, розглядаючи константи дисоціації (pK) для цих метаболічних проміжних продуктів. Вони виявили, що pK для всіх кислотних проміжних продуктів був менше 4,6, а pK всіх основних проміжних продуктів був більше 9,2. Ступінь дисоціації всіх цих сполук при рН навколо нейтральності становила 1,0 (тобто повністю іонізованої). Всі проміжні продукти заряджені і захоплені в мембрані ліпідних клітин.

Вони запропонували поглянути на кислотно-лужну фізіологію з точки зору внутрішньоклітинного середовища замість звичайного клінічного позаклітинного підходу. Вони спочатку поставили наступне питання:

Який ідеальний внутрішньоклітинний рН?

Робота Девіса та висновки, що стосуються значень pK, припускають, що ідеальним станом для проміжного метаболізму є стан нейтральності, оскільки максимальна іонізація з подальшим внутрішньоклітинним захопленням метаболічних проміжних продуктів відбувається при цьому рН.

Перша гіпотеза: рН (МКФ) = пН

Якщо теоретично зрозуміло, що ідеальним показником рН МКФ повинен бути рН нейтральності (pN) ^{см. 4}, то наступним кроком варто задати питання:

Чи реальний внутрішньоклітинний рН, як передбачалося?

За словами Рана, вимірювання підтвердили, що середній внутрішньоклітинний рН людини становить 6,8 при 37° C, що дійсно є рН нейтральності (pN) при цій температурі!

Перш ніж йти далі, нам потрібно зрозуміти:

Що мається на увазі під «нейтралітетом»?

Нейтральність визначається, для водних систем, як стан, коли [Н ⁺] = [ОН ^-]. (Це визначення походить від кислотно-лужної теорії Арренія, і попутно зазначається, що критика теорії Бронстеда-Лоурі полягає в тому, що вона не має визначення нейтральності.)

За законом масової дії застосовується до дисоціації води (див. Розділ 10.4), то:

\(pN = 0.05 \times pKw\)де PkW - іонний продукт для води ⁴

Розгляд цього рівняння є важливим, оскільки воно дає нам спосіб перевірити гіпотезу Девіса, Рівза та Рана про те, що внутрішньоклітинний рН дорівнює pN (з наслідком біологічної переваги внутрішньоклітинного захоплення метаболічних проміжних продуктів. Підказка полягає в тому, що PKW дуже залежить від температури.

Отже, pN залежить від температури, і якщо гіпотеза (ICF pH = pN) правильна, то внутрішньоклітинний рН повинен змінюватися зі зміною температури, щоб зберегти прогнозовану залежність.

Внутрішньоклітинний рН приблизно pH повинен обов'язково застосовуватися до інших тварин (з температурою тіла, відмінною від 37° C), оскільки немає підстав вважати, що люди при 37° C повинні перебувати в унікальному положенні. Якщо ця прогнозована зміна температури все-таки відбудеться, це надало б дуже сильну підтримку теорії. Отже, наступне питання:

Чи змінюється внутрішньоклітинний рН з температурою, щоб залишатися рівним pN при кожній температурі? (І якщо так: як це відбувається?)

Вимірювання внутрішньоклітинного рН скелетних м'язів було проведено у кількох ектотермічних тварин, які були акліматизовані при температурі від 5° C до 31°С, і всі вони показують очікувану зміну рН: внутрішньоклітинний рН підтримується приблизно на рівні pH зі зміною температури!!

Було підраховано, що для того, щоб організм мав цю залежність температура-рН, потрібні певні речі. Повинна бути буферна система з pK, яка приблизно половина води (оскільки буфер є найбільш ефективним, близьким до його pK) і яка змінює свій pK, щоб він підтримував цю залежність при зміні температури. Буфер повинен бути присутнім в достатній концентрації і мати певні хімічні властивості (наприклад ΔH = 7 ккал на моль). Щоб ця система працювала оптимально, їй також потрібен постійний вміст CO ₂.

Експериментальна робота показала, що буферизація білка, значною мірою завдяки імідазольної групі гістидину, відповідає за підтримку цього співвідношення температури та рН (за допомогою фосфатної та бікарбонатної буферизації). З усіх наявних білково-дисоціабельних груп саме імідазол гістидину має правильний pK і pK якого змінюється з температурою відповідним чином.

Імідазол має ступінь дисоціації (іменованої альфа) 0,55 у внутрішньоклітинному відділенні, і це залишається постійним, незважаючи на зміни температури (тобто рК змінюється зі зміною температури). Ця теорія про сталість значення імідазолу альфа, запропонована Рівзом та Раном, була названа гіпотезою імідазолу альфастату.

Гіпотеза Альфастат

Ступінь іонізації (альфа) імідазольних груп внутрішньоклітинних білків залишається постійною, незважаючи на зміну температури.

Інша необхідна умова підтримки імідазолу альфа-константи полягає в тому, що вміст CO ₂ в крові повинен підтримуватися постійним при різних температурах тіла. Це означає, що вентиляція повинна регулюватися для підтримки імідазолу альфа в крові. Експериментально було встановлено, що це регулювання для підтримки імідазолу альфа-постійної в крові призведе до того, що імідазол альфа підтримується в інших відділеннях (наприклад, внутрішньоклітинної рідини), а також. Дихальний контроль, який регулює вентиляцію, ймовірно, включає білки, активність яких змінюється у відповідному напрямку за допомогою механізму альфастата. Регулювання ECF pCo ₂ необхідно, оскільки це підтримує постійну відносну лужність ECF відносно МКФ, тому існує сталість градієнта для H ⁺ по клітинній мембрані. Насправді це не означає, що вентиляція повинна помітно збільшуватися зі зниженням температури, оскільки знижена швидкість метаболізму автоматично призведе до зниження виробництва CO ₂.

Чи не повинен нейтральний рН бути 7,0?

Багато людей вважають, що рН 7,0 є «нейтральним рН» і, отже, мають проблеми з розумінням того, як може бути можлива зміна pN з температурою.

За визначенням, нейтральність - це коли рішення має [Н ⁺] = [ОН ^-]. При температурі 25° C цей стан дійсно виникає в чистій воді, коли рН становить 7,0, і це є основою загального викладання середньої школи. Але, як зазначено в розрахунках в розділі 10.4, ця умова [Н ⁺] = [ОН ^-] засноване на кількості, яке вода дисоціює і виникає при рН = 0,5 х pKW. Цей рН (pN) залежить тільки від іонного продукту води PkW' (що вказує на те, скільки води дисоціює); значення цього терміна дуже залежить від температури. При більш високій температурі вода все ще дисоціює, утворюючи рівні кількості H ⁺ і OH ^- (нейтральний стан), але існує більше дисоціації, тому [H ⁺] вище (тобто рН нижче). При 37°C пН становить 6,8

Альфа-стат проти рН-стату

Альтернативною теорією є гіпотеза рН-стату: це стверджує, що рН повинен зберігатися постійним, незважаючи на зміни температури. Це те саме, що говорити про те, що рН ECF слід підтримувати на рівні 7,4, незалежно від того, чи є температура 20° C або 25° C або що б то не було.

Результати газів крові: Правильна температура чи ні?

Підхід pH-Stat також є неявно підходом, який використовується будь-ким, хто коректує результати газів крові до температури пацієнта, але інтерпретує значення з еталонним діапазоном, що стосується 37° C. немає еталонного діапазону для температур, відмінних від 37° C, але pH-стат підхід полягає в тому, що еталонний діапазон для 37° C діє при всіх температурах.

Підхід альфа-стат полягає в тому, щоб ніколи не температура правильних результатів газів крові.

Не повідомляйте про температуру пацієнта у формі запиту, або якщо ви робите гази самостійно, введіть температуру лише як 37° C незалежно від фактичної температури пацієнта. Результати від машини для газу крові повинні бути такими, як вимірюється в машині при 37° C. еталонний діапазон для 37° C, очевидно, є правильним для застосування при оцінці цих результатів.

Ви повинні бути обережними, тому що якщо ви або колега вказуєте фактичну температуру пацієнта у формі запиту на газ крові, лаборант введе цю температуру в апарат для газоутворення крові, а друкований звіт матиме значення, розраховані для цієї температури пацієнта (тобто «виправлені» значення).

Зверніть увагу, що незалежно від фактичної температури пацієнта, апарат завжди термостатирується до 37° C, і всі вимірювання, отже, виконуються при 37° C. для інших температур пацієнта комп'ютер в машині використовує різні формули корекції, щоб обчислити, які значення параметрів будуть на фактична температура пацієнта. Корекція рН, яка використовується в більшості машин, - це поправочний коефіцієнт Розенталя. Посібник для машини для газу крові містить повний перелік формул, які він використовує для всіх розрахункових значень.

Ця суперечка щодо того, чи є альфа-стат або теорія рН-стату правильною, має практичну анестетичну актуальність у пацієнтів, які перебувають під час гіпотермії (наприклад, під час серцево-легеневого шунтування). На який рівень рН слід прагнути у цих пацієнтів? Схоже, що теорія альфа-стата зараз широко прийнята. Ймовірно, це пов'язано з інтелектуальним залученням теоретичних аргументів, оскільки основні відмінності в результаті між групами пацієнтів, якими керує pH-стат або метод альфа-стату, не були зрозумілі. Клітини здатні функціонувати незважаючи на наявність певного рівня збурень. Клінічні дослідження зосереджені на тому, який підхід найкращий для серця (результат міокарда) та/або який підхід найкращий для мозку (неврологічний результат). Мета рН-стату підтримувати рН 7,4 при більш низьких температурах гіпотермічного шунтування серця досягається за рахунок наявності рівня pCo ₂, який вище, ніж необхідний для управління альфа-статом. Це означає, що з точки зору альфастата управління рН-статом призводить до респіраторного ацидозу при більш низькій температурі. Один ефект полягає в тому, що мозковий кровотік вище при заданій температурі при управлінні рН-статом, ніж при управлінні альфастатом. (Див. Розділ 1.6.3)

Гіпотеза альфа-стата полягає в підтримці альфа, що означає, що чистий заряд на всіх білках зберігається постійним, незважаючи на зміни температури. Це гарантує, що всі білки можуть функціонувати оптимально, незважаючи на перепади температури. Важливість рН полягає не лише у внутрішньоклітинному уловлюванні метаболічних проміжних продуктів (ефект малих молекул), але й у функції білка (ефект великої молекули). Це впливає на всі білки, хоча ферменти зазвичай фігурують на видному місці як приклади. Отже, відповісти на питання про те, чому рН так важливий в обміні речовин, передбачає ці дві причини.

Резюме: Дві причини, чому рН так важливий для обміну речовин

Вплив на малі молекули: внутрішньоклітинний уловлювання проміжних метаболітів (тобто гіпотеза Девіса)
Вплив на великі молекули (білки): Підтримка оптимальної білкової функції як внутрішньоклітинно, так і позаклітинно.
Отже, організм дуже щільно регулює рН.

Заключний момент: На думку хіміків, ситуація щодо рН та температури насправді досить складна: наприклад, термодинамічна основа вимірювання рН включає термін для потенціалу стану ґрунту, який повинен бути довільно визначений при кожній температурі. Це означає, що абсолютне значення вимірюваного потенціалу при будь-якій конкретній температурі не може бути точно визначено і таким чином, що значення рН, отримані при різних температурах, строго кажучи, не можна порівняти. Це дійсно не викликає занепокоєння клініциста.

Приклад: Управління альфастатом під час індукованої гіпотермії

Як приклад розглянемо ведення пацієнта, який охолоджується під час операції на відкритому серці.

Пацієнта охолоджують до 20°C для кардіохірургії під час шунтування серця. Уявіть, що артеріальна проба була взята та проаналізована при 20° C і показала рН 7,65 та pCo ₂ 18 мм рт.ст. Тепер, якби цей самий зразок проаналізували при 37° C, то при цій температурі значення становили б рН 7,4 та pCo ₂ 40 мм рт.ст. Отже, яке значення ви хочете повідомити вам?

Значення для 37° C можна інтерпретувати проти відомих еталонних значень для 37° C, і вони вважатимуться нормальними. Це підхід альфа-стату і еквівалентний оцінці результатів щодо відповідного еталонного діапазону для 20° C, але без необхідності знати, що це таке.

Значення для 20° C також можна інтерпретувати проти референтних значень для 37° C [Насправді апарат для газу крові вимірює при 37° C, потім застосовує формули корекції та повідомляє, якими будуть значення, якщо вимірювати при 20° C]. Це підхід pH-stat (тобто ідея полягає в тому, що рН повинен зберігатися на напівмагічному значенні 7.4 при кожній температурі).

Тоді за підходом Ph-Stat було б вирішено, що цей пацієнт мав значний дихальний алкалоз, і будуть вжиті заходи для виправлення цього.

Зрозуміло, що ці два підходи можуть призвести до застосування зовсім різних методів терапії.

Короткий зміст важливих аспектів глави першої

Підхід, обговорюваний у більшості цієї книги, є традиційним підходом до кислотно-лужної фізіології, оскільки це все ще майже єдиний підхід, який обговорюється в текстах фізіології. Альтернативним підходом є кількісний підхід Стюарта, який походить від основних фізико-хімічних принципів - хоча зараз добре підтверджений доказами, цей підхід складніше використовувати в повсякденній клінічній практиці - цей підхід обговорюється в главі 10.
Кислотно-лужна теорія Бронстеда-Лоурі зазвичай використовується в біології.
Визначення: - Кислота є донором протонів, а основа - акцептор протонів
Іони водню (тобто протони) не існують у вільному розчині, але пов'язані з сусідніми молекулами води водневими зв'язками. Через таку взаємодію для біологічних ефектів важлива активність (або ефективна концентрація) іонів водню, а не фактична концентрація.
pH - це кількість, яка використовується для оцінки кислотності або лужності розчину. Визначено як негативний журнал активності іонів водню. Вимірюється за допомогою іоноселективного скляного електрода.
pH зазвичай становить 7,4 в плазмі ([H ⁺] близько 40 нмоль/л), але нижчі значення рН виявляються внутрішньоклітинно.
[Н ⁺] в організмі жорстко регулюється. Фізіологічні переваги переважно передбачають забезпечення умов для оптимальної внутрішньоклітинної функції, зокрема:
- внутрішньоклітинне захоплення проміжних речовин метаболітів максимізується при внутрішньоклітинному рН нейтральності
- активність всіх білків (включаючи ферменти) становить оптимізований, оскільки їх чистий заряд підтримується постійним
В організмі внутрішньоклітинний рН змінюється з температурою таким чином, що внутрішньоклітинний рН залишається на рівні або близький до рН нейтральності. Це досягається відповідними температурно-індукованими змінами рК імідазольної групи гістидину. Ідея про те, що ступінь дисоціації (відома як альфа) імідазолу залишається постійною, незважаючи на зміни температури, відома як гіпотеза альфа-стату. Це має наслідки для клінічної практики (наприклад, лікування гіпотермії під час серцево-легеневого шунтування; а не значення, що коректують температуру в звітах ABG).

Посилання

Рівз Р. гіпотеза імідазолу альфастату для хребетної кислотно-лужної регуляції: вміст вуглекислого газу в тканині та температура тіла у буйжаб. Респір. Фізіол. 14,219 -236.
Rahn H Температура тіла і кислотно-лужна регуляція Пневмонологія. 1974; 151 (2) :87-94
Девіс Б Про важливість іонізованого Арка Біохіма Біофіс 1958; 78:497-509
Austin J і Cullen G Концентрація іонів водню в крові в здоров'ї та хворобах Медицина 1925; 4:275-343. (NB: У цій статті ці автори ввели символ pN для позначення «pH нейтральності» - див. Стр. 299)