Φυσικοχημική προσέγγιση του Stewart – μία νέα ματιά μέσα από έναν επιστημονικό διάλογο

του Ιωάννη Βασιλειάδη, Αναπληρωτή Καθηγητή Παθολογίας-Εντατικής Θεραπείας, A’ Κλινική Εντατικής Θεραπείας, ΕΚΠΑ, Νοσοκομείο “ο Ευαγγελισμός”,
του Μάνου Αλευράκη, Ιατρού, Ειδικευόμενου Πνευμονολογίας, Νοσοκομείο “η Σωτηρία” και
του Νικολάου Γιαλελή, Μαθηματικού, Ιατρού

Κλασικά, ο τρόπος με τον οποίο ερμηνεύονται/κατατάσσονται οι οξεοβασικές διαταραχές βασίζεται στην αντίδραση διάστασης του ανθρακικού οξέος στο πλάσμα (ασθενές οξύ, pKa=6.1). Η εφαρμογή του νόμου δράσης των μαζών των Guldberg-Waage για την αντίδραση αυτή οδηγεί στην γνωστή εξίσωση των Henderson-Hasselbalch, από την οποία υπολογίζεται το pH. Ο Peter A. Stewart, Καναδός φυσιολόγος (1921-1993), ακολουθώντας μια εναλλακτική/φυσικοχημική προσέγγιση, καθόρισε τρεις ανεξάρτητες μεταβλητές, οι οποίες μπορεί να μεταβάλλουν τη [Η⁺] στα υδατικά διαλύματα: τη διαφορά της συγκέντρωσης των ισχυρών ιόντων (Strong Ion Difference, SID), την ολική συγκέντρωση των μη-πτητικών, ασθενών οξέων ([Α_ΤΟΤ]) και την PCO₂. 
Διαταραχές αυτών των μεταβλητών, επηρεάζουν τη διάσταση του ύδατος (Η₂Ο) σε Η⁺ και ιόντα υδροξυλίου (ΟΗ^–) και μεταβάλουν τη [Η⁺]. Επίσης ο Stewart καθόρισε και τον τρόπο αλληλεπίδρασης αυτών των μεταβλητών, που υπακούει σε τρεις θεμελιώδεις φυσικοχημικές αρχές: 1. την αρχή διατήρησης της μάζας, 2. την αρχή της ηλεκτρικής ουδετερότητας των υδατικών διαλυμάτων και, προκειμένου για τη διάσταση των ασθενών ηλεκτρολυτών, 3. τον νόμο δράσης των μαζών, των Guldberg-Waage.

Σε σχετικά πρόσφατο Editorial που δημοσιεύτηκε στο Acta Physiologica, διερευνήσαμε τη σημασία της [SID] (ή χάσματος ανιόντων) στα ούρα (ιδιαίτερα σε περίπτωση μεταβολικής οξέωσης με φυσιολογικό χάσμα ανιόντων πλάσματος) και με τις δύο προσεγγίσεις: κατά την κλασική προσέγγιση η τιμή αυτής της παραμέτρου σχετίζεται με την αποβολή της περίσσειας Η⁺ στα ούρα με τη μορφή ΝΗ₄⁺ ενώ κατά την φυσικοχημική προσέγγιση με την αποβολή αυξημένης ποσότητας ισχυρών ανιόντων (Cl^–) στα ούρα, με αποτέλεσμα την μείωση (ή και αρνητικοποίηση) της [SID] των ούρων και την αύξηση/αποκατάσταση της [SID] στο πλάσμα. Η ερμηνευτική μας προσέγγιση αποτέλεσε την αιτία για μια ‘επιστημονική αντιπαράθεση’ με τον Καθηγητή Φυσιολογίας P. Bie (Peter Bie, Professor of Physiology, University of Southern Denmark), ο οποίος αμφισβήτησε συνολικά την εγκυρότητα της οπτικής του Stewart (δεν είναι ο μόνος!).

Τελικά, από το σύνολο των ‘ερωτημάτων’ παρέμειναν –και απαντήθηκαν– δύο: 1. το ερώτημα για τη διακίνηση Η⁺ στα υδατικά διαλύματα και δια των διαύλων ιόντων και 2. η δυνατότητα της [SID] να δρα ως ανεξάρτητη μεταβλητή, ρυθμίζοντας το pH στα διάφορα υγρά του οργανισμού.

Η μεταφορά Η⁺ μεταξύ των διαφόρων διαμερισμάτων του οργανισμού αποτελεί κεντρικό σημείο των κλασικών προσεγγίσεων ερμηνείας των οξεοβασικών διαταραχών. Όπως αναφέρουμε, η αποδοχή μιας πραγματικής διακίνησης Η⁺, δεν δυσκολεύει τόσο την αποδοχή της οπτικής του Stewart όσο εξηγεί την εμμένουσα προσέγγιση στην κλασική οπτική της ερμηνείας των οξεοβασικών διαταραχών (η αρχή της θα μπορούσε να αναζητηθεί στον ορισμό των οξέων από τον Arrhenius –ή τους Brønsted και Lowry: ουσία που διΐσταται σε υδατικά διαλύματα δίνοντας Η⁺ –ή οποιαδήποτε ουσία η οποία μπορεί να δίνει ένα Η⁺, αντίστοιχα).                                                                                        

Παρόλα αυτά, η πραγματική διακίνηση (μέσω διαχύσεως) συγκεκριμένων Η⁺ (σε υδατικά διαλύματα ή δια μέσου ιοντικών διαύλων) έχει αμφισβητηθεί λόγω της πολύ χαμηλής συγκέντρωσης των Η⁺ στα υγρά του οργανισμού και της ‘φευγαλέας’ παρουσίας τους στα υδατικά διαλύματα (της τάξης των picoseconds). Έναντι αυτής της διακίνησης έχει προταθεί –ήδη από το 1806– ο μηχανισμός Grotthuss (Ann Chim 58: 54–73, 1806), ο οποίος φαίνεται να αποτελεί την επικρατούσα άποψη σήμερα. Κατ’ αυτόν περιγράφεται αλληλομετατροπή ‘κατιονικών συμπλεγμάτων’ μορίων Η₂Ο (Eigen – Zundel cations) και ουσιαστικά μετατόπιση φορτίου, μέσω διαδοχικής διάσπασης και επανασχηματισμού ομοιοπολικών δεσμών στο δίκτυο των δεσμών υδρογόνου των υδατικών διαλυμάτων. Στα δίκτυα αυτά, η κατανομή του φορτίου μπορεί να μεταβληθεί με την αλλαγή του μεγέθους των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που δρουν (πχ μεταβολή [SID]), ερμηνεύοντας απόλυτα την μεταβολή αντίστοιχα της [Η⁺] επί μεταβολής της [SID], χωρίς ανάγκη για πραγματική διακίνηση Η⁺. Ο ίδιος μηχανισμός έχει προταθεί για την ερμηνεία της μεταβολής της [Η⁺] εκατέρωθεν ιοντικών διαύλων, στους οποίους περιγράφεται ‘διακίνηση’ Η⁺.

Ο μηχανισμός αυτός ‘κλονίζει’ αντίστοιχα και την οπτική που θεωρεί την διατροφή και τον μεταβολισμό ως παραγωγούς πρωτονίων και τους νεφρούς ως όργανα αποβολής της περίσσειας πρωτονίων.

Τέλος, σχετικά με την ιδιότητα της [SID] να δρα ως ανεξάρτητη μεταβλητή, καταδείχθηκε, με την χρήση μαθηματικών (αναλυτικών και προσεγγιστικών) τεχνικών, ότι αφορά στις φυσικοχημικές ιδιότητες(μέγεθος σταθεράς διάστασης) των ισχυρών ιόντων που συνθέτουν τη [SID], συγκριτικά με τις αντίστοιχες ιδιότητες των ασθενών ηλεκτρολυτών (εξαρτημένες μεταβλητές) – και όχι στη φυσιολογική ρύθμιση των αντίστοιχων συγκεντρώσεων από τα συστήματα του οργανισμού, προς εξυπηρέτηση, τελεολογικά, της φυσιολογίας του. Μάλιστα, για την ιδιότητα της [SID] να ρυθμίζει σε ένα διάλυμα την [Η⁺], χρησιμοποιήσαμε, εμφατικά, την έννοια του Αριστοτελικού ‘κινοῦντος ἀκινήτου’.

Παραθέτουμε, με τη σειρά δημοσίευσης, τα άρθρα του παραπάνω αναφερόμενου επιστημονικού διαλόγου:

1. Acta Physiol (Oxf). 2020;230(3):e13559.
2. Acta Physiol (Oxf). 2021;232(2):e13616
3. Acta Physiol (Oxf). 2021;232(2):e13622.
4. Acta Physiol (Oxf). 2021;233(2):e13667.
5. Acta Physiol (Oxf). 2022;234(1):e13698.