Von Dr. K. David Sawatzky
Ursprünglich in der Zeitschrift Diver, Ausgabe Dez 2008/Jan 2009 veröffentlicht, ist dieser Artikel Teil I eines zweiteiligen Artikels über Sauerstofftoxizität.
Ein häufiges problem beim Tauchen ist zu viel Sauerstoff (hyperoxia). In diesem Artikel werde ich den Mechanismus der Sauerstofftoxizität überprüfen und in einem Folgeartikel die Anzeichen und Symptome der Sauerstofftoxizität überprüfen.
Luft besteht zu 21% aus Sauerstoff (O2). Wir benötigen O2, um zu überleben, und ohne O2 werden wir sehr schnell sterben., Unseren Körpern ist es eigentlich egal, wie viel O2 wir atmen, sie reagieren auf den Partialdruck von O2 (pO2).
Auf der Oberfläche beträgt der Partialdruck von O2 in Luft 0,21 ATA (0,21 * 1,0 ATA = 0,21 ATA). Wie wir in der letzten Spalte gesehen haben, leisten unsere Körper, wenn wir jung und gesund sind, bei Partialdrücken von O2 bis zu 0,16 ATA eine hervorragende Leistung und können in Ruhe leicht einen pO2 von 0,12 ATA tolerieren. Bei chronischer Exposition können wir uns an noch niedrigere pO2s anpassen.
Wenn wir jedoch tauchen, sind wir normalerweise zu viel höheren pO2s ausgesetzt., Der menschliche Körper ist in der Lage, erhöhte Partialdrücke von Sauerstoff bis zu etwa 0,45 ATA problemlos zu tolerieren. Wenn der pO2 über dieses Niveau ansteigt, treten schließlich toxische Wirkungen auf. Die toxische Wirkung von Sauerstoff auf die Lunge ist in erster Linie ein Problem der langen Exposition (viele Stunden oder sogar Tage) gegenüber pO2s zwischen 0,45 und 1,6 ATA. Bei pO2s über 1,6 ATA treten die toxischen Wirkungen von Sauerstoff auf das Gehirn (Minuten bis einige Stunden) vor den toxischen Wirkungen auf die Lunge auf.,
Viele Freizeittaucher müssen sich keine Sorgen um Sauerstofftoxizität machen, denn beim Tauchen in der Luft wird der pO2 niemals hoch genug sein, um lange genug Probleme zu verursachen. Die narkotische Wirkung von Stickstoff bewirkt, dass Lufttaucher ihre Tiefe auf maximal 130 fsw (40 msw) begrenzen. In dieser tiefe atmen luft, die pO2 ist etwas über 1,0 ATA, zu niedrig zu sorgen über ZNS toxizität. Die begrenzte Größe unserer Luftzufuhr hält die Bodenzeiten kurz genug, dass wir uns normalerweise keine Sorgen um die Lungentoxizität machen müssen.,
Viele Freizeittaucher tauchen jetzt Nitrox mit bis zu 40% Sauerstoff und einige verwenden höhere Sauerstoffgehalte oder sogar reinen Sauerstoff zur Dekompression. Wenn Sie höhere Sauerstoffanteile einatmen, treten in flacheren Tiefen toxische Wirkungen auf. Das O2 in der Luft erreicht erst einen Partialdruck von 1,6 ATA bis zu einer Tiefe von 218 fsw (66 msw), weit tiefer als ein Freizeittaucher. Das O2 in Nitrox40 erreicht jedoch einen pO2 von 1,6 ATA in einer Tiefe von nur 99 fsw (30 msw), eine Tiefe, in der die meisten Freizeittaucher regelmäßig tauchen., Darüber hinaus können Sie mit Nitrox länger tauchen, bevor Sie Dekompressionsstopps benötigen, und kürzere Dekompressionsstopps durchführen, wenn Sie in die Dekompression geraten. Infolgedessen verwenden Freizeittaucher größere Tanks oder mehrere Tanks und machen längere Tauchgänge. Diese längeren Tauchgänge erhöhen auch das Risiko einer O2-Toxizität. Daher sollten alle Taucher mindestens ein grundlegendes Verständnis der Sauerstofftoxizität haben.
Sauerstoff ist ein farbloses, geruchloses, geschmackloses Gas und macht 20,98% des Luftvolumens aus. Die Toxizität von Sauerstoff ist eine Funktion des pO2, der Expositionszeit und der individuellen Variation., Es gibt einen deutlichen Unterschied in der Anfälligkeit von Individuen für Sauerstofftoxizität und eine Veränderung derselben Person von Tag zu Tag.
Die Toxizität von Sauerstoff ist wirklich eine Funktion des pO2 in den Zellen und alle Zellen sterben schließlich ab, wenn sie lange genug einem ausreichend hohen pO2 ausgesetzt sind. Beim lebenden, atmenden Menschen gibt es jedoch nur zwei Gewebe, um die wir uns kümmern müssen, die Lunge und das Gehirn. Die toxischen Wirkungen von Sauerstoff auf diese Gewebe werden uns außer Gefecht setzen, bevor die anderen Gewebe ein ernstes Problem haben., Um vollkommen korrekt zu sein, kann ein drittes Gewebe in seltenen Fällen zu einem Problem werden, in denen ein Rebreather-Taucher mehrere Tage hintereinander jeden Tag viel getaucht hat. Das Auge kann nahe sitzend werden. Diese „hyperbare induzierte Kurzsichtigkeit“ geht über den Rahmen dieser Spalte hinaus.
Im Allgemeinen hängt die Anfälligkeit einer Zelle für Sauerstofftoxizität mit ihrer Stoffwechselrate zusammen. Eine ruhende Zelle ist relativ resistent, während eine aktive Zelle anfälliger ist.
Dieser nächste Punkt ist entscheidend für das Verständnis der Sauerstofftoxizität., Normaler Sauerstoff ist ein Molekül, das aus zwei Sauerstoffatomen mit einer ausgewogenen Anzahl von Protonen und Elektronen besteht, so dass das Molekül keine elektrische Ladung hat. Dieses normale Sauerstoffmolekül ist nicht giftig!!
Das Problem ist, dass immer dann, wenn molekulares O2 existiert, es andere Substanzen bildet, die als „Sauerstoffradikale“ bekannt sind. Sauerstoffradikale sind hochreaktive Moleküle, gebildet aus Sauerstoff, die oft mindestens ein zusätzliches Elektron enthalten., Diese Moleküle entstehen durch Kollisionen zwischen Sauerstoffmolekülen, Kollisionen zwischen Sauerstoff und anderen Molekülen und als Folge von Stoffwechselprozessen in den Zellen. Beispiele hierfür sind Superoxidanionen, Wasserstoffperoxid, Hydroperoxy-und Hydroxylradikale sowie Singlet-Sauerstoff. Sauerstoffradikale binden häufig an das nächste Molekül, mit dem sie in Kontakt kommen, und beschädigen oder verändern dieses Molekül normalerweise. Wenn Sie also O2 haben, haben Sie O2-Radikale. Selbst wenn es eine magische Möglichkeit gäbe, alle Sauerstoffradikale aus einem Sauerstofftank zu entfernen, würde sich sofort mehr bilden., Die Anzahl der O2-Radikale ist proportional zum Partialdruck von O2.
Es gibt Hunderte spezifischer chemischer Reaktionen, an denen Sauerstoffradikale beteiligt sein können, die die Zelle schädigen, aber im Allgemeinen gibt es drei Möglichkeiten, wie sie Schäden verursachen. Die erste ist durch Inaktivierung von Enzymen. Enzyme sind Proteine, die als Katalysatoren wirken und Reaktionen hervorrufen, die normalerweise nicht bei Körpertemperatur auftreten würden. Sie tun dies, indem sie die beiden Moleküle halten, die genau in der richtigen Ausrichtung zueinander reagieren sollen, so dass sie sich verbinden., Das resultierende Molekül wird freigesetzt und das Enzym beginnt erneut und wiederholt den Prozess tausende Male. Wenn die Form des Enzyms geändert wird, werden die Moleküle nicht in der richtigen Orientierung gehalten und die Reaktion tritt nicht auf. Sauerstoffradikale verursachen eine Vernetzung von Sulfydrylgruppen, wodurch die Form des Enzyms verändert und inaktiviert wird. Sie verursachen auch Veränderungen in der Form von Proteinen, die für den Transport von Ionen in und aus den Zellen über die Zellmembran verantwortlich sind, und hindern sie daran, zu funktionieren. Schließlich verursachen Sauerstoffradikale eine Peroxidation der verschiedenen Lipide in den Zellen.,
Alle Zellen in sauerstoffatmenden Tieren haben Möglichkeiten, Sauerstoffradikale zu inaktivieren und einen Teil des von ihnen verursachten Schadens zu reparieren. Die beiden Hauptabwehrkräfte sind Superoxiddysmutase und Katalase. Beide Enzyme tragen dazu bei, eine gute Versorgung mit reduziertem Glutathion aufrechtzuerhalten. Reduziertes Glutathion hat viele Sulfydrylgruppen und Sauerstoffradikale binden an sie und können so die Zelle schädigen. Vitamine E und C sind auch Antioxidantien.
Sauerstoffradikale sind nicht nur beim Tauchen wichtig, sondern werden in der Medizin immer wichtiger., Eine der Methoden, mit denen weiße Blutkörperchen (WBC) Bakterien abtöten, besteht darin, die Bakterien in eine Membran einzuschließen und dann Sauerstoffradikale in die Vakuole zu injizieren (die WBC bildet die O2-Radikale). Die Sauerstoffradikale töten die Bakterien tatsächlich ab. Darüber hinaus wissen wir jetzt, dass freie Radikale die letzte Methode der Schädigung bei vielen Krankheiten sind. Sauerstoffradikale sind daher sowohl “ gut „als auch „schlecht“.
Es scheint vernünftig zu schließen, dass die Einnahme von „Antioxidantien“ zur Verringerung des Schadens beitragen sollte, wenn O2-Radikale Zellschäden verursachen., Bisher haben die Ergebnisse vieler gut durchdachter Studien keinen Nutzen aus der Einnahme von Antioxidantien gezeigt. Ein gewisser Nutzen wurde gezeigt, wenn erhöhte Mengen an Antioxidantien durch den Verzehr von Lebensmitteln mit hohem Gehalt an Antioxidantien konsumiert werden. Dies deutet darauf hin, dass etwas anderes in der Nahrung erforderlich ist, um die vorteilhafte Wirkung der Antioxidantien zu erzielen, die in den Nahrungsergänzungsmitteln nicht verfügbar sind.
Die Quintessenz ist, dass jedes Mal, wenn O2 existiert, O2 Radikale gebildet werden. Die Anzahl der O2-Radikale ist proportional zum pO2. Alle unsere Zellen haben Abwehrkräfte gegen die durch freie Radikale verursachten Schäden., Bei normalen pO2s sind unsere Zellen mehr als in der Lage, den durch die O2-Radikale verursachten Schaden zu reparieren. Wenn der pO2 und die Anzahl der O2-Radikale erhöht wird, wird ein Punkt erreicht, an dem die Zellen den Schaden nicht so schnell reparieren können, wie er auftritt. Daher sammelt sich der Schaden an, bis die Funktion der Zelle beeinträchtigt ist oder die Zelle stirbt.
Angesichts der obigen Erklärung sollte es offensichtlich sein, dass die Toxizität von O2 vom pO2 und dem Zeitpunkt der Exposition abhängt., Der andere Faktor ist, dass wir alle biologisch unterschiedlich sind und einige Individuen mehr Abwehrkräfte gegen freie Radikale haben als andere. Um das Problem weiter zu komplizieren, ändern sich auch unsere Abwehrkräfte gegen freie Radikale von Tag zu Tag stark. Daher haben wir deutliche Unterschiede in der Empfindlichkeit gegenüber O2 radikalen Schäden bei verschiedenen Menschen und an verschiedenen Tagen in der gleichen Person.
Im nächsten Artikel werde ich die Auswirkungen von Sauerstofftoxizität auf Lunge und Gehirn diskutieren.
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