缺氧时机体功能和代谢变化

第三节　缺氧时机体功能和代谢变化

由于缺氧发生的原因、程度及机体功能状态不同，对机体的代谢功能的影响不尽相同，急性、轻度缺氧主要引起机体的代偿反应，慢性、重度缺氧则引起组织细胞功能代谢障碍，严重者死亡。

一、呼吸系统的变化

（一）代偿反应及机制

PaO₂下降至60mmHg（8．0kPa）以下发生急性轻度缺氧时，机体即可代偿性出现呼吸加快、加深，肺泡通气量增加。代偿机制为：当PaO₂下降至60mmHg（8．0kPa）时可刺激颈动脉体和主动脉体的外周化学感受器，反射性引起呼吸加快加深，从外界摄氧增加，使肺泡通气量增加，有利于升高PaO₂。此外，呼吸运动加快可使胸廓运动增强，胸腔负压增大，回心血量增加，心输出量及肺血流量增多，有利于血液摄取和运输氧。

（二）呼吸功能障碍及机制

PaO₂下降至30mmHg（4．0kPa）以下发生急性重度缺氧时，可直接抑制呼吸中枢，出现呼吸不规则、呼吸减弱甚者呼吸停止，肺泡通气量显著减少。此外，当人登上海拔4　000m以上的高原后，出现头痛、胸闷、咳嗽、咳血性泡沫痰、肺部湿性啰音、发绀、呼吸困难，甚至神志不清，即为高原肺水肿。发生机制可能为：急性严重缺氧使外周血管收缩，增加回心血量及肺血流量；严重缺氧时肺毛细血管收缩使肺循环阻力增加，肺毛细血管内压增加。

二、循环系统的变化

（一）代偿反应及机制

1．心输出量增加

心输出量增加是急性轻度低张性缺氧的主要代偿反应，可提高组织供氧量。代偿机制如下。①心率加快：当氧分压下降时，呼吸运动增强，肺泡通气量增大刺激肺牵张感受器，反射性兴奋交感神经，引起心率加快，心输出量增加。②心肌收缩力增强：氧分压下降时交感神经兴奋，释放儿茶酚胺作用心肌细胞β^－肾上腺素能受体，心肌收缩力增强，心输出量增多。③静脉回流增加：因胸廓运动增强，心率加快，促进静脉的回流。

2．血流分布变化

急性缺氧时，因交感神经兴奋，效应器皮肤、腹腔器官等缩血管作用占优势，引起血管强烈收缩，而心、脑血管因受代谢产物乳酸、腺苷、PGI₂等扩血管物质的作用，血流加快。通过血液的重新分布，保证生命重要器官的供血供氧。

3．肺血管收缩

缺氧时，因肺泡氧分压降低可直接引起肺小动脉收缩，减少缺氧部位血流量，有利于维持肺泡通气量与血流量的比值，提高PaO₂。肺血管收缩的机制可能如下。①交感神经作用：缺氧引起交感神经兴奋，作用于肺血管α受体，引起肺小血管收缩。②体液因素：缺氧促使肺组织内肥大细胞、肺泡巨噬细胞、血管内皮细胞等释放组胺、前列腺素和白细胞三烯等血管活性物质，作用于肺血管，从而影响肺动脉的收缩和舒张。缩血管物质释放量多，作用大于舒血管作用时，引起肺动脉收缩。③缺氧直接对平滑肌的作用：缺氧可使肺血管平滑肌细胞膜对Na^＋、Ca^2＋的通透性增高，内流增多，致肌细胞兴奋性与收缩性增高。

4．毛细血管增生

长期慢性缺氧可使心、脑、骨骼肌毛细血管显著增生，密度增加，缩短血氧弥散距离，氧的弥散速度加快，有利于组织供氧。

（二）循环功能障碍

慢性严重缺氧，可促使肺血管平滑肌细胞和成纤维细胞肥大、增生，血管硬化，形成肺动脉高压。长期肺动脉高压导致右心室肥大，甚至发生心力衰竭。此外，严重缺氧能直接破坏心肌细胞结构及抑制呼吸中枢使胸廓运动减弱、静脉的回流减少。

三、血液系统的变化

（一）红细胞增多

1．急性缺氧

急性缺氧可兴奋交感神经，使肝、脾等储血器官收缩，血液进入体循环，使血液中的红细胞与血红蛋白含量增加，提高血氧含量及氧容量。

2．慢性缺氧

缺氧时的低氧血症能刺激肾小球球旁细胞释放促红细胞生成素（EPO），促进骨髓干细胞分化，加速红细胞成熟。虽然，红细胞增多可增加血氧含量及氧容量，但过度增加，反而增加了血液的黏稠度，从而增加血流阻力，加重缺氧。

（二）氧解离曲线右移

缺氧时糖酵解增强，红细胞内2，3－DPG增加，氧解离曲线右移，血红蛋白与氧的亲和力降低，有利氧释放出供给组织利用。

四、中枢神经系统的变化

脑是对缺氧最敏感的重要生命器官。因脑的重量仅占体重的2%，脑血流量约占心输出量的15%，脑内氧、糖原和ATP的储存极少，能量来源主要依靠葡萄糖的生物氧化，所以脑尤其是大脑皮质对缺氧甚为敏感。缺氧可直接损伤中枢神经系统，引起中枢神经系统功能障碍，出现不同表现。急性缺氧可出现头痛、情绪激动、思维能力、记忆力、判断力降低以及运动不协调等。慢性缺氧出现易疲劳、嗜睡、注意力不集中及精神抑郁等。严重缺氧导致烦躁不安、惊厥、昏迷甚至危及生命。中枢神经系统功能障碍发生机制主要为：缺氧时脑细胞ATP生成减少，神经膜电位降低、神经递质合成减少，神经冲动传导受阻。神经细胞膜钠泵功能障碍，细胞水肿。酸中毒使脑血管壁通透性增高，加重脑水肿。

五、组织与细胞的变化

（一）代偿反应及机制

1．组织细胞用氧能力增强

通常在慢性缺氧时，细胞内线粒体膜表面积增多和数目增多，某些酶如细胞色素氧化酶、琥珀酸脱氢酶增加，增强细胞内呼吸功能，摄氧增多。

2．糖酵解增强

由于缺氧时ATP生成减少，ATP/ADP比值下降，致使控制糖酵解过程最重要的限速酶（磷酸果糖激酶）活性增强，促进糖酵解，一定程度上补偿能量不足。

3．肌红蛋白增加

慢性缺氧能使肌肉中的肌红蛋白含量增加，有利于储备氧。肌红蛋白与氧的亲和力大于Hb，能摄取更多氧储存，氧分压进一步下降时，肌红蛋白可释放大量氧供细胞利用，也加快了氧的弥散速度。

4．低代谢状态

缺氧时细胞内酸中毒，能抑制细胞的各种合成代谢及离子泵功能，降低耗能，细胞处于低代谢状态，有利于机体在缺氧环境中生存。

（二）细胞损伤及机理

1．细胞膜的变化

缺氧可使细胞代谢障碍，ATP生成不足，Na^＋－K^＋泵功能障碍，细胞膜对离子的通透性增高。Na^＋内流，促进水进入细胞内发生细胞水肿；K^＋外流，细胞内缺钾，导致K^＋对蛋白质、酶类合成代谢障碍，进一步影响细胞代谢；Ca^2＋内流，细胞内Ca^2＋浓度增高，可抑制线粒体的呼吸功能，激活磷脂酶，使膜磷脂分解，引起溶酶体损伤并释放出水解酶，进一步加重细胞损伤。

2．细胞器的改变

（1）线粒体的变化：细胞内80%～90%的氧在线粒体进行氧化磷酸化产生ATP，10%～20%的氧在线粒体外具有生物合成、降解及生物转化作用。轻度缺氧能使线粒体的生物氧化功能减弱，ATP生成减少。严重缺氧影响线粒体外氧的利用，甚至损伤线粒体结构导致线粒体水肿、嵴崩解、膜破碎基质外流等。

（2）溶酶体的变化：由于ATP生成减少，细胞内酸中毒，使溶酶体膜磷脂分解，膜通透性增高，溶酶体发生肿胀、破裂，释放大量溶酶体酶，引起细胞组织溶解、坏死。