Системы биологического окисления

Они обеспечивают оптимальное энергетическое обеспечение гиперфункционирующих структур и уровень пластических процессов в них в условиях гипоксии. Это достигается благодаря увеличению:

Ú числа митохондрий и количества крист в них;

Ú числа молекул ферментов тканевого дыхания в каждой митохондрии, а также активности ферментов, особенно — цитохромоксидазы;

Ú эффективности процессов биологического окисления и сопряжения его с фосфорилированием;

Ú эффективности механизмов анаэробного ресинтеза АТФ в клетках.

Система внешнего дыхания

Она обеспечивает уровень газообмена, достаточный для оптимального течения обмена веществ и пластических процессов в тканях. Это достигается благодаря:

Ú гипертрофии легких и увеличению в связи с этим площади альвеол, числа капилляров в межальвеолярных перегородках, уровня кровотока в этих капиллярах;

Ú увеличению диффузионной способности аэрогематического барьера легких;

Ú повышению эффективности соотношения вентиляции альвеол и перфузии их кровью (вентиляционно-перфузионного соотношения);

Ú гипертрофии и возрастанию мощности дыхательной мускулатуры;

Ú возрастанию жизненной емкости легких (ЖЕЛ).

Сердце

При долговременной адаптации к гипоксии увеличивается сила, а также скорость процессов сокращения и расслабления миокарда. В результате происходит возрастание объема и скорости выбрасываемой в сосудистое русло крови — ударного и сердечного (минутного) выбросов. Эти эффекты становятся возможными благодаря:

Ú умеренной сбалансированной гипертрофии всех структурных элементов сердца— миокарда, сосудистого русла, нервных волокон;

Ú увеличению числа функционирующих капилляров в миокарде;

Ú уменьшению расстояния между стенкой капилляра и сарколеммой кардиомиоцита;

Ú увеличению числа митохондрий в кардиомиоцитах и эффективности реакций биологического окисления. В связи с этим сердце расходует на 30–35% меньше кислорода и субстратов обмена веществ, чем в неадаптированном к гипоксии состоянии;

Ú повышению эффективности трансмембранных процессов (транспорта ионов, субстратов и продуктов метаболизма, кислорода и др.);

Ú возрастанию мощности и скорости взаимодействия актина и миозина в миофибриллах кардиомиоцитов;

Ú повышению эффективности адрен- и холинергических систем регуляции сердца.

Сосудистая система

В адаптированном организме сосудистая система способна обеспечивать такой уровень перфузии тканей кровью, который необходим для осуществления их функции даже в условиях гипоксии. В основе этого лежат следующие механизмы:

Ú увеличение количества функционирующих капилляров в тканях и органах;

Ú снижение миогенного тонуса артериол и уменьшение реактивных свойств стенок резистивных сосудов к вазоконстрикторам— катехоламинам, АДГ, лейкотриенам, отдельным ПГ и другим. Это создает условия для развития устойчивой артериальной гиперемии в функционирующих органах и тканях.

Система крови

При устойчивой адаптации организма к гипоксии существенно возрастают кислородная емкость крови, скорость диссоциации HbO₂, сродство дезоксигемоглобина к кислороду в капиллярах легких.

Увеличение кислородной емкости крови — это результат стимуляции эритропоэза и развития эритроцитоза. Активация эритропоэза, в свою очередь, вызвана увеличением в условиях ишемии и гипоксии образования в почках эритропоэтина.

Метаболизм

Обмен веществ в тканях при достижении состояния устойчивой адаптированности к гипоксии имеет несколько важных особенностей. К числу наиболее важных относят следующие:

Ú экономное использование кислорода и субстратов обмена веществ в реакциях биологического окисления и пластических процессах;

Ú высокая эффективность реакций анаэробного ресинтеза АТФ;

Ú доминирование анаболических процессов в тканях по сравнению с катаболическими;

Ú высокая мощность и мобильность механизмов трансмембранного переноса ионов. В значительной мере это следствие повышения эффективности работы мембранных АТФаз. Это обеспечивает регуляцию трансмембранного распределения ионов, миогенного тонуса артериол, водно-солевого обмена и других важных процессов.

Системы регуляции

Регуляторные системы адаптированного к гипоксии организма обеспечивают достаточную эффективность, экономичность и надежность управления его жизнедеятельностью. Это достигается благодаря включению механизмов нервной и гуморальной регуляции функций.

Нервная регуляция

Значительные изменения как в высших отделах мозга, так и в вегетативной нервной системе адаптированного к гипоксии организма характеризуются:

Ú повышенной резистентностью нейронов к гипоксии и дефициту АТФ, а также некоторым другим факторам (например, токсинам, недостатку субстратов метаболизма);

Ú гипертрофией нейронов и увеличением числа нервных окончаний в тканях и органах;

Ú увеличенной чувствительностью рецепторных структур к нейромедиаторам. Последнее, как правило, сочетается с уменьшением синтеза и высвобождения нейромедиаторов.

Указанные, а также и другие изменения в нервной системе способствуют:

Ú реализации мобильных регулирующих нейро-гуморальных влияний на органы и ткани;

Ú быстрой выработке и сохранению новых условных рефлексов;

Ú переходу приобретенных навыков из кратковременных в долговременные;

Ú повышенной устойчивости нервной системы к патогенным воздействиям.

Гуморальная регуляция

Перестройка в условиях гипоксии функционирования эндокринной системы обусловливает:

Ú меньшую степень стимуляции мозгового вещества надпочечников, гипоталамо‑гипофизарно‑надпочечниковой и других эндокринных систем. Это ограничивает активацию механизмов стресс-реакции и ее возможные патогенные эффекты;

Ú повышение чувствительности рецепторов клеток к гормонам, что способствует уменьшению объема их синтеза в железах внутренней секреции.

В целом, изменения в системах регуляции потенцируют как системные, так и органные приспособительные реакции организма, жизнедеятельность которого осуществляется в условиях гипоксии.

Расстройства в организме при гипоксии

Характер, динамика и степень изменений жизнедеятельности организма в условиях гипоксии зависят от ряда факторов: типа гипоксии, ее степени, скорости развития, а также от состояния реактивности организма.

Острая и острейшая (молниеносная) тяжелая гипоксия приводит к быстрой потере сознания, подавлению функций организма и его гибели. Такая картина наблюдается, например, при вдыхании газовых смесей, не содержащих кислорода или содержащих его в малых количествах. Это может быть при авариях в производственных условиях (например, в шахтах), в летательных аппаратах, в подводных лодках, при поломке скафандров. Молниеносная гипоксия развивается также при фибрилляции желудочков сердца, при острой массивной (артериальной) кровопотере, отравлении цианидами и других подобных ситуациях.

Хроническая (постоянная или прерывистая) умеренная гипоксия сопровождается, как правило, адаптацией организма к гипоксии.

Ниже приведена характеристика расстройств в организме при острой и подострой формах гипоксии.

Расстройства обмена веществ

Расстройство обмена веществ (рис. 16-10) — одно из наиболее ранних проявлений гипоксии.

В условиях острой и подострой гипоксии закономерно развивается ряд метаболических расстройств:

Ú уровень АТФ и креатинфосфата при гипоксии любого типа прогрессирующе снижаются вследствие подавления процессов биологического окисления (особенно — аэробных) и сопряжения их с фосфорилированием;

Ú содержание АДФ, АМФ и креатина нарастают вследствие нарушения их фосфорилирования;

Ú концентрация неорганического фосфата в тканях увеличивается в результате повышенного гидролиза АТФ, АДФ, АМФ, креатинфосфата и подавления реакций окислительного фосфорилирования;

Ú процессы тканевого дыхания в клетках подавлены вследствие дефицита кислорода, недостатка субстратов обмена веществ, подавления активности ферментов тканевого дыхания;

Ú гликолиз на начальном этапе гипоксии активируется. Основные причины этого заключаются вдефиците АТФ и снижении его ингибирующего влияния на ключевые ферменты гликолиза, а также в активации гликолитических ферментов продуктами гидролиза АТФ — АДФ и АМФ. Активация гликолиза приводит к снижению содержания гликогена и глюкозы в клетках и кувеличению внутриклеточного содержания молочной и пировиноградной кислот. Последнее является также результатом торможения их окисления в дыхательной цепи и ресинтеза из них гликогена, требующего энергии АТФ;

Ú содержание H⁺ в клетках и биологических жидкостях прогрессирующе нарастает и развивается ацидоз вследствие торможения окисления субстратов, особенно — лактата и пирувата, КТ и в меньшей мере — жирных кислот и аминокислот;

Ú биосинтез нуклеиновых кислот и белков подавлен вследствие дефицита энергии, необходимой для этих процессов. Параллельно с этим активируется протеолиз, обусловленный активацией в условиях ацидоза протеаз, а также — неферментного гидролиза белков;

Ú азотистый баланс становится отрицательным. Это сочетается с повышением содержания остаточного азота в плазме крови и аммиака в тканях (вследствие активации реакций протеолиза и торможения процессов протеосинтеза);

Ú жировой обмен также существенно изменен и характеризуется:

Ú активацией липолиза (вследствие повышения активности липаз и ацидоза);

Ú торможением ресинтеза липидов(в результате дефицита макроэргических соединений);

Ú накоплением в результате вышеуказанных процессов избытка кетокислот (ацетоуксусной, b-оксимасляной кислот, ацетона) и ВЖК в плазме крови, межклеточной жидкости, клетках. При этом ВЖК оказывают разобщающее влияние на процессы окисления и фосфорилирования, что усугубляет дефицит АТФ;

Ú обмен электролитов и жидкости в тканях нарушен. Это проявляется:

Ú отклонениями трансмембранного соотношения ионов в клетках(в условиях гипоксии клетки теряют K⁺, в цитозоле накапливаются Na⁺ и Ca²⁺, в митохондриях — Ca²⁺);

Ú дисбалансом между отдельными ионами (например, в цитозоле уменьшается соотношение K⁺/Na⁺, K⁺/Ca²⁺);

Ú увеличением в крови содержания Na⁺, Cl^–, отдельных микроэлементов.Изменения содержания разных ионов различны. Это зависит от степени гипоксии, преимущественного повреждения того или иного органа, изменений гормонального статуса и других факторов;

Ú накоплением избытка жидкости в клетках и набуханием клеток (вследствие увеличения осмотического давления в цитоплазме клеток в связи с накопление в них Na⁺, Ca²⁺ и некоторых других ионов, а также повышения онкотического давления в клетках в результате распада полипептидов, липопротеинов и других белоксодержащих молекул, обладающих гидрофильными свойствами).

Ы верстка! вставить рисунок «рис-16-10» Ы

Рис. 16-10. Расстройства обмена веществ при острой гипоксии.

В тканях и органах могут развиваться и другие нарушения метаболизма. Во многом они зависят от причины, типа, степени и длительности гипоксии, преимущественно пораженных при гипоксии органов и тканей и ряда других факторов.

Нарушения функций органов и тканей при гипоксии

При гипоксии нарушения функций органов и тканей выражены в разной мере. Это определяется:

Ú различной резистентностью органов к гипоксии;

Ú скоростью ее развития;

Ú степенью и длительностью ее воздействия на организм.

Резистентность органов к гипоксии

Наибольшая устойчивость к гипоксии у костей, хрящей, сухожилий, связок. Даже в условиях тяжелой гипоксии в них не обнаруживается значительных морфологических отклонений.

В скелетной мускулатуре изменения структуры миофибрилл, а также их сократимости выявляются через 100–120 мин, а в миокарде — уже через 15–20 мин.

В почках и печени морфологические отклонения и расстройства функций обнаруживаются обычно через 20–30 мин после начала гипоксии.

Наименьшей резистентностью к гипоксии обладает ткань нервной системы. При этом различные ее структуры по-разному устойчивы к гипоксии одинаковой степени и длительности.

Резистентность нервных клеток уменьшается в следующем порядке: периферические нервные узлы ® спинной мозг ® продолговатый мозг ® гиппокамп ® мозжечок ® кора больших полушарий.

Прекращение оксигенации коры мозга вызывает значительные структурные и функциональные изменения в ней уже через 2–3 мин, в продолговатом мозге — через 8–12 мин, а в ганглиях вегетативной нервной системы — через 50–60 мин.

Отсюда следует, что последствия гипоксии для организма в целом определяются степенью повреждения нейронов коры больших полушарий и временем их развития.