Патологическая физиология дыхательной системы. Гипоксия

Н.В. Хайцев

Гипоксия – типовой патологический процесс, связанный с кислородным голоданием клеток, приводящий к возникновению дефицита энергии. Кислородная недостаточность может быть вызвана как нарушением поступления кислорода, так и неэффективным его использованием.

На протяжении филогенеза у живых организмов доминирующим становится аэробный путь энергообеспечения. Для эффективного получения энергии, скрытой в химических связях различных соединений, требуются донорно-акцепторные взаимодействия. Донорами электронов могут служить многие вещества (например, глюкоза, жирные кислоты и т.д.), в то время как в роли акцептора электронов, как правило, выступает только кислород. При переносе электронов от окисляющегося вещества, идущем сопряженно с фосфорилированием, образуются макроэргические соединения, в частности АТФ. Необходимо непрерывное поступление новых молекул кислорода к последнему звену дыхательных переносчиков – цитохрому а₃. Именно в этом заключается основная роль кислорода в биологическом окислении.

Термин «гипоксия» (hypoxia – греч.) означает недостаточное количество кислорода в организме. Термин «гипоксемия» используется для обозначения недостаточного насыщения крови кислородом. Кислоpодное голодание пpедставляет собой основу большинства патологических пpоцессов, из котоpых стpоится нозология: pасстpойства циpкуляции, дистpофия некpоз, воспаление, pегенеpация и т.д. пpямо или косвенно связаны с наpушением кислоpодного бюджета. Гипоксия – одно из ключевых звеньев патогенеза остpых (четыpеххлоpистый углеpод, нитpит натpия, тиопентал натpия) и, особенно, хpонических (этиловый спиpт, циклофосфан) отpавлений. Гипоксия относится к числу повpеждающих фактоpов, названных Г.Селье [2] "многомишенными", повpеждающими не один какой-либо оpган или систему, а наpушающими метаболизм в целом.

Классификация гипоксии (по Баркрофту – Петерсу – Ван Слайку [4,5], и И.Р.Петрову [6] в модификации А.З.Колчинской [3]):

1. Гипоксическая гипоксия развивается при уменьшении парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе:

а). гипобарическая гипоксия развивается при понижении атмосферного давления, моделируется в условиях высокогорья или в барокамере;

б). нормобарическая гипоксия развивается при понижении объемного процента кислорода во вдыхаемом воздухе, моделируется при вдыхании газовых смесей с содержанием кислорода менее 20,9 %);

в). гипербарическая гипоксия: снижение парциального давления кислорода происходит на фоне многократного увеличения барометрического давления – может развиваться у аквалангистов, кессонных рабочих, шахтеров).

2. Гипероксическая гипоксия развивается на фоне повышения парциального давления кислорода во вдыхаемом воздухе, что может привести к поражению избытком кислорода тканевых и клеточных структур, принимающих участие в доставке и утилизации кислорода.

Упомянутые разновидности гипоксий принято относить к экзогенным. Все остальные считаются эндогенными.

3. Респираторная или дыхательная гипоксия вызывается патологией органов внешнего дыхания (нарушения вентиляции, диффузии или перфузии).

4. Циркуляторная гипоксия возникает при патологии сердечно-сосудистой системы, в том числе при изменениях микроциркуляции.

5. Гемическая гипоксия – снижение кислородной емкости крови при уменьшении количества гемоглобина (при анемиях) или из-за изменения сродства гемоглобина к кислороду и снижения его способности переносить кислород (превращение гемоглобина в его дериваты – карбоксигемоглобин, метгемоглобин или сульфгемоглобин – с помощью, соответственно, угарного газа, различных окислителей и серосодержащих химических соединений).

7. Тканевая или цитотоксическая гипоксия – поражение клеточного аппарата дыхания (в основном митохондрий) цитотоксическими веществами, например, цианидами либо индукторами свободных радикалов.

8. Гипоксия нагрузки – кислородная недостаточность развивается в связи с возрастанием скорости его потребления при несоответствии доставки кислорода кислородному запросу, например, при тяжелой мышечной работе или после обильного приема пищи.

На практике чаще всего приходится сталкиваться с развитием смешанной гипоксии, в которой часто одним из компонентов выступает тканевая гипоксия.

Гипоксия подразделяется на две формы: острую и хроническую. Острая гипоксия может быть разделена на формы: сверхострую, при которой развитие гипоксического состояния происходит в течение нескольких десятков секунд; острую, в которой гипоксические проявления возникают в течение нескольких минут, и подострую, развивающуюся в течение многих часов, а симптомы гипоксического состояния оказываются близкими к симптомам острого периода хронической гипоксии. К хронической гипоксии относятся все случаи, когда животные или человек в условиях дефицита кислорода во вдыхаемом воздухе находятся длительное время (дни, недели, месяцы, годы).

Развитие гипоксии на клеточном уровне можно описать следующим образом. Уменьшение содержания кислорода в клетке приводит к снижению синтеза АТФ и к уменьшению соотношения АТФ/АДФ+АМФ. Энергодефицит активирует гликолитический фермент фосфофруктокиназу (ФФК), при помощи которого может быть синтезировано некоторое количество АТФ, однако усиление анаэробного гликолиза вызовет накопление молочной кислоты и возникший ацидоз угнетает активность ФФК, что быстро приведет к ослаблению гликолитических процессов. Энергодефицит усиливается. Это неизбежно скажется на активности К⁺/Nа⁺-насоса, состоянии мембран клетки и органоидов, на структурах цитоскелета. В конечном счете энергодефицит приводит к некрозу.

На уровне организма гипоксия вызывает развитие многочисленных компенсаторных реакций. Сложная архитектура компенсаторно-приспособительных реакций в ответ на гипоксию может быть представлена четырьмя группами координированных между собой механизмов [9]:

1. Механизмы, усиливающие поставку кислорода в организм: гипервентиляция, гиперфункция сердца, полицитемия и соответствующее увеличение кислородной емкости крови;

2. Механизмы, увеличивающие поступление кислорода к жизненно важным органам (централизация кровообращения, расширение кровеносных сосудов мозга, сердца и т.д.); образование новых капилляров и изменение свойств клеточных мембран; рост концентрации миоглобина в клетках;

3. Усиление способности тканей утилизировать кислород за счет повышения числа митохондрий или путем увеличения степени сопряжения окисления и фосфорилирования, либо за счет увеличения сродства цитохромоксидазы к кислороду;

4. Увеличение анаэробного ресинтеза АТФ за счет активации гликолиза.

Характер ответных реакций при гипоксии зависит от интенсивности развития кислородного голодания, возрастной, половой и индивидуальной реактивности [7]. Вне зависимости от пола более резистентными к гипоксии оказываются плоды и новорожденные дети. Женщины более устойчивы к гипоксии, чем представители мужского пола соответствующего возраста. Высокая выживаемость плодов и новоpожденных в условиях острой гипоксии объясняется особенностями их энеpгетического обмена, за счет большего удельного веса анаэpобного гликолиза, обеспечиваемого гликогеном, количество котоpого в сеpдце и печени в 10 pаз выше, чем у взpослого оpганизма. Активность изоферментов фосфофруктокиназы новорожденных в 15-30 раз выше чем у взрослых, и все это происходит на фоне повышенной устойчивости этих ферментов к ацидозу. Ткани плода и новоpожденного хаpактеpизуются относительно низким уpовнем основного обмена. Не стоит забывать о повышенном сродстве к кислороду со стороны фетального гемоглобина новорожденных.

Цель занятия:

1. Воспроизвести модель острой гипобарической гипоксической гипоксии.

2. Наблюдать проявления кислородной недостаточности в организме подопытных животных.