Rev.int.med.cienc.act.fís.deporte-
vol. 11 - número 41 - marzo 2011 - ISSN:
1577-0354
Peinado,
A.B., Díaz, V.; Benito, P.J.; Álvarez, M. y Calderón, F.J.
(2011). Simplificación de la ecuación de Stewart para
valorar el estado ácido-base. Revista
Internacional de Medicina y Ciencias de la Actividad Física y el Deporte vol.
10 (41) pp. 115-126. Http://cdeporte.rediris.es/revista/revista41/artecuacion197.htm
ORIGINAL
ECUACIÓN SIMPLIFICADA DE STEWART
PARA VALORAR EL ESTADO ÁCIDO-BASE EN EJERCICIO
A SIMPLIFICATION OF THE STEWART EQUATION TO DETERMINE
ACID-BASE STATUS IN EXERCISE
Peinado, A.B.1, Díaz, V.2; Benito,
P.J.3; Álvarez, M.4 y Calderón, F.J.5
1Doctora en Ciencias de la Actividad
Física y del Deporte. Profesora
Ayudante Doctor, Facultad de Ciencias de la Actividad
Física y del Deporte – INEF. Universidad Politécnica de Madrid, España (anabelen.peinado@upm.es).
2Doctor en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. Investigador postdoctoral, Facultad de Ciencias de la Actividad Física y del Deporte – INEF. Universidad Politécnica de Madrid, España (victor.diaz@upm.es). Instituto de Fisiología Veterinaria y Zurich Center for Integrative Human Physiology (ZIHP), Universidad de Zurich, Suiza.
3Doctor en Ciencias de la
Actividad Física y del Deporte. Profesor Titular Interino, Facultad de Ciencias
de la Actividad Física y del Deporte – INEF. Universidad Politécnica de Madrid,
España (pedroj.benito@upm.es).
4Licenciada en Ciencias de la Actividad Física y del Deporte. Instituto de Fisiología Veterinaria y Zurich Center for Integrative Human Physiology (ZIHP), Universidad de Zurich, Suiza. (mariaalvarezsanchez@gmail.com).
5Doctor en Medicina y
Cirugía. Profesor Titular de Universidad, Facultad de Ciencias de la Actividad
Física y del Deporte – INEF. Universidad Politécnica de Madrid, España (franciscojavier.calderon@upm.es).
Código UNESCO: 2411
Fisiología Humana
Clasificación del Consejo de Europa: 13.
Fisiología del deporte
Recibido 9 de
septiembre de 2009
Aceptado 3 de
noviembre de 2009
RESUMEN
El objetivo del estudio fue
simplificar la ecuación de Stewart y verificar la validez de la ecuación
propuesta. Veinticuatro varones realizaron un test a carga constante de 30
minutos en tapiz rodante. Fueron tomadas muestras de sangre capilar en reposo y
en los minutos 10, 20 y 30 del test. Los parámetros ácido-base fueron
analizados con un analizador de gases en sangre y el lactato por método
enzimático. La [H+] fue calculada usando la ecuación de Stewart y la
ecuación propuesta. La diferencia de medias entre la ecuación propuesta y la de Stewart fue de 0,004 nmol.L-1 para la [H+].
Sin embargo, la diferencia de medias entre las ecuaciones y los valores medidos
fue mayor de 8 nmol.L-1 para la [H+] (p<0,001). La
ecuación propuesta puede ser usada para estimar la [H+] en lugar de
la ecuación de Stewart, aunque los valores estimados son significativamente
diferentes a los valores medidos.
PALABRAS CLAVE: ion hidrógeno, diferencia de iones fuertes,
equilibrio ácido-base, lactato, ejercicio a carga constante.
ABSTRACT
The aim of the present study was to simplify the Stewart equation and to
test the validity of the proposed form. Twenty-four men performed a constant
load exercise test for 30 min on a treadmill. Capillary blood samples were
taken at rest, and again 10, 20 and 30 min into the test. Acid-base variables
were measured using a blood-gas analyser and lactate levels were measured enzymatically. The [H+] was calculated using the
Stewart equation: A[H+]4+B[H+]3+C[H+]2+D[H+]+E=0,
and using a proposed, simplified version of this equation: A[H+]2+B[H+]+C=0.
The difference in the mean [H+] results obtained with the two
equations was 0.004 nmol·L-1. However, the difference between the
means of the equation-derived results and the measured values was highly
significant at >8 nmol·L-1
(p<0.001). The proposed equation can be used to estimate [H+]
instead of the full Stewart equation, although the values obtained are
significantly different to those actually measured.
KEY WORDS: acid-base equilibrium, constant load, hydrogen ion, lactate, strong
ions.
1. INTRODUCCIÓN
La explicación tradicional del
equilibrio ácido-base queda reflejada en la ecuación de Henderson-Hasselbach (1). De forma tradicional, el estado ácido-base del
organismo se explica en términos cuantitativos mediante la relación entre pH
plasmático e intensidad del ejercicio. Cuando la intensidad del ejercicio
alcanza un valor determinado, el incremento de la concentración de ácidos en
plasma determina un aumento de la concentración de protones
Las variables independientes que
determinan el equilibrio ácido-base de las soluciones biológicas son: la
presión parcial de dióxido de carbono
2. MATERIAL Y MÉTODOS
2.1. SUJETOS
Veinticuatro varones
sanos (26,7±4,9 años de edad; 176,1±6,3 cm de altura y 72,8±6,7 kg de peso
corporal), estudiantes de Ciencias de
2.2. PROTOCOLO
Todos los sujetos
realizaron dos pruebas en tapiz rodante (H/P/COSMOS PULSAR 3P 4.0 ®, h/p/cosmos
sports & medical, Nussdorf-Traunstein,
Alemania). En la primera prueba se utilizó un protocolo incremental de 0,2 km·h-1
cada 12 segundos y una pendiente fija de 1%. La segunda prueba consistió en una
fase estable de 30 minutos, realizada a la carga correspondiente al punto medio
de los umbrales ventilatorios (13-15) localizados en la primera prueba. La medición de la composición y el volumen
del aire espirado se realizó con un equipo Jaeger Oxicon Pro ® (Erich Jaeger,
Alemania).
2.3. MUESTRAS SANGUÍNEAS Y ANÁLISIS
Durante la prueba a carga constante
se obtuvieron muestras de sangre capilar de la yema del dedo en: reposo, minutos
10, 20 y 30 de prueba. En total se obtuvieron 96 muestras sanguíneas. Las
muestras fueron recogidas en capilares heparinizados de
100 µl (heparina equilibrada electrolíticamente). Una parte de la muestra (75
µl) se utilizó para el análisis de los parámetros ácido-base (pH, PCO2,
HCO3-) y de los electrolitos (Na+, K+,
Ca2+ y Cl-). Para ello se utilizó un analizador de gases
en sangre ABL 77 ® (Radiometer Copenhagen,
Dinamarca). El resto de la muestra de sangre capilar (25 µl) se usó para medir la concentración de lactato ([Lac-])
mediante método enzimático, utilizando el analizador YSI 1500 ® (Yellow Springs Instruments Co.,
USA). Ambos analizadores fueron calibrados antes de cada prueba. El analizador
de lactato fue calibrado usando concentraciones conocidas de lactato de 5 y 15
mmol·L-1. El analizador de gases en sangre se calibró
automáticamente siguiendo las instrucciones del fabricante.
2.4. CÁLCULOS
Para calcular la [H+] se
utilizó en primer lugar la ecuación de Stewart (3, 12):
Ecuación 1
A[H+]4
+ B[H+]3 + C[H+]2 + D[H+]
+ E = 0
donde A = 1, B = KA
+ [SID], C =
Posteriormente, la [H+]
fue calculada con una ecuación de menor complejidad matemática obtenida a
partir de la simplificación de la ecuación de Stewart. Debido a su probable escasa
contribución en el resultado final, los coeficientes D y E fueron eliminados,
obteniendo la siguiente ecuación:
Ecuación 2
A[H+]4
+ B[H+]3 + C[H+]2 = 0
Simplificando, la ecuación
simplificada propuesta es:
A[H+]2
+ B[H+] + C = 0
2.5. ANÁLISIS ESTADÍSTICO
Para comparar los
valores de pH y [H+] medidos por el analizador de gases en sangre y
los valores estimados mediante la ecuación de Stewart y la ecuación
simplificada propuesta, se realizó un análisis de la varianza (ANOVA) de una
vía. Cuando se encontraron diferencias significativas se realizó un análisis post-hoc Scheffé.
Para comprobar la validez de la ecuación simplificada se realizó un análisis de
regresión lineal, se calculó la correlación de Pearson
y se dibujaron los gráficos para las diferencias de las medias, siguiendo el
procedimiento descrito por Bland y Altman (17), entre los valores de pH y de [H+]
medidos, calculados con Stewart y con la ecuación propuesta. Para hallar la
proporción de varianza explicada de la nueva ecuación se utilizó el coeficiente
de determinación (r2). El análisis estadístico se llevó a cabo
mediante el programa SPSS 12.0 para Windows (SPSS Worldwide
Headquarters, Chicago, IL). El nivel de significación
fue de α < 0,05.
3. RESULTADOS
Tabla 1. Datos descriptivos (media ± DE) para la [SID], PCO2 y [Lac-].
DE: Desviación estándar. |
|||
|
[SID] (mequiv·L-1) |
[Lac-] (mmol·L-1) |
PCO2 (mmHg) |
Reposo |
39,1 ± 12,15 |
1,52 ± 0,53 |
36,21 ± 3,50 |
Min 10 |
32,64 ± 3,58 |
4,87 ± 2,09 |
35,79 ± 3,54 |
Min 20 |
33,5 ± 3,93 |
4,85 ± 1,97 |
31,88 ± 2,71 |
Min 30 |
34,42 ± 4,20 |
4,31 ± 2,08 |
30,92 ± 3,68 |
Los
valores medios de pH y [H+] medidos obtuvieron diferencias
significativas con los valores calculados por ambas ecuaciones, Stewart y la
ecuación simplificada propuesta. Sin embargo, no hubo diferencias
significativas entre los valores estimados por ambas ecuaciones.
La tabla
1 muestra los valores descriptivos (media ± DE) para la [SID], PCO2 y [Lac-], obtenidos con el analizador
de gases en sangre y el analizador de lactato (ver material y métodos).
La tabla 2 muestra
las medias ± DE del pH y la [H+] medidas, estimadas por la ecuación
de Stewart y estimadas por la ecuación propuesta (ecuaciones 1 y 2
respectivamente).
Tabla 2. Diferencias entre los valores de pH
y [H+] medidos y los estimados utilizando la ecuación de Stewart y
la ecuación simplificada propuesta. Los datos son mostrados como medias ± DE.
pHm, [H+]m:
valores de pH y [H+] medidos. pHstw, [H+]stw: valores estimados de pH y [H+]
utilizando la ecuación de Stewart. pHp,
[H+]p: valores estimados de pH y [H+] usando
la ecuación simplificada propuesta. * Diferencias significativas con el pH
medido (p<0,05). † Diferencias significativas con la [H+]
medida (p<0,05). |
||||||
|
pHm |
[H+]m (nmol.L-1) |
pHstw |
[H+]stw (nmol.L-1) |
pHp |
[H+]p (nmol.L-1) |
Reposo |
7,41±0,02 |
39,02±1,50 |
7,30±0,02* |
50,60±2,40† |
7,30±0,02* |
50,60±2,40† |
Min 10 |
7,32±0,06 |
48,92±7,44 |
7,26±0,04* |
55,34±5,15† |
7,26±0,04* |
55,34±5,15† |
Min 20 |
7,34±0,06 |
45,77±6,59 |
7,27±0,05* |
54,05±5,56† |
7,27±0,05* |
54,06±5,56† |
Min 30 |
7,36±0,05 |
44,11±4,83 |
7,28±0,05* |
52,72±5,78† |
7,28±0,05* |
52,72±5,78† |
Los
diagramas de dispersión se muestran en la figura 1. Se obtuvo una alta
correlación entre los valores de [H+] calculados con la ecuación de
Stewart y con la ecuación simplificada (r = 0,999; p<0,001); sin embargo, se obtuvo una correlación menor de 0,50
cuando se compararon los valores de [H+] medidos con los obtenidos
por ambas ecuaciones, Stewart y propuesta (r = 0,491; p<0,001 y r = 0,492;
p<0,001, respectivamente).
Los
valores de pH y [H+] medidos fueron significativamente diferentes de
los valores estimados por ambas ecuaciones, Stewart y la propuesta (tabla 2).
Sin embargo, no existieron diferencias significativas entre los valores de pH y
[H+] calculados con ambas
ecuaciones (tabla 2), en ninguno de los momentos de medida (reposo, minuto 10,
20 y 30 de la prueba). El promedio de la diferencia de las medias entre los
valores de [H+] calculados con la ecuación propuesta y con la de
Stewart fue de 0,004 ± 0,013 nmol·L-1, mientras que el promedio de
la diferencia de las medias entre los valores de [H+] utilizando la
ecuación de Stewart y medidos fue de 8,723 ± 6,032 nmol·L-1,
obteniéndose resultados similares (8,727 ± 6,031 nmol·L-1) al
comparar los valores de [H+] calculados utilizando la ecuación
propuesta y los medidos. En la figura 1 se muestran los gráficos de Bland y Altman para la [H+],
en los que se pueden observar estos resultados.
Fig.
1. Los gráficos de la izquierda representan el análisis de regresión lineal
(línea continua) y la línea de identidad para la [H+]. A) Ecuación
de Stewart versus ecuación simplificada propuesta (nmol·L-1). B)
Valores medidos versus ecuación simplificada propuesta (nmol·L-1).
C) Valores medidos versus ecuación de Stewart (nmol·L-1).
4. DISCUSIÓN
La
escasa contribución de los coeficientes D y E en la ecuación de Stewart,
permite eliminarlos y trabajar con una ecuación de segundo grado con la que se
obtienen resultados similares. Los resultados del presente estudio difieren de
los obtenidos por otros autores (4, 6, 18-20). Observamos
diferencias significativas entre la [H+] medida y
estimada por cualquiera de las dos ecuaciones: la ecuación de Stewart y la
ecuación simplificada propuesta. Sin embargo, entre la [H+] estimada
con la ecuación de Stewart y con la ecuación propuesta no hubo diferencias
significativas. El procedimiento de Bland y Altman (17) demostró la validez de la nueva ecuación (fig.
1A), verificándose la utilidad de esta en lugar
de la ecuación de Stewart de mayor complejidad matemática.
Las
diferencias son superiores a 8 nmol.L-1, al comparar los valores
medidos en sangre capilar con los calculados a partir de ambas ecuaciones. Por
el contrario, en el trabajo de Kowalchuk y Scheuermann (1994, 1995) las diferencias entre la [H+]
medida y estimada por la ecuación de Stewart fueron inferiores a 3 nmol.L-1
A partir
de una [H+] superior a 55 nmol.L-1 en plasma, las
diferencias entre valores medidos y calculados pueden estar sesgados (4), pero
en el presente estudio las diferencias se muestran incluso en valores de
reposo. En el estudio de Kowalchuk y col. (1988) los valores de [H+]
medidos y calculados fueron muy parecidos, a excepción de los valores en reposo
en sangre arterial, donde hubo una gran variabilidad entre sujetos.
Las
razones de las discrepancias entre los resultados de este estudio y los
resultados de estudios similares pueden deberse a diversos factores. En primer
lugar, aunque diferentes trabajos no han mostrado influencias del tipo de
sangre en las medidas ácido-base realizadas (23, 24), nosotros analizamos
muestras de sangre capilar, mientras que en el resto de estudios se trabajó con
sangre venosa (18), venosa arterializada (4) y sangre arterial (16).
En
segundo lugar, no se han medido los ácidos débiles
En
tercer lugar, errores al medir las variables independientes que más determinan
la [H+]: PCO2, [SID]. Ambas variables determinan los
coeficientes de la ecuación de Stewart y de la ecuación propuesta. Sin embargo,
los valores obtenidos para estas variables son similares al del resto de
estudios. Aunque los coeficientes D y E han sido eliminados en la ecuación
propuesta, consideramos que su impacto fisiológico es bajo debido a que la PCO2
es la única variable independiente incluida en ellos. La metodología utilizada
para medir el pH, la PCO2, los iones fuertes (Na+, K+,
Ca2+ y Cl-) y el lactato fue
similar a la utilizada por otros autores (4). Kowalchuk
y Scheuermann (1995) señalan que las diferencias
pueden deberse a que no todos los iones fuertes son medidos, siendo el valor de
[SID] impreciso.
Por
último, errores en los valores de las constantes de equilibrio usados para
determinar los coeficientes de la ecuación de Stewart. Se han empleado los
valores utilizados y recomendados en la literatura, que corresponden a una
temperatura de 37º C para el plasma sanguíneo (3, 5, 9, 12). Estas constantes
son dependientes de la fuerza iónica y de la temperatura de la solución, y aunque
la utilización de valores incorrectos se asocia con pequeños errores, el modelo
de Stewart es insensible a errores en la mayoría de las constantes de
disociación (4, 5, 16). En el presente estudio se ha asumido el mismo valor de
las constantes independientemente de la temperatura central y periférica
durante el ejercicio. Aunque el ejercicio se realizó a carga y temperatura
constantes, es probable que la temperatura no fuera la misma al comienzo que a
la finalización del ejercicio. Sin embargo, el efecto del incremento de la
temperatura sobre las constantes para determinar los coeficientes de Stewart es
despreciable en un sentido biológico (25). Además, las variaciones en la
temperatura no explicarían las diferencias entre la concentración de protones
medida y estimada por cualquiera de las dos ecuaciones.
El
procedimiento matemático empleado para resolver el polinomio de Stewart no es
descrito en ninguno de los trabajos revisados, siendo este aspecto importante a
la hora de determinar cuál puede ser la posible causa de las diferencias
encontradas entre la [H+] medida y estimada, al comparar los
resultados de otros estudios y este trabajo.
5. CONCLUSIONES
En
conclusión, ni la ecuación de Stewart ni la versión simplificada propuesta,
parecen dar una estimación válida de la [H+], cuando los resultados
se comparan con los obtenidos experimentalmente. De todas formas, la ecuación
propuesta puede ser usada para estimar la [H+] en lugar de la ecuación
de Stewart, ya que los resultados del presente trabajo demuestran su validez y
menor complejidad. Futuros trabajos en condiciones de acidosis severa, en las
que la [H+] es más alta que la estudiada en el presente trabajo,
demostrarán si las estimaciones realizadas por la ecuación propuesta se
aproximan a los valores medidos.
6. RELEVANCIA FISIOLÓGICA
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