1. Запасы кислорода в ткани
2. Снабжение кислородом
3. Нарушения снабжения тканей кислородом
4. Аноксия ткани
5. Искусственное насыщение кислородом
6. Клеточные механизмы адаптации при ишемии
7. Резюме
8. Список использованной литературы

а) Запасы кислорода в ткани. Запасы кислорода в тканях очень ограничены; исключение составляют мышечные клетки, в которых кислород обратимо связывается с миоглобином.

1. Ограничение поступления кислорода. Количество О₂, доступное для тканевого дыхания, определяется объемом его конвективного транспорта в крови и интенсивностью диффузии между капиллярной кровью и клетками, нуждающимися в кислороде.

Поскольку большинство тканей не обладает другими запасами О₂ в дополнение к физически растворенному его количеству, любое ограничение поступления О₂ приводит к его дефициту и к снижению интенсивности окислительного метаболизма, до тех пор пока потребность в О₂ не будет полностью удовлетворена.

2. Миоглобин как депо кислорода. Исключение составляют мышечные клетки, в которых кислород обратимо связывается с миоглобином (Mb), депонирующим О₂. Миоглобин является внутриклеточным О₂-связывающим гемопротеином, присутствующим в сердечной мышце и скелетной мускулатуре в концентрациях 8-10 мг на 1 г ткани.

При физиологических значениях температуры и рН его парциальное давление полунасыщения составляет примерно 2,5 мм рт. ст. (333 Па), поэтому мышцы насыщаются кислородом в нормальных условиях. Концентрация миоглобина в мышечной ткани человека, однако, недостаточна, чтобы компенсировать сильный дефицит О₂ в течение долгого времени.

В сердце запасов О₂ достаточно для поддержания окислительного метаболизма примерно на 8 с. У тюленей и китов, скелетные мышцы которых отличаются более чем десятикратным содержанием миоглобина, функция этих органов во время погружения может обеспечиваться за счет кислородных депо и дополнительных механизмов адаптации на протяжении 1-2 ч.

3. Миоглобин облегчает диффузию О₂. Миоглобин служит не только кратковременным хранилищем О₂, которое на несколько секунд за счет выделения кислорода (буферная функция) может покрывать кислородную потребность клеток при обусловленном сокращениями ухудшении кровоснабжения мышц. Помимо этого он облегчает транспорт кислорода из внеклеточного пространства, поскольку его молекулы, насыщенные кислородом, могут перемещаться в клетке (облегченная диффузия).

4. Выключение гена миоглобина. Функциональное значение миоглобина можно продемонстрировать с помощью трансгенных моделей. Животные, у которых не было миоглобина, потому что их ген миоглобина был выключен, оставались жизнеспособными. Однако они имели более высокую плотность капилляров в тканях, повышенное кровоснабжение органов и большую по сравнению с нормальными подопытными животными концентрацию гемоглобина в крови.

Эти адаптационные процессы компенсировали недостаток миоглобина настолько, что при повышенном артериальном P_O2 не наблюдалось никакой дисфункции.

Однако при сильной артериальной гипоксии кислородная потребность мышечной ткани больше не могла быть удовлетворена, и выпадение функции мышечных клеток происходило при более высоких P_O2 по сравнению с контрольной группой. Это указывает на то, что миоглобин прежде всего имеет значение для внутриклеточного транспорта О₂.

б) Снабжение кислородом. Поступление О₂ и его утилизация являются важными параметрами для оценки обеспечения тканей кислородом.

1. Поступление кислорода к органам. Поступление О₂ — это то его количество, которое транспортируется к органу вместе с кровью в единицу времени. Оно является произведением количества O₂, содержащегося в артериях (C_aO2), и величины кровотока (Q):

Как можно видеть из уравнения (2), острое различие поступления О₂ в органы обусловлено разной степенью кровоснабжения. Любое изменение кровотока непосредственно приводит к соответствующему изменению поступления О₂ в ткани. Среднее поступление О₂ в отдельные органы в физиологических условиях может быть определено исходя из содержания О₂ в артериальной крови и представленных в табл. 1 значений интенсивности кровотока.

Особенно интенсивно снабжаются кислородом корковое вещество почек и серое вещество мозга, в меньшей степени скелетная мускулатура, мозговое вещество почек и белое вещество мозга.

При хроническом дефиците кислорода (например, при пребывании на высоте) кислородная емкость крови может увеличиваться в среднесрочной перспективе прежде всего за счет усиленного образования эритроцитов и синтеза гемоглобина. Однако такая адаптация посредством повышенного образования эритроцитов происходит в определенных границах, поскольку вместе с увеличением гематокрита увеличивается и вязкость крови, а из-за увеличенного таким образом сопротивления потока возрастает нагрузка на сердце.

Увеличение гематокрита является следствием вызванного гипоксией интенсивного синтеза и секреции гормона эритропоэтина, преимущественно тканью почек. Хотя при тканевой гипоксии синтез белков обычно снижается, наблюдается заметное усиление образования некоторых из них.

2. Коэффициент утилизации О₂. Под коэффициентом утилизации О₂ органом понимают соотношение потребления О₂ к его поступлению в орган. На основании уравнений (1) и (2), получаем:

В зависимости от потребности ткани, О₂ по-разному используется в отдельных органах. В нормальных условиях кора головного мозга, миокард и скелетная мускулатура в покое потребляют примерно 40-60% от поступающего в организм О₂. Коэффициент утилизации О₂ может значительно повышаться при интенсивном функционировании органов. Наиболее высокие показатели, в экстремальных случаях достигающие примерно 90%, наблюдаются при тяжелых физических нагрузках в работающих скелетных мышцах и в миокарде.

В миокарде, однако, даже в покое коэффициент утилизации кислорода высокий, так что его повышение в сердце при увеличении нагрузки ограниченно. В патофизиологических условиях снижение концентрации О₂ в артериальной крови (артериальная гипоксемия) или ухудшение кровоснабжения (ишемия) могут привести к увеличению коэффициента утилизации О₂ в органе.

в) Нарушения снабжения тканей кислородом. Причинами недостаточного снабжения органа О₂ являются ишемия, артериальная гипоксия и анемия.

1. Тканевая гипоксия. Нарушение газообмена в легких или нарушение транспорта газов в крови приводит к недостаточному снабжению органов О₂ и к гипоксии (P_O2 < нормы) или аноксии ткани (P_O2 = 0 мм рт. ст.), как только кислородная потребность больше не сможет покрываться поступающим в орган О₂.

Возможными причинами недостаточного снабжения органа кислородом являются ухудшение кровоснабжения органа (ишемия), снижение парциального давления О₂ в артериальной крови (артериальная гипоксия), а также уменьшение кислородной емкости крови (анемия).

2. Ишемическая гипоксия ткани. Уменьшение кровоснабжения органов по сравнению с нормальными условиями приводит к более интенсивному изъятию О₂ из крови при прохождении ее через капилляры и к увеличению артериовенозной разницы концентрации О₂. Прямым следствием является особенно выраженное снижение парциального давления О₂ в капиллярной крови (венозная гипоксия).

Из-за результирующего уменьшения градиента парциального давления О₂ снижается интенсивность диффузии кислорода из капилляров в ткани, что приводит к дефициту О₂ в клетках.

3. Артериальная гипоксия ткани. При снижении парциального давления О₂ (гипоксия) и концентрации О₂ (гипоксемия) в артериальной крови из-за альвеолярной гиповентиляции обеспечение ткани кислородом также ограниченно. В этих условиях изменения парциального давления О₂ в капиллярах органов в основном определяются с средней частью линии эффективности связывания О₂ (рис. 1). Поэтому в капиллярах устанавливается плоский профиль парциального давления О₂.

В результате неблагоприятные исходные условия для снабжения ткани О₂ частично компенсируются.

4. Анемическая гипоксия ткани. Уменьшение содержания гемоглобина в крови (анемия) снижает кислородную емкость крови. Как представлено на рис. 2 на примере ткани миокарда, в этих условиях концентрация О₂ в крови при прохождении через капилляры падает до очень низких значений. Соответствующее парциальное давление О₂, особенно на венозном конце капилляра, может падать настолько, что достаточная диффузия О₂ в клетки становится невозможной.

По аналогии с орошаемыми пастбищами при описании таких клеточных областей иногда используют термин «последний луг».

г) Аноксия ткани. Острая аноксия ткани в зависимости от продолжительности может привести к обратимым нарушениям клеточных функций или к необратимым повреждениям; пока клеточная структура сохраняется, возможна успешная реанимация органа.

1. Последствия острой аноксии ткани. Острая аноксия ткани, вызванная внезапным нарушением кровообращения или сильной артериальной гипоксией, после краткого латентного периода, в течение которого не обнаруживаются функциональные изменения, приводит к ограничению клеточного метаболизма и, следовательно, клеточной функции.

Как только при истощении энергетических резервов клеточный метаболизм становится более невозможным, наступает полное прекращение функционирования клетки (рис. 3).

Временной отрезок от начала аноксии ткани до полной утраты функции органа называется пределом сохранения функции. Для мозга он составляет примерно 8-12 с.

P.S. Пенумбра (ишемическая полутень):

- Определение и свойства. При закупорке более крупной ветви церебральной артерии из-за низкой толерантности нервной ткани к ишемии развивается инфаркт с последующим некрозом. Вокруг зоны инфаркта можно идентифицировать по меньшей мере одну зону ткани такого же размера (пенумбра, или ишемическая полутень), в которой кровоснабжение сокращено на 20-40% от нормальных значений.

Эксперименты на животных и клинические исследования показали, что в этой области для компенсации имеет место интенсивное изъятие кислорода из крови и клеточный уровень АТФ достаточен для поддержания структуры ткани.

- Патофизиология. Однако из-за относительного недостатка кислорода в клетках полутени регулярно возникают ритмические деполяризации, которые увеличивают их потребность в кислороде и, следовательно, приводят к дальнейшему отмиранию ткани и разрастанию зоны инфаркта за счет пенумбры. Этому способствуют и другие патофизиологические механизмы: дополнительно синтезируемый нейронами NO вызывает апоптоз, а эндотелин-1 сужает кровеносные сосуды в зоне полутени, что усиливает дефицит О₂.

Из-за этого степень повреждения ткани в зоне полутени продолжает увеличиваться в течение нескольких дней после закупорки сосудов, что сопровождается усиливающимся и необратимым выпадением функций мозга. Если с помощью своевременных терапевтических мер удается снова нормализовать кровоснабжение в зоне полутени и при этом избежать реперфузионных повреждений за счет введения перехватчиков радикалов, а также ингибировать возбуждающее действие аминокислот, конечный размер зоны инфаркта может быть значительно сокращен.

Временное снижение потребления O₂ в поврежденной области ткани с помощью гипотермии также представляет собой перспективное терапевтическое мероприятие.

2. Предельный срок восстановления. Клеточная структура в отличие от функции может поддерживаться значительно дольше, в зависимости от степени энергетической потребности — в течение минут или часов. До тех пор пока сохраняется клеточная структура, возможна успешная реанимация органа (предельный срок восстановления).

Необратимые повреждения клетки и гибель происходят, если прекращается поддержание ее структуры. В нейронах необратимые нарушения появляются через 10 мин аноксии. В скелетной мускулатуре при сопоставимых условиях можно зарегистрировать необратимые клеточные нарушения только через несколько часов аноксии. Для почек и печени предельный срок восстановления составляет примерно 3-4 ч.

Тем не менее реанимация всего организма при нормальной температуре тела может быть проведена в отрезок времени, равный примерно 4 мин. Это значительно меньше, чем предельный срок восстановления всех жизненно важных органов и в основном связано с тем, что поврежденное гипоксией сердце больше не способно развивать нормальное артериальное давление, необходимое для кровоснабжения ткани, если реанимация начинается более чем через 4 мин.

д) Искусственное насыщение кислородом. Дефицит О₂ может в ограниченной степени компенсироваться увеличением парциального давления О₂ во вдыхаемом воздухе.

1. Кислородотерапия. Увеличение парциального давления О₂ в газовой смеси приводит к повышению его парциального давления в артериальной крови, если газообмен между альвеолами и капиллярами в легких не сильно нарушен. При ишемической и анемической гипоксии эффективность кислородотерапии ограниченна, поскольку в таких условиях содержание О₂ в артериальной крови может увеличиваться только за счет повышения концентрации физически растворенного О₂.

При длительном применении кислородотерапия может привести к отравлению кислородом. Сильное повышение парциального давления О₂ в клетках (гипероксия), к примеру, ингибирует окисление глюкозы, фруктозы и виноградной кислоты. Кроме того, усиливается образование свободных радикалов кислорода.

2. Отравление кислородом. К типичным признакам отравления кислородом относятся головокружение и судороги. В легких могут быть обнаружены изменения альвеолярной мембраны, приводящие к нарушению диффузии и накоплению жидкости в альвеолах (отек легких). У недоношенных новорожденных, которых в течение часов и дней лечили с помощью чистого кислорода, вследствие изменений в сетчатке развивалось ухудшение зрения или полная слепота.

P.S. Ретинопатия недоношенных:

- Причины и симптомы. Ретинопатия недоношенных (ретролентальная фиброплазия) основывается на формировании периферических сосудов сетчатки, которое связано с кровоизлияниями, и их прорастании в стекловидное тело в течение 2-10 недель после рождения. Это часто вызывает уплотнение тканей на периферии сетчатки и отслоение последней, что фактически приводит к слепоте.

Описываемые изменения развиваются в случаях, если недоношенные дети в инкубаторе подвергаются резкому переходу к избыточному количеству кислорода от его недостатка. У детей с массой тела при рождении менее 1500 г частота возникновения заболевания составляет 11-56%. Это является одной из наиболее распространенных причин слепоты у детей.

- Патофизиология. При нормальном развити сетчатки с 16 недели беременности кровеносные сосуды прорастают центробежно в направлении от сосочка к зубчатому краю (ora serrata). Если на этой стадии развития, которая еще не завершена у недоношенных детей, из-за искусственной вентиляции кислородом развивается продолжительная гипероксия сетчатки, то происходит вызванная кислородом вазоконстрикция и облитерация кровеносных сосудов сетчатки.

Вследствие недостаточного развития сосудов в сетчатке при более позднем дыхании воздухом возникает локальная гипоксия и, следовательно, происходит высвобождение факторов роста, прежде всего VEGF. Под его влиянием начинается вторичный нежелательный ангиогенез с описанными выше последствиями.

е) Клеточные механизмы адаптации при ишемии. На клеточном уровне возможна ограниченная адаптация к условиям ишемии.

1. Повышенная переносимость ишемии. С помощью многократных коротких (1-3 мин) перерывов кровоснабжения органов можно достичь повышенной толерантности к продолжительным периодам ишемии (прекондиционирование). Кратковременные перерывы кровоснабжения запускают в тканях адаптационные механизмы, в которых важную роль играет усиленное высвобождение аденозина.

Активация различных внутриклеточных сигнальных путей, задействующих протеинкиназу С, тирозинкиназу и активные формы кислорода, снижает обусловленные ишемией повреждения митохондрий, и увеличивает уровень экспрессии генов, повышающих толерантность к гипоксии. Возможность повышения переносимости ишемии с помощью прекондиционирования была доказана на примере миокарда, желудочно-кишечного тракта, почек, а также, с большей задержкой, мозга.

2. Адаптация к хронической ишемии. Длительное ярко выраженное ограничение кровоснабжения также может запускать процессы клеточной адаптации в ткани. Они заключаются в уменьшении метаболической активности и функции органов. Это состояние, впервые продемонстрированное в миокарде, называют гибернацией. Клеточные причины процесса адаптации до сих пор полностью не выяснены.

ж) Резюме. Последствия недостатка кислорода. Поступление О₂ в орган соответствует его содержанию в артериальной крови, умноженному на интенсивность кровотока. Краткосрочная корректировка снабжения органа О₂ осуществляется через изменение кровоснабжения. В большинстве органов текущая потребность в О₂ должна постоянно покрываться соответствующим его поступлением.

Только мышечные ткани располагают возможностью ограниченного кратковременного депонирования О₂ в миоглобине. При несбалансированном соотношении поступления О₂ и потребности органа в нем возникает тканевая гипоксия.

Причиной снижения снабжения органа О₂ может быть ухудшение кровоснабжения (ишемия) или уменьшение артериального содержания О₂ из-за анемии или гипоксии. Аноксия ткани в зависимости от продолжительности приводит к обратимой дисфункции или необратимым нарушениям функции и структуры клеток.

Временной отрезок от начала аноксии до полной утраты функции органа называют пределом сохранения функции. До тех пор пока клеточные структуры сохраняются (предельный срок восстановления), возможна полная реанимация органа.

Толерантность клеток или тканей к ишемии может увеличиваться благодаря прекондиционированию. При терапии также существует возможность увеличить переносимость ишемии за счет понижения температуры тела или органа.

- Рекомендуем ознакомиться далее "Кислород как сигнальная молекула - с точки зрения физиологии человека"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 21.7.2025