Metabolické procesy při dýchání hyperbarických směsí
Text a foto archiv MUDr. Petr Wagner
Když jsem psal do konfery příspěvek a použil příkladu dělníků ve Škodovce, věděl jsem, že jenom část ze čtenářů si uvědomí souvislosti toho příkladu. Nepřekvapilo mně, že ho pochválil technik. On si je určitě uvědomil.
To nejdůležitější na něm je totiž ta diskontinuita, komparmentizace prostě a jednouše „nespojitost“. Většina dnešních reálně implementovatelných modelů procesů odehrávajících se při dýchání hyperbarických směsí, přenosu zplodinových plynů i procesů probíhajících při dekompresi vycházejí v podstatě z termodynamického přístupu popisu kontinua blízkého rovnováze a starého, nicméně geniálního zákona pánů Guldberga a Waagea:
Jakýkoliv děj směřuje k rovnováze, vyskytnou-li se děje tuto rovnováhu vychylující, nastanou automaticky děje které směřují k obnovení rovnováhy. Pánové G+W se domnívali, že jejich zákon se týká pouze popisu chemických rovnic blízkých rovnováze. Dnes víme, že se týká minimálně nám známých struktur všude v nám známém vesmíru. A to jak fyzikálních, chemických nebo sociálních. Věnujme se biologickým.
|
 |
Vlevo: Vpravo: |
|
|
Prostý zjevný fakt, že biologické systémy dosahují rovnováhy pouze v okamžiku jejich zániku, je zjevný každému. Fakt, že nejsou „kontinuální“ – „spojité“ všem biologicky zaměřeným vědcům. Fakt nerovnováhy se pokoušeli řešit mnozí. Asi nejznámější koncept přinesla tzv. Belgická škola se svým leaderem Prigoginem. Jejich koncept zavedl konstrukci, vycházející z analogie infinitezimálního počtu – teorii lokálních rovnováh. Neboli, že systém je možno rozložit na dostatečně malé části, které v rovnováze jsou a na ně již je možno aplikovat termodynamiku. Sice tzv. „nerovnovážnou“ ale vycházející z rovnovážné teorie tří termodynamických vět.
|
|
Uvědomuji si, že ne každý něco takového ovládá a taky proč. Nicméně uvedu starou ironickou parafrázi celé termodynamiky:
1/ nikdy nemůžeš vyhrát, občas to může být nerozhodně
2/ nerozhodně to může být pouze za teploty absolutní nuly
3/ teploty absolutní nuly nelze dosáhnout
Aby věc nebyla málo komplikovaná systém lidského těla pro popis většiny zajímavých dějů rozložit na dostatečně malé systémy v lokální rovnováze nelze. V metabolismu savců /ale nejen jich/ se uplatňují ve velké míře kooperativní děje, které je obtížné popsat klasickou termodynamikou. Abychom nebyly daleko od potápění, vazba první molekuly kyslíku na molekulu hemoglobin se odehrává podle klasické teorie, ale druhá, třetí a čtvrtá se již váží s energií o řády nižší než je potřeba na vazbu první. O strukturální popis tohoto mechanismu se pokusil poprvé Perutz a o jeho matematický popis Adair
foto vpravo: hemoglogin
|
|
|
Do jisté míry dnes odpovídají zjištěným faktům za normálního tlaku a poměrům blízkým rovnováze, ale týkají se jedné molekuly hemoglobinu. Ale v lidském těle je zhruba tři čtvrtě kila hemoglobinu, což je asi 10 na 29 tou molekul. Nevím jak se to číslo jmenuje, ale co je důležitější, že ten hemoglobin se nenachází v jednotném roztoku, v jednom, pěti, šestnácti nebo třeba 32 compartmentech, ale v neskonale více interakcích v prostorově oddělených systémech /provozech/ se zcela jinými parametry ať už si vymyslíme jakékoliv. A neodehrávají se v homogenním roztoku, ale v rámci kooperativních dějů mezi jednotlivými makromolekulami /dělníky/. ¨
Mluvíme o miliardách provozů /buněk/ a o trilionech jedinců – enzymů, každá má desítky tisíc enzymů – dělníků, některé volně v hale, některé ve specielních dílnách – mitochondriích.
|
|
|
Mitochondrie jsou ty malé reaktory, elektrárny, kdy buňka získává energii pro všechno a všechny.
Ty buňky jsou organizovány do orgánů – továren a ty mezi sebou komunikují prostřednictvím krve – tělového internetu. A to limitovanou rychlostí, v čase a prostoru a s omezenými zdroji energie.
Poměry v jednotlivých továrnách - orgánech mohou být diametrálně odlišné a aby fungovaly koordinovaně, je starostí centrálního řízení - mozku, endokrinologie,
|
|
imunoendokrinologie, nervů. a pod. Zájmy jednotlivých orgánů - továren jsou často protichůdné, často sobecké a nepřehledné a výsledky pro celý organismus – společnost nejisté. Navíc je potřeba říci, že naše znalosti končí v podstatě u „poslední míle“. Víme leccos o tom jak se kyslík dostane na hemoglobin a jak se z něj uvolňuje. O čem, ale nevíme příliš je, jak se kyslík dostane na místo, kde je využit k produkci energie. Do malých mitochondrií uvnitř buněk. Jak tam je a jak funguje a je využit k produkci energie, to už zase víme.
Poněkud přehlednější je situace u fyzikálně rozpuštěného kyslíku, či plynů obecně. Rozpouští se v prostoru tělesné vody, extracelulární i intracelulární – vně buněk i uvnitř buněk.
|
 |
|
Na hladině moře je množství fyzikálně rozpuštěného kyslíku asi 3% obsahu kyslíku v těle. Zbytek je vázán hlavně hemoglobinem. Toto vázané množství se vzrůstajícím tlakem – hloubkou prakticky nemění. Množství rozpuštěného plynu však stoupá téměř lineárně se vzrůstajícím tlakem – hloubkou. U helia a dusíku až asi do tlaku 10 MPa /100 metrů/. U kyslíku asi do 7 MPa / 70 metrů/. Od těchto hloubek se křivky již znatelně zakřivují a množství rozpuštěného plynu je menší než by tlaku odpovídalo podle Henryho rovnice. Množství enzymů starajících se o jeho neutralizaci však zůstává stejné. Není divu, že svojí práci v té přesile nestíhají – kyslíková toxicita.
Čím více se systém jakékoliv složitosti a struktury blíží svým mezním stavům, svým „zakázaným“ stavům, tím méně platí „průměrná“ teorie a tím více tato teorie generuje chyb a rozchází se s realitou ponorů.
Průměrná rovnovážná teorie u otevřeného dřezu do kterého teče voda a další odtéká říká, že se ustaví jakási hladina vody a můžete umýt nádobí. Ale stačí malá odchylka od rovnováhy a vyplavíte barák nebo odchylka druhým směrem a ani nenamočíte talíř.
|
 |
Další zajímavou věcí je, jak se v současné potápěčské praxi skutečně řídíme alespoň tím poznaným a katastrofálně zjednodušeným málem, co jsme vymysleli.
V první části jsem se snažil ukázat komplikovanost věcí. Teď se pokusím ukázat jak málo respektujeme ty jednoduché, známé a dávno poznané. Pro tento účel se přesunu na reálnou úroveň makroorganismu – člověka se záměrným zanedbáním složitosti vnitřní struktury a kooperativních dějů.
Pojďme se podívat na realitu potápěčské praxe - procentního složení našich typicky doporučovaných plynů pro potápění a dekompresi.
|
|
 |
Změny gradientů takovýchto směsí plynů, navíc potencované tlakovými diferencemi při změnách hloubky a rozdílným chováním uvnitř organismu kde se stávají součástí aktivních i pasivních procesů, netvoří hladkou spojitou funkci ani náhodou.
Máte vůbec někdo představu, co se děje uvnitř organismu, jaký guláš se děje na membránových křižovatkách jednotlivých buněk, compartmentů, orgánů a jaký guláš se děje v samotné fyzice plynů v tak složitém systému?
Pročpak bychom si měli myslet, že naše současné teorie je nějaká správná věda? A co vlastně tyto naše současné teorie popisují? Proto, že „to“ nějak funguje? Ano možná, ale je třeba dodat kdy, jak a pro koho a zda vůbec.
Co rozhodně z daného nelze odvodit, je chování v blízkosti „zakázaných“ stavů ať už jim budeme říkat jakkoliv. Pro mne jsou to hluboké ponory. Velmi hluboké. Ty opravdu velmi hluboké, které se dnes pro lidi považují za nemožné.
foto vlevo: aplikace informací je často chaotická
|
|
Úroveň našich znalostí a schopnost syntetizovat již poznané, se samozřejmě nesoustředila na tyto jakoby okrajové problémy. Ale to neznamená, že i v rámci současně poznaného není možno s dostupnými znalostmi pracovat efektivněji a posouvat hranice lidských možností.
Uvědomuji si jak „roztrhaně“ a neúplně musí takovýto článek působit. Ať už ve srovnání s dnes používanými zdánlivě konzistentními teoriemi a jejich implementacemi do krásných tabulek a softů / jenom pro úplnost prosím račte pohlédnout na jejich ročník narození, zda nejsou lehce „prošlé“/ nebo popularizátory problémů. No ale to už je asi osud informací.
Petr Wagner 17.5. 2005 www.divestar.cz ( Text je zpopularizovanou a upravenou částí přednášky pro sjezd Klinické Chemie a Biochemie v Glasgow 2005/5 )
|
|
.jpg){kind=spacer}
