缺氧时机体的功能和代谢变化

第四节　缺氧时机体的功能和代谢变化

缺氧对机体的影响是多方面的，下面主要以低张性缺氧为例介绍。低张性缺氧的分型和主要临床特点如下（见表5－3）。

表5－3　低张性缺氧分型及主要临床特点

一、呼吸系统的变化

1．代偿性反应

轻、中度低氧血症时，动脉血氧分压低于60mmHg，可刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器，反射性引起呼吸中枢兴奋，呼吸加深、加快，肺泡通气量增加，动脉血氧分压回升。同时，呼吸运动增加使胸内负压增大，促进了静脉回流，可增加回心血量，进而提高心输出量和肺血流量，有利于氧的摄取和运输。

2．损伤性变化

当人短期内进入高原地区（在4 000m以上），在1～4d内可发生高原性肺水肿。患者可出现呼吸困难、胸闷、咳嗽、咳粉红色泡沫痰，全身发绀、乏力或活动能力减低等症状。其发生机制尚未明确，可能与肺动脉高压有关：缺氧性肺血管收缩，使肺循环阻力增加，导致肺动脉高压；缺氧引起交感神经兴奋，外周血管收缩，回心血量增加和肺血流量增加；缺氧引起肺内血管通透性增加，液体渗出增多。肺水肿可使动脉血氧分压进一步下降，加重缺氧。

重度低氧血症时，动脉血氧分压下降明显，可抑制呼吸中枢，呼吸变浅、变慢，呼吸节律发生改变，甚至发生呼吸衰竭。

二、循环系统的变化

1．心脏功能改变

轻、中度低氧血症时交感－肾上腺髓质系统兴奋，使心率加快，心肌收缩力增强，回心血量增多。另外，此时呼吸运动增强，胸腔内负压增大，静脉回流增加，使回心血量增加，进而增加心输出量。重度低氧血症时，心肌能量代谢障碍，心率和心肌收缩性均下降，心输出量减少。

2．血液重分布

缺氧时交感神经兴奋，皮肤、腹腔内脏血管收缩，血流量降低；而心、脑血管血流量增加；心、脑血管在局部代谢产物，如H^＋、K^＋、CO₂、腺苷及前列环素（PGI₂）等舒张血管物质作用下，使血流量增加。这种全身血液的重新分布对于保证重要生命器官氧的供应是有利的。

3．肺循环改变

缺氧对肺血管的影响与体循环血管的反应不同，主要引起肺血管收缩，其特点如下。

（1）急性缺氧导致交感神经兴奋，可作用于肺血管的α₁受体引起血管收缩反应。慢性缺氧可使肺血管持续收缩，导致肺循环阻力增加，右心室后负荷增加。除了肺血管收缩增加肺循环阻力外，肺血管重塑使血管壁增厚变硬，形成持续性的肺动脉高压。

（2）体液因子的作用使肺血管收缩。血管内皮细胞、肺泡巨噬细胞以及血管平滑肌细胞等能释放各种血管活性物质，如血管内皮细胞（VEC）释放内皮素（ET），可引起肺血管强烈收缩。

（3）血管平滑肌对低氧的直接反应。缺氧可直接使肺血管平滑肌细胞膜上对氧敏感的钾通道关闭，从而细胞内K＋外流减少，膜电位下降，细胞兴奋性增高，引起细胞膜去极化，激活电压依赖性钙通道，引起细胞外Ca^2＋内流增强，使肺血管收缩。

三、中枢神经系统变化

脑组织对缺氧的耐受能力最低。一般来说，若脑组织完全缺氧30s，则脑神经细胞就会出现代谢障碍；2min后其代谢就停止；5min后则脑细胞开始死亡；8～10min后大脑出现永久性损害；10～15min后小脑出现永久性损害；20～30min后延脑的呼吸、血管运动中枢也会出现永久性损害。显然，充足的脑部血液供应对维持高级神经活动是非常必要的。

急性轻、中度低氧血症时，可引起烦躁、注意力不集中、动作不协调、判断力下降、头晕、头痛等中枢神经系统兴奋的症状；重度低氧血症时，可出现神志淡漠、意识模糊、昏迷等中枢神经系统抑制的症状。急性缺氧时脑实质出现变性、坏死及间质水肿等形态结构改变，其机制是：①脑神经细胞缺氧，ATP产生不足，神经细胞膜钠泵功能障碍，神经细胞内Na^＋潴留，脑细胞水肿；②缺氧可导致代谢性酸中毒，可使脑内微血管扩张，微血管壁通透性增强，从而引起脑间质水肿，导致颅内压升高。

知识链接

所谓高原脑水肿是指人急速进入高原后，对高原低张性缺氧不适应，而引起的严重脑功能障碍性疾病。其发病机制除了缺氧引起脑血管扩张、脑血流增多外，可能还与下列因素有关：①脑细胞水肿；②血脑屏障功能受损；③脑静脉内血栓形成，进一步加重脑水肿。

四、血液系统变化

1．红细胞增多

急性缺氧时，由于交感神经兴奋，肝、脾等内脏器官的血管收缩，其储备的血液进入体循环，使红细胞迅速增多；慢性缺氧刺激肾小球旁间质细胞，使促红细胞生成素释放增加，骨髓造血功能增强，血红蛋白和红细胞合成增多，进而提高血氧容量和血氧含量，增加组织的供氧量而起到代偿作用。长期慢性缺氧也可因红细胞增多，使血液的黏稠度增加，容易导致血栓形成。

2．氧离曲线右移

缺氧时红细胞内2，3－DPG增加，导致氧离曲线右移，血红蛋白与氧的亲和力降低，释放出氧增多，缓解组织缺氧。严重缺氧也可使氧离曲线过度右移，血红蛋白与氧亲和力过低而加重缺氧。

五、组织细胞的变化

1．缺氧时细胞代偿反应

（1）无氧酵解增强。缺氧时ATP生成减少，胞浆内ADP增加，可使磷酸果糖激酶活性增强，糖酵解过程增强，并在一定程度上可补偿细胞的能量不足，但是可因酸性代谢产物生成增多而引起代谢性酸中毒。

（2）利用氧的能力增强。长期慢性、轻度缺氧时，细胞内线粒体数量增多，生物氧化还原酶（如琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶等）活性增强，使细胞利用氧的能力增强。

（3）肌红蛋白增加。持续慢性缺氧可使肌肉组织中肌红蛋白增加。肌红蛋白与氧的亲和力比血红蛋白的大，当氧分压降为10mmHg时，血红蛋白的氧饱和度约为10%，而肌红蛋白的氧饱和度可达到70%，因此，当人体经过剧烈运动使肌组织的氧分压进一步降低时，肌红蛋白可释放出大量的氧，供给组织细胞利用。

2．细胞损伤

缺氧性细胞损伤常为严重缺氧时出现的一种失代偿性变化。其主要表现为细胞膜、线粒体及溶酶体的损伤。

（1）细胞膜的变化。细胞膜电位降低常先于细胞内ATP含量的减少，膜电位降低的原因是细胞膜对离子的通透性增高，导致离子顺浓度差通过细胞膜，继而出现Na^＋内流、K^＋外流、Ca^2＋内流和细胞水肿等一系列改变。

①Na^＋内流。胞内Na^＋浓度增高并激活Na^＋－K^＋泵，在泵出胞内Na^＋的同时又过多消耗ATP，ATP消耗又促进线粒体氧化磷酸化过程，并加重细胞缺氧。细胞内Na^＋浓度过高必然伴有水进入细胞内而引起细胞水肿。细胞水肿是线粒体和溶酶体肿胀的基础。

②K^＋外流。由于Na^＋－K^＋泵功能障碍，细胞外K^＋不能被泵到细胞内，细胞内缺K^＋导致合成代谢障碍和酶的功能丧失。

③Ca^2＋内流。严重缺氧时，由于ATP生成减少，膜上Ca^2＋泵功能降低，胞浆内Ca^2＋外流和肌浆网摄取Ca^2＋障碍，使胞浆内Ca^2＋浓度增高。细胞内Ca^2＋增多并进入线粒体内使呼吸链功能抑制；Ca^2＋增加可激活磷脂酶，使膜磷脂分解，引起溶酶体损伤及水解酶的释放，从而导致细胞自溶；胞浆内Ca^2＋浓度过高也可以使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，促进自由基形成，加重细胞损伤。

（2）线粒体的变化。严重缺氧可明显抑制线粒体呼吸功能和氧化磷酸化过程，使ATP生成进一步减少；持续较长时间严重缺氧，可以使线粒体的基质颗粒减少或消失，线粒体脊肿胀、内腔扩张、崩解，外膜破裂等。

（3）溶酶体的变化。严重缺氧，由于ATP生成不足，细胞内出现酸中毒。pH值降低和胞浆内Ca^2＋增加使磷脂酶活性增高，使溶酶体膜分解，膜通透性增高，溶酶体肿胀、破裂，并释出大量溶酶体酶，使组织细胞发生自溶。