Действие на организм фактора, вызывающего гипоксию любого типа, сопровождается включением взаимосвязанных процессов 2 категорий: обусловливающих развитие гипоксии и одновременно обеспечивающих адаптацию организма к гипоксии и направленных на поддержание гомеостаза в данных условиях. Процессы первой категории описаны выше. Ниже характеризуются общие механизмы адаптации организма к гипоксии. Общая характеристика процесса адаптации к гипоксии При действии даже умеренной гипоксии сразу начинает формироваться поведенческая реакция, направленная на поиск среды существования, оптимально обеспечивающая уровень биологического окисления. Человек может также направленно менять условия жизнедеятельности с целью устранения состояния гипоксии. Возникшая гипоксия служит системообразующим фактором: в организме формируется динамичная функциональная система по достижению и поддержанию оптимального уровня биологического окисления в клетках. Эта система реализует свои эффекты за счет активации доставки кислорода и субстратов метаболизма к тканям и включения их в реакции биологического окисления. В структуру системы входят легкие, сердце, сосудистая система, кровь, системы биологического окисления и регуляторные системы. Условно адаптивные реакции подразделены на 2 группы: экстренной адаптации и долговременной адаптации. Экстренная адаптация к гипоксии Механизмы экстренной адаптации к гипоксии представлены на рисунке 16-8. Они реализуются за счет резкой активации функционирования легких, сердечно-сосудистой системы, системы крови и биологического окисления в клетках. Видно, что активация первых 3 систем обеспечивает повышенную доставку субстратов обмена веществ и кислорода к органам и тканям, а интесификация биологического окисления — ресинтез АТФ, необходимый для повышенного функционирования органов и пластических процессов в них. Ы верстка! вставить рисунок «рис-16-8» Ы
Рис. 16-8. Механизмы экстренной адаптации организма к гипоксии.
Причина активации механизмов срочной адаптации организма к гипоксии — недостаточность биологического окисления. Как следствие, в тканях снижается содержание АТФ, необходимого для обеспечения оптимального уровня жизнедеятельности. Ключевое и необходимое звено процесса экстренной адаптации организма к гипоксии — активация механизмов транспорта O2 и субстратов обмена веществ к тканям и органам. Эти механизмы предсуществуют в каждом организме. В связи с этим они активируются сразу (экстренно, срочно) при возникновении гипоксии и снижении эффективности биологического окисления. Повышенное функционирование систем транспорта кислорода и субстратов метаболизма к клеткам сопровождается интенсивным расходом энергии и субстратов обмена веществ. Это означает, что, механизмы экстренной адаптации к гипоксии имеют высокую энергетическую и субстратную «цену». Именно это является (или может стать) фактором ограничения уровня и длительности гиперфункционирования органов. Система внешнего дыхания Недостаточность биологического окисления при гипоксии ведет к гипервентиляции — возрастанию объема альвеолярной вентиляции. Причина гипервентиляции — активация афферентной импульсации от хеморецепторов (аорты, каротидной зоны сонных артерий, ствола мозга и других регионов организма) в ответ на изменение показателей газового состава крови (снижение раО2, увеличение раCO2 и др.). Механизмы гипервентиляции: увеличение частоты и глубины дыхательных движений и числа раскрывшихся резервных альвеол. В результате минутный объем дыхания (МОД) может возрасти более чем на порядок: с 5–6 л в покое до 90–110 л в условиях гипоксии. Сердце Причина гиперфункции сердца — активации симпатикоадреналовой системы. Механизмы гиперфункции сердца: тахикардия. Она, как правило, сочетается с увеличением сердечного выброса; увеличение ударного выброса крови из сердца. Благодаря этому возрастает интегративный показатель функции сердца — минутный объем кровообращения (сердечный выброс крови). Если в покое он равен 4–5 л, то при гипоксии может достигать 30–40 л; повышение линейной и объемной скорости кровотока в сосудах. Сосудистая система В условиях гипоксии развивается феномен перераспределения, или централизации кровотока. Причины и механизмы феномена централизации кровотока: активация в условиях гипоксии симпатикоадреналовой системы и высвобождения катехоламинов. Последние вызывают сужение артериол и снижение притока крови по ним к большинству тканей и органов (мышцам, органам брюшной полости, почкам, подкожной клетчатке и др.); накопление в миокарде и ткани мозга метаболитов с сосудорасширяющим эффектом: аденозина, простациклина, ПгЕ, кининов и других. Эти вещества не только препятствуют реализации вазоконстрикторного действия катехоламинов, но и обеспечивают расширение артериол и увеличение кровоснабжения сердца и мозга в условиях гипоксии. Последствия феномена централизации кровотока: расширение артериол и увеличение кровоснабжения мозга и сердца; уменьшение объема кровоснабжения в других органах и тканях: мышцах, подкожной клетчатке, сосудах брюшной полости, почках в связи с дсужением просвета артериол. Система крови Острая гипоксия любого генеза сопровождается адаптивными изменениями в системе крови. Они заключаются в: активации выхода эритроцитов из костного мозга и депо крови (в последнем случае — одновременно с другими ФЭК). Причина мобилизации эритроцитов — высокая концентрация в крови катехоламинов, тиреоидных и кортикостероидных гормонов. В результате при острой гипоксии развивается полицитемия. Следствие мобилизации эритроцитов — увеличение кислородной емкости крови; повышении степени диссоциации HbO2 в тканях вследствие: гипоксемии, особенно в капиллярной и венозной крови. В связи с этим именно в капиллярах и посткапиллярных венулах происходит возрастание степени отдачи кислорода HbO2; ацидоза (закономерно развивающегося при любом типе гипоксии); повышенной в условиях гипоксии концентрации в эритроцитах 2,3-дифосфоглицерата, а также других органических фосфатов: АДФ, пиридоксальфосфата. Эти вещества стимулируют отщепление кислорода от HbO2; увеличении сродства Hb к кислороду в капиллярах легких. Этот эффект реализуется при участии органических фосфатов, в основном — 2,3-дифосфоглицерата. При этом важное значение имеет свойство Hb связывать значительное количество кислорода даже в условиях существенно сниженного pО2 в капиллярах легких. При pО2 равном 100 мм рт. ст. образуется 96% HbO2, при pО2 80 и 50 мм рт. ст. — 90 и 81% соответственно. Системы биологического окисления Активация обмена веществ — важное звено экстренной адаптации организма к острой гипоксии. Это обеспечивает: повышение эффективности процессов усвоения кислорода и субстратов окисления тканями организма и доставки их к митохондриям; активацию ферментов окисления и фосфорилирования, что наблюдается при умеренном повреждении клеток и их митохондрий; увеличение степени сопряжения процессов окисления и фосфорилирования адениннуклеотидов: АДФ, АМФ, а также креатина; активацию гликолитического пути окисления. Этот феномен регистрируется при всех типах гипоксии, особенно на ранних ее этапах. Причины активации гликолиза: снижение внутриклеточного содержания АТФ и его ингибирующего влияния на ферменты гликолиза; увеличение содержания в клетках продуктов гидролиза АТФ (АДФ, АМФ, неорганического фосфата), активирующих ключевые гликолитические ферменты. Долговременная адаптация Причина формирования механизмов долговременной адаптации к гипоксии — повторная или продолжающаяся недостаточность биологического окисления умеренной выраженности. Условия формирования механизмов долговременной адаптации к гипоксии: повторяемость и/или оптимальная длительность умеренной гипоксии. Это вызывает многократную активацию срочных механизмов адаптации, что обеспечивает формирование структурно-функциональной основы для процессов долговременного адаптации к гипоксии. Существенно, чтобы интервал между эпизодами умеренной гипоксии не был слишком велик или мал. Большой интервал приведет к ликвидации структурных (субклеточных, клеточных, органно-тканевых) адаптивных изменений. Малый интервал будет недостаточен для их развития и закрепления; выраженность гипоксии. Гипоксия слишком малой выраженности не активирует механизмов срочной и долговременной адаптации. Регистрируются лишь преходящие реакции в диапазоне физиологического ответа на снижение биологического окисления. Гипоксия чрезмерной выраженности вызывает срыв процесса адаптации, расстройства функций, обмена веществ и повреждение структур организма; оптимальное состояние жизнедеятельности организма. Это позволяет развить механизмы срочной адаптации и закрепить структурно-функциональные изменения, лежащие в основе долговременной адаптации к гипоксии. Недостаточность каких-либо систем организма (дыхательной, ССС, крови, тканевого метаболизма) и/или пластических процессов делают невозможным осуществление адаптивных процессов к гипоксии (как и к другим экстремальным факторам). Механизмы долговременной адаптации Долговременная адаптация к гипоксии реализуются на всех уровнях жизнедеятельности: от организма в целом до клеточного метаболизма. Реализуется процесс адаптации к длительной гипоксии (также как и к эксиренной) при участии систем внешнего дыхания, сердечно-сосудистой, крови и биологического окисления. Основной среди них становится значительная активация процессов образования митохондрий и окисления в них! Процесс долговременной адаптации к гипоксии имеет несколько важных особенностей. К наиболее значимым среди них относят следующие: процессы приспособления к повторной и/или длительной гипоксии формируются длительно в результате многократной и/или продолжительной активации срочной адаптации к гипоксии; переход от несовершенной и неустойчивой экстренной адаптации к гипоксии к устойчивой и долговременной адаптации имеет существенное биологическое (жизненно важное) значение: это создает условия для оптимальной жизнедеятельности организма в новых, часто экстремальных условиях существования; основой перехода организма к состоянию долговременной адаптированности к гипоксии является активация синтеза нуклеиновых кислот и белков в усиленно работающих тканях и органах. К ним относят, прежде всего, те, которые обеспечивают транспорт кислорода и субстратов обмена веществ, а также ткани, интенсивно функционирующие в условиях гипоксии; основное звено долговременного приспособления к гипоксии — значительное повышение эффективности процессов биологического окисления в митохондриях (в отличие от экстренной адаптации к гипоксии, при которой ведущее значение имеет активация механизмов транспорта O2 и субстратов обмена веществ к тканям); системы доставки кислорода и продуктов обмена веществ к тканям (внешнего дыхания и кровообращения) при устойчивой адаптации к гипоксии также приобретают новые качества: повышенные мощность, экономичность и надежность функционирования. Системы и главные процессы реализации механизма долговременной адаптации к гипоксии представлены на рисунке 16-9. Ы верстка! вставить рисунок «рис-16-9» Ы
Рис. 16-9. Механизмы долговременной адаптации организма к гипоксии.
К основным механизмам долговременной адаптации организма к гипоксии относят системы биологического окисления, систему внешнего дыхания, сердце, сосудистую систему, систему крови, метаболизм и системы регуляции. Системы биологического окисления Они обеспечивают оптимальное энергетическое обеспечение гиперфункционирующих структур и уровень пластических процессов в них в условиях гипоксии. Это достигается благодаря увеличению: числа митохондрий и количества крист в них; числа молекул ферментов тканевого дыхания в каждой митохондрии, а также активности ферментов, особенно — цитохромоксидазы; эффективности процессов биологического окисления и сопряжения его с фосфорилированием; 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: гипертрофии легких и увеличению в связи с этим площади альвеол, числа капилляров в межальвеолярных перегородках, уровня кровотока в этих капиллярах; увеличению диффузионной способности аэрогематического барьера легких; повышению эффективности соотношения вентиляции альвеол и перфузии их кровью (вентиляционно-перфузионного соотношения); гипертрофии и возрастанию мощности дыхательной мускулатуры; 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: умеренной сбалансированной гипертрофии всех структурных элементов сердца — миокарда, сосудистого русла, нервных волокон; уменьшению расстояния между стенкой капилляра и сарколеммой кардиомиоцита; 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; повышению эффективности трансмембранных процессов (транспорта ионов, субстратов и продуктов метаболизма, кислорода и др.); возрастанию мощности и скорости взаимодействия актина и миозина в миофибриллах кардиомиоцитов; 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: увеличение количества функционирующих капилляров в тканях и органах; 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: высокая эффективность реакций анаэробного ресинтеза АТФ; доминирование анаболических процессов в тканях по сравнению с катаболическими; 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: повышенной резистентностью нейронов к гипоксии и дефициту АТФ, а также некоторым другим факторам (например, токсинам, недостатку субстратов метаболизма); гипертрофией нейронов и увеличением числа нервных окончаний в тканях и органах; 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: реализации мобильных регулирующих нейро-гуморальных влияний на органы и ткани; быстрой выработке и сохранению новых условных рефлексов; переходу приобретенных навыков из кратковременных в долговременные; повышенной устойчивости нервной системы к патогенным воздействиям. Гуморальная регуляция Перестройка в условиях гипоксии функционирования эндокринной системы обусловливает: меньшую степень стимуляции мозгового вещества надпочечников, гипоталамо гипофизарно надпочечниковой и других эндокринных систем. Это ограничивает активацию механизмов стресс-реакции и ее возможные патогенные эффекты; 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. |
Скачать 4.08 Mb.