Механизм токсического действия окиси углерода

Проникая с атмосферным воздухом в легкие, окись углерода быстро преодолевает альвеолярно-капиллярную мембрану, растворяется в плазме крови, диффундирует в эритроциты и вступает в обратимое химическое взаимодействие как с окисленным, так и восстановленным гемоглобином по схеме:

Hb₂ + CO + O₂

или Hb + СО СО.

Образующийся патологический комплекс карбоксигемоглобин (НbСО) не способен присоединять к себе кислород. При этом в молекуле гемоглобина СО соединяется с атомами железа (карбонил?), вытесняя кислород. Понятно, что одна молекула гемоглобина (точнее, 4 ее гема) может присоединить до 4 молекул СО.

Кровь весьма интенсивно поглощает окись углерода из-за высокого ее химического сродства к гемоглобину. Оказалось, что окись углерода примерно в 250 раз более активно связывается с гемоглобином, чем кислород. Иными словами, в конкуренции за гемоглобин окись углерода имеет выраженное преимущество перед кислородом. Расчет показывает, что при содержании в воздухе 0,07% СО и 21% О₂ количество образующегося в крови НbO₂ становится равным количеству НbСО. Такое равновесие может установиться, если во вдыхаемом человеком воздухе концентрация окиси углерода, близкая к 0,07% будет поддерживаться в течение многих часов (по некоторым данным, нескольких суток). Вот почему небольшие количества окиси углерода, в том числе эндогенной, могут оказаться опасными при длительном воздействии на организм в замкнутых пространствах. Надо еще иметь в виду, что диссоциация карбоксигемоглобина происходит очень медленно (в 3500 раз медленнее, чем диссоциация оксигемоглобина), и это также способствует его накоплению в крови.

Чем выше концентрация СО в воздухе, тем быстрее достигается опасное для жизни содержание карбоксигемоглобина в крови, составляющее 50% и более по отношению ко всему гемоглобину (рис. 13). Соотношение между количеством в крови НbСО и НbО₂, с одной стороны, и концентрациями СО и О₂ во вдыхаемом воздухе - с другой, принято оценивать с помощью константы Дугласа:

Эта величина, которая получила также название коэффициента отравления, показывает, что количество образующегося карбоксигемоглобина прямо пропорционально парциальному давлению окиси углерода и обратно пропорционально парциальному давлению кислорода. С другой стороны, чем больше во вдыхаемом воздухе (и следовательно, в кровеносном русле) кислорода, тем меньше образуется НbСО и тем быстрее он диссоциирует.

рис. 13. График токсичности окиси углерода (Франке, 1973). По оси ординат - содержание HbCO в крови, об. %; по оси абсцисс - время, ч

По данным различных авторов, величина К для крови человека колеблется от 204 до 279, т. е. во столько раз скорость образования НbСО превосходит скорость образования НbO₂.[142]Однако помимо парциального давления интенсивность поглощения кровью окиси углерода зависит также от длительности ее воздействия на организм и величины легочной вентиляции (минутного объема дыхания). В этой связи определенный интерес представляет формула, предложенная Лилиенталем (1946 г.):

% НbСО = pCO•t•υ•0,05,

где рСО - парциальное давление окиси углерода в мм рт. ст.; t - время воздействия в минутах; υ - минутный объем дыхания, т. е. произведение глубины вдоха в литрах на число вдохов за 1 мин.

Итак, механизм действия окиси углерода определяется блокированием дыхательной функции гемоглобина и развитием вследствие этого гемического, или кровяного, типа кислородной недостаточности. Но степень интоксикации окисью углерода возрастает в связи с тем, что образовавшийся НbСО тормозит кислородную функцию нормального гемоглобина: в присутствии НbСО реакция диссоциации оксигемоглобина (НbO₂+O₂) замедляется и потому еще больше снижается поступление кислорода к клеткам. Вот почему НbСО, уменьшая поглощение кровью кислорода в легких, в то же время затрудняет разгрузку HbO₂ в тканях. По-видимому, в этом следует искать объяснение случаев развития тяжелых интоксикаций при сравнительно небольшом количестве НbСО в крови (до 30%).

Поскольку химическое сродство к двухвалентному железу является основной причиной взаимодействия окиси углерода с гемоглобином, можно полагать, что и другие хромопротеиды, содержащие в своих молекулах ионы Fe²⁺, должны реагировать с этим ядом. Теперь уже не вызывает сомнений, что такого рода реакции могут в значительной степени влиять на течение интоксикаций. Имеется много экспериментальных данных, показывающих, что острые тяжелые отравления окисью углерода сопровождаются нарушением процессов потребления кислорода клетками. В основе этих нарушений лежит прежде всего блокирование ядом железосодержащих ферментов - цитохромов и цитохромоксидазы.[143]Следовательно, при воздействии СО к гипоксии кровяного типа присоединяется тканевая гипоксия, в еще большей степени отягчающая течение интоксикации угарным газом. У отравленного отмечаются признаки нарастающего поражения центральной нервной системы: головная боль, головокружение, нарушение координации движений и рефлекторной сферы, а также ряд сдвигов психической деятельности, напоминающих алкогольное опьянение (эйфория, утрата самоконтроля, нецелесообразные поступки и т. п.). Характерно покраснение кожи пораженных. Когда количество НbСО в крови превышает 50-60%, развиваются судороги, утрачивается сознание и, если не принять экстренные меры, человек может погибнуть вследствие остановки дыхания и работы сердца.

Кислород как антидот

Уже из приведенной реакции окиси углерода с окси-гемоглобином следует, что повышение в дыхательной среде парциального давления кислорода будет ускорять диссоциацию карбоксигемоглобина и выведение СО из организма. Иными словами, обратимость взаимодействия окиси углерода с гемоглобином позволяет предсказать направление его реактивирования. И хотя здесь эффективным конкурентным антагонистом токсичного агента является естественный и постоянно необходимый организму элемент внешней среды кислород, он с достаточным основанием может быть назван антидотом.

Лечебное действие кислорода при отравлении даже смертельными концентрациями угарного газа поражает своей быстротой: находившийся на грани гибели человек при вдыхании кислорода или кислородно-воздушной смеси уже через несколько минут возвращается к жизни. Особенно эффективна кислородотерапия в сочетании со стимуляцией дыхания, ибо только при полноценном дыхательном акте можно добиться максимального поступления кислорода в организм. Это достигается как с помощью фармакологических средств (лобелии, цититон, коразол и др.) так и различных приемов искусственного дыхания.

Известно, что углекислота является физиологическим возбудителем дыхательного центра - группы нервных клеток продолговатого мозга, управляющих актом дыхания. Вот почему усилить работу легких можно также посредством ингаляций карбогена, который представляет собою углекислотно-кислородную смесь, содержащую от 3 до 7% СО₂. Ряд токсикологов подчеркивает, что при увеличении в крови парциального давления СО₂ облегчается процесс диссоциации НbСО в эритроцитах и HbO₂ в тканях. Последнее особенно важно, так как тем самым облегчается кислородная функция свободной от яда части кровяного пигмента.[144]

Интересно отметить, - что предварительная ингаляция кислорода способствует созданию резистентности организма к окиси углерода. Это очень убедительно демонстрирует следующий опыт. Если одну мышь поместить в литровую колбу, заполненную кислородом, а вторую - в такую же колбу с атмосферным воздухом и в обе колбы ввести по 25 мл окиси углерода, то через несколько десятков секунд можно наблюдать молниеносно протекающую интоксикацию с судорогами и быструю гибель второй мыши, в то время как первая мышь не проявляет никаких признаков отравления в течение длительного времени. Хотя этот опыт впервые был продемонстрирован более полувека назад, до настоящего времени нет достаточно удовлетворительного объяснения его результатов. При дыхании в атмосфере чистого кислорода количество его, растворенное в плазме крови, значительно возрастает, и это, по-видимому, тормозит реакцию образования карбоксигемоглобина: кислород, подобно буферу, каким-то образом защищает гемоглобин от СО. Как бы то ни было, даже кратковременное вдыхание кислорода может способствовать предупреждению интоксикации угарным газом, например когда предстоит выполнение работы в отравленной атмосфере.