Учебник (Овсянников) - общая патофизиология Ч1

Тканевая гипоксия возникает при активации свободно-радикаль- ного окисления в присутствии тканевых катализаторов и молекулярного кислорода. Это наблюдается при токсическом действии повышенного давления кислорода, ионизирующих излучений, дефиците естественных антиоксидантов (витамин токоферол), а также, в конечном итоге, недостаточном снабжении клеток кислородом, т.е. при гипоксии любого происхождения (Н.И. Лосев с соавт.).

Считают, что токсическое действие гипербарического кислорода связано с повреждением определенных участков биологических мембран и нарушением их свойств в поддержании гомеостаза.

Особенно поражаются липидные компоненты мембран митохондрий, что приводит к изменению их проницаемости, разобщению дыхания и окислительного фосфорилирования, дефициту макроэргических соединений, расстройствам обмена, характерным для тканевой гипоксии.

Свободно-радикальное окисление, таким образом, может выступать как первичный фактор тканевой гипоксии при отравлении кислородом, лучевых воздействиях или как следствие дефицита кислорода при других формах гипоксии из-за торможения системы защитных ферментов, инактивирующих перекисные соединения.

При тканевой гипоксии в результате снижения способности клеток утилизировать кислород повышается содержание кислорода, напряжение и насыщение гемоглобина кислородом венозной крови. Следствием этого является снижение артерио-венозной разницы и парциального давления кислорода.

Компенсаторные реакции при гипоксии

При гипоксии у млекопитающих и человека на первый план выступает реакция организма как целого, осуществляющаяся под контролем нервной и эндокринной систем и проявляющаяся в мобилизации внешнего дыхания, кровообращения, резервов системы крови, тканевого дыхания, что способствует компенсаторной доставке и утилизации кислорода, глюкозы и другого энергетического материала к тканям.

211

Дефициту кислорода в организме предшествует ряд компенсаторных реакций, направленных на поддержание оптимальной концентрации кислорода. Гипоксия развивается только при несостоятельности адаптивных реакций.

Все компенсаторные реакции подразделяются на срочные и долговременные. Адаптивные реакции, особенно при генерализованной гипоксии возникают на клеточном тканевом, органном, системном и организменном уровне. Как правило, большинство из них реализуется с участием нервной и эндокринной систем, ибо недостаток кислорода является сильнейшим стрессориым фактором и, как известно, его действие сопровождается активацией и расстройствами нейроэндокринной регуляции. Только в периоде новорожденности (1-2 дня) наблюдается рефрактерность гипоталамо-гипофизарно- надпочечниковой системы в ответ на действие гипоксии. И.И. Држевецкая, А.А. Серебрякова наблюдали у новорожденных крыс лишь тенденции к увеличению кортиколибериновой активности гипоталамуса, а концентрация кортикотропина гипофиза не изменялась. С конца новорожденности до полового созревания и у взрослых животных гипоксия резко активирует гипоталамо-гипофизарно- надпочечниковую систему.

В адаптации принимают участие системы транспорта и утилизации кислорода: дыхание, кровообращение, метаболизм в тканях.

Срочные компенсаторные реакции возникают рефлекторно и со стороны дыхания проявляются учащением и углублением дыхания увеличением минутного объема дыхания, мобилизацией резервных альвеол, увеличением легочного кровообращения. Все эти реакции направлены на улучшение доставки кислорода в капилляры и оксигенацию гемоглобина в легких. Последнему во многом способствует (вследствие гипервентиляции) снижение СО2 (гипокапния), сдвиг рН в щелочную сторону, что повышает сродство гемоглобина к кислороду.

Компенсаторные реакции со стороны сердечно-сосудистой системы проявляются тахикардией, увеличением минутного объема кровообращения, повышением системного артериального давления,

212

увеличением линейной и объемной скорости кровотока, венозного возврата крови к сердцу, увеличением количества функционирующих капилляров, явлениями централизации кровообращения. По мнению С.А. Селезнева, поступление крови по артериоло-венулярным анастомозам, минуя капиллярное русло, позволяет поддерживать кровообращение, а, следовательно, и снабжение кислородом жизненно важных органов - мозга, сердца, печени. Учитывая, что мозг, миокард и печень функционируют только лишь в аэробных условиях, а также их способность осуществлять утилизацию молочной кислоты, поступающей из других органов, становится понятной роль централизации кровообращения как адаптивной реакции.

На уровне микроциркуляторного русла наблюдается вазодилятация за счет продуктов распада АТФ до АДФ, АМФ и неорганического фосфата, аденозина, а также в условиях ацидоза за счет снижения возбудимости α-адренорецепторов к катехоламинам.

Важной адаптивной реакцией является увеличение массы циркулирующей крови за счет выброса ее из органов кровяных депо.

На уровне клеток, происходит резкая активация гликолитического пути образования макроэргов (практически единственного в условиях гипоксии). В крови увеличивается количество глюкозы, как основного энергетического субстрата. При гликолизе накапливается молочная и пировиноградная кислоты, развивается ацидоз, который способствует усилению диссоциации оксигемоглобина в капиллярах тканей.

В условиях гипоксии возможно нарушение мембран клеток и органелл, их проницаемости, однако за счет активации системы гипота- ламус-гипофиз-кора надпочечников, выделяющей глюкокортикоиды, стабильность мембран (особенно лизосом) может сохраняться в определенных пределах.

Одним из механизмов адаптации на клеточном уровне является повышение устойчивости клеток за счет снижения уровня критической концентрации кислорода (А.Я. Чихов, А.В. Осипенко). Кроме того, установлена значительная активация НАДН-дегидрогеназы и

213

усиление процессов дыхания и фосфорилирования (Н.А. Рубанова с соавт.).

Долговременные компенсаторные реакции возникают при хронической гипоксии, наблюдаемой при различных заболеваниях, при специальных тренировках к недостатку кислорода или жизни человека в высокогорных условиях. Они формируются на путях транспорта и утилизации кислорода. Со стороны дыхательного аппарата это проявляется в увеличении диффузионной поверхности легких. Со стороны сердечно-сосудистой системы и крови — это компенсаторная гипертрофия сердца (Ф.З. Меерсон), увеличение количества эритроцитов и гемоглобина и, следовательно, объема циркулирующей крови, за счет активации эритропоэза в костном мозге.

На уровне тканей долговременная компенсация проявляется увеличением массы митохондрий на единицу массы клетки и, следовательно, улучшением утилизации кислорода (Н.И. Лосев с соавт.). По данным Е.А. Коваленко, Л.Н. Гринберг, например, у акклиматизированных к гипоксии крыс увеличивается сродство дыхательной цепи ферментов митохондрий к кислороду, что рассматривается как главный механизм стойкой тканевой адаптации.

В целом, по данным С.А. Нейфах, поглощение кислорода в условиях гипоксии обусловлено увеличением числа митохондрий в клетках, активной поверхности каждой митохондрии, сродства дыхательных ферментов митохондрий к кислороду, транспорта кислорода из крови в клетки.

Нарушения в организме при гипоксии

Дефицит кислорода в тканях вызывает нарушения всех видов обмена, но особенно энергетического, что проявляется недостатком макроэргов и усилением распада АТФ и сопровождается увеличением потенциала фосфорилирования (ПФ), т.е. нарастает количество АДФ и неорганического фосфата и уменьшается АТФ.

ПФ АДФ неорганический фосфор

АТФ

Эти процессы сопровождаются активацией гликолиза, с накоплением молочной, пировиноградной кислот. Кроме того, в крови

214

нарастают и другие кислоты - аминокислоты, -оксимасляная, ацетоуксусная, как следствие нарушения белкового и жирового обмена. Развивается ацидоз. Повышается проницаемость биологических мембран, в результате чего страдает транспортная функция мембран по активному перемещению ионов и биоэнергетика клетки.

Резко снижается активность моноаминооксидазы (МАО). Чем более выражена гипоксия, тем ниже активность фермента. Поэтому Н.А. Рубанова с соавт. предлагает считать активность МАО индикатором степени выраженности гипоксии. Возможно нарушение лизосом клеток и их лизис.

Изменения энергетического, углеводного, белкового и электролитного обмена в клетках, возникающий при этом ацидоз, водноэлектролитные расстройства, отек, токсические вещества являются важнейшими причинами нарушений функций отдельных тканей, органов и систем организма с развитием дистрофических и некротических процессов, например, в мозге, печени (цитолитический синдром), почках (некроз коркового вещества) и т.д.

Таким образом, в настоящее время считают, что метаболические изменения в тканях при гипоксии определяются снижением скорости тканевого дыхания, разобщением дыхания и окислительного фосфорилирования, активацией гликолиза с накоплением недоокисленных продуктов обмена. Эти изменения, а также дефицит макроэргов и нарушения биоэнергетики клеток и их транспортных систем и являются основными причинами необратимых изменений клеток.

Последствия гипоксии для организма

Последствия гипоксии зависят от интенсивности, длительности гипоксии, органа, в котором развивается этот процесс, тренированности организма к гипоксии. Наиболее чувствительны кора головного мозга, сердце, почки, печень, нарушения в которых возникают уже на третьей минуте гипоксии и становятся необратимыми через 4-5 минут гипо- и аноксии. Надпочечники, поджелудочная железа сохраняют свои функции при гипоксии длительностью 15-20 минут. В то же время кости, хрящи, сухожилия сравнительно мало чувствительны к гипоксии.

215

Общие принципы лечения гипоксии

Лечение гипоксии проводится с учетом основных патогенетических механизмов этого процесса и его тяжести. Важная роль в обосновании, классификации антигипоксантов принадлежит В.М. Виноградову, М.В. Кораблеву, П.И. Лукиенко, согласно которым вы-

деляются следующие противогипоксические средства:

1.Улучшающие доставку кислорода к тканям и его утилизацию за счет стимуляции дыхания, кровообращения (аналептики, кардиотонические средства), повышения диссоциации оксигемоглобина (углекислота, молочная кислота), усиление эритропоэза.

Стимулирующие средства наиболее эффективны при не тяжелом кислородном голодании. При тяжелой гипоксии возбуждение дыхания и сердца увеличивают потребление ими кислорода и усугубляют кислородное голодание. Кроме того, при чрезмерном учащении дыхания развивается алкалоз, в условиях которого диссоциация оксигемоглобина уменьшается.

2.Вещества, повышающие устойчивость организма к гипоксии за счет снижения потребления кислорода (наркотические, снотворные, транквилизаторы, антиадренэргические средства).

Угнетение функции симпато-адреналовой системы введением резерпина уменьшает кислородный запрос тканей и резко повышает устойчивость организма к гипоксии.

Наркотики, снотворные, нейролептики, транквилизаторы, снижая функциональную активность нервной системы, в том числе и симпатического отдела, способствуют замедлению движения, секреции, обменных процессов и, таким образом, уменьшают потребление кислорода организмом.

а) вещества с электронно-акцепторными или электроннодонаторными свойствами (цитохром С, НАД, НАДФ, аскорбиновая кислота, глютатион, цистеин, АТФ, АДФ, АМФ);

б) вещества, активирующие ферментные и коферментные системы (кокарбоксилаза, никотинамид, тиамин, аскорбиновая кислота,

216

аминокислоты типа метионина, триптофана, цистеина), вещества, содержащие тиоловые группы (глютатион, унитиол), производные пиримидина (пентоксил, метацил);

в) АТФ или фосфорилированные углеводы (глюкозо-1-фосфат, глюкозо-6-фосфат, фруктозо-1,6-фосфат) способствуют пополнению и сохранению АТФ, которая обычно используется для фосфорилирования глюкозы.

4. Средства, нормализующие мембраны клеток, рН, электролитный обмен. Учитывая, что при гипоксии развиваются метаболический ацидоз и внутриклеточные изменения калия, назначают ощелачивающие вещества и хлористый калий. Стабилизация мембран клеток достигается назначением глюкокортикоидов и хлористого магния.

В настоящее время важным фактором профилактики и лечения гипоксии является гипербарическая оксигенация.

ГЛАВА 12. ТИПОВЫЕ НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ Нарушения энергетического обмена

Пищевые вещества (белки, жиры, углеводы) содержат большое количество энергии, которая освобождается в процессе обмена веществ. Выделяют три основных последовательно совершающихся этапа обмена веществ: пищеварение и всасывание, межуточный обмен, образование конечных продуктов обмена.

Расщепление белков, жиров и углеводов осуществляется специфическими гидролазами до аминокислот, глицерина и жирных кислот, гексоз (глюкозы, фруктозы, галактозы). На этом этапе обмена пищевые вещества теряют свою видовую специфичность. В энергетическом отношении гидролиз пищевых веществ мало эффективен, ибо при распаде белков и углеводов выделяется 0,6 %, а при гидролизе жиров только лишь 1 % всей энергии, содержащейся в пищевых веществах.

Межуточный обмен веществ включает биосинтез специфических для данного вида белков, липидов и углеводов, и превращения аминокислот, гексоз, пентоз, жирных кислот и глицерина в ряд общих продуктов, подвергающихся превращению в цикле трикарбоновых

217

кислот. Так, аминокислоты превращаются в ацетил-КоА, а- кетоглюторат, оксалоацетат, сукцинил-КоА; углеводы в пировиноградную кислоту, а затем в ацетил-КоА; жирные кислоты также превращаются в ацетил-КоА. Глюкоза и свободные жирные кислоты являются основными источниками энергии для любой клетки.

Таким образом, в процессе межуточного обмена аминокислот, гексоз, глицерина и жирных кислот образуется ряд общих веществ, подвергающихся превращению в цикле трикарбоновых кислот до конечных продуктов - СО2 и Н2О.

При межуточном обмене энергия пищевых веществ выделяется и аккумулируется в макроэргах только в результате гликолиза. Так, при гликолитическом распаде глюкозы до пировиноградной и молочной кислот образуется 4 молекулы АТФ, но, так как в процессе гликолиза используются 2 молекулы АТФ, то, в целом, выход АТФ составляет всего лишь две молекулы.

Основная масса энергии освобождается в цикле трикарбоновых кислот. При этом 60-70 % энергии пищевых веществ аккумулируется в виде химических связей АТФ. Образование АТФ обусловлено сопряжением дыхания и окислительного фосфорилирования, в результате чего АТФ образуется путем присоединения к АДФ молекулы неорганического фосфора. Этот процесс связан с затратой энергии. Тем не менее, 30-40 % энергии пищевых веществ превращается в теплоту, которая используется для поддержания температурного гомеостаза, но безвозвратно теряется организмом. Она получила название первичной теплоты. В свою очередь, АТФ распадается на АДФ и неорганический фосфор с выделением 7,2 ккал тепла, получившего название вторичной теплоты. В конечном итоге вся энергия пищевых веществ переходит в теплоту, поэтому энергетический обмен можно определить с помощью изучения основного обмена методом прямой или непрямой калориметрии.

Таким образом, АТФ образуется в процессе гликолиза, сопряжения дыхания и окислительного фосфорилирования в цикле Кребса и при фосфокиназной реакции:

АДФ + КрФ ↔ АТФ + Креатин.

218

Последняя реакция резко активируется, если возрастает потребность в АТФ, что наиболее характерно для мышечной и нервной систем. АТФ используется для синтеза веществ, их утилизации, мышечной деятельности, процессов электрогенеза и осмотической работы. Между первичной теплотой и аккумуляцией энергии в макроэргах существует подвижное равновесие, которое может смещаться в сторону увеличения количества первичной теплоты.

Нарушения энергетического обмена имеют место при инфекционных процессах, обусловленных действием столбнячного, дифтерийного, стафилококкового токсинов в условиях избыточной продукции тироксина, адреналина, прогестерона, а также в эксперименте при введении в организм 2,4-динитрофенола, антимицина, амитала и других веществ. Все вышеназванные воздействия вызывают набухание митохондрий, разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования. Количество энергии, заключаемой в АТФ, уменьшается, а доля первичной теплоты резко возрастает. Так, например, при введении 2,4-динитрофенола или антимицина объем первичной теплоты возрастает на 40-90 %. В этих условиях механизмы физиологической терморегуляции могут быть недостаточными, следствием чего возможно развитие эндогенного перегревания.

Изменение энергетического обмена может происходить в результате увеличения окислительно-восстановительных процессов при лихорадке, гипотермии и перегревании или же снижения их при кастрации, гипоксии, отравлении цианидами.

Расстройства энергетического обмена имеют серьезные последствия для организма из-за дефицита макроэргов, нарушений вследствие этого синтеза веществ и возникновения дистрофических процессов.

Важным источником получения энергетического материала является гликогенолиз, липолиз и глюконеогенез. Эти процессы в условиях нарушения энергетического обмена резко активируются, за счет усиления образования контринсулярных гормонов (катехоламинов, глюкокортикоидов, тироксина, соматотропина, глюкагона). Углеводных запасов человека весом 70 кг, составляющих 800 ккал, хватает для обеспечения энергией на 24 часа. Энергетические ресурсы тригли-

219

церидов жировой ткани составляют 141000 ккал (Allisson). Как уже говорилось, одним из основных методов оценки энергетического обмена является изучение основного обмена с помощью методов прямой и непрямой калориметрии. При разобщении дыхания и окислительного фосфорилирования изменения газообмена менее выражены, чем нарушения теплообразования, и поэтому метод прямой калориметрии позволяет получить более высокие значения основного обмена, чем при непрямой калориметрии. Нарушения энергетического обмена представлены в таблице 12.1.

Таблица 12.1

Нарушения энергетического обмена

Нарушения углеводного обмена

Нарушения гидролиза и всасывания углеводов

Углеводы, поступающие с пищей в виде полисахаридов, подвергаются гидролизу в желудочно-кишечном тракте под влиянием фер-

220