Критическое напряжение О2 в митохондриях.

Напряжение О₂ в клетках в норме имеет проме-

 

Рис. 23.2.Напряжение О2 (Ро2) и СО2 (РСО2) в крови в различных участках сосудистой системы в условиях покоя (по [41] с изменениями)

ГЛАВА 23. ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ 633

жуточное значение между напряжением О₂ в артериальной крови и минимальным значением, которое в органах (или частях органов) с высокими потребностями в кислороде составляет около 1 мм рт. ст. (133,3 Па). Для нормального протекания окислительных процессов необходимо, чтобы напряжение О₂ в области митохондрий превосходило 0,1-1 мм рт.ст. (13,3-133,3 Па). Эта величина называется критическим напряжением О₂ в митохондриях [15, 22, 39]. Если напряжение О₂ в участках цитоплазмы, непосредственно граничащих с митохондриями, падает ниже критического, то полное окисление восстановленной цитохромоксидазы становится невозможным, перенос водорода и электронов в дыхательной цепи подавляется и в результате не может поддерживаться нормальная скорость энергетического обмена. Таким образом, важнейшим показателем, характеризующим снабжение тканей кислородом, служит напряжение О₂ в клетках.

Внедрение в практику исследований полярографических методов (с. 593) позволило непосредствен-

 

Рис. 23.3. Напряжение 02 в сером веществе коры головного мозга. А. Гистограмма регионального напряжения 02 в коре головного мозга морской свинки в условиях нормальной вентиляции легких; максимальное напряжение 02 в исследуемой ткани такое же, как и в артериальной крови (Ро2 = 90-95 мм рт. ст. =12.012,7 кПа); минимальное Ро2 (в тех клетках, которые хуже всего снабжаются кислородом) составляет 0,5-1 мм рт. ст. (67-133 Па), что примерно на 25 мм рт. ст. (3,3 кПа) ниже среднего напряжения О2 в венозной крови сосудов коры головного мозга [34]. Б. Устройство микрозлектрода для полярографического измерения напряжения О2 в тканях

но измерять напряжение О₂ в отдельных клетках при помощи микроэлектродов. Напряжение О₂ в клетках, расположенных близко к поверхности, определяют при помощи миниатюрных платиновых микроэлектродов, введение которых в ткань не приводит к нарушению в ней микроциркуляции. Для измерения напряжения О₂ в более глубинно расположенных клетках используют игловидные электроды с диаметром кончика в пределах 0,5-5 мкм (рис. 23.3, Б).

Оба этих метода используют в основном в опытах на животных. В то же время они были успешно применены и при исследовании больных для определения напряжения О₂ в легкодоступных органах. Так, подробно изучено распределение напряжения О₂ в покое и при нагрузке в пораженных мышцах при ряде мышечных заболеваний и состояний, сопровождающихся нарушением мышечного кровотока. При нейрохирургических операциях с помощью поверхностных микроэлектродов получены важные данные, касающиеся поступления кислорода к тем или иным участкам головного мозга. Результаты подобного исследования представлены на рис. 23.4 в виде гистограмм парциального давления О₂ в поверхностных клетках различных участков коры головного мозга в условиях артериальной нормоксии и артериальной гипоксии [28].

В большинстве случаев, однако, снабжение кислородом какого-либо органа у человека рассчитывают по результатам непосредственного измерения важнейших показателей, влияющих на поступление О₂,-скорости кровотока, напряжения и концентрации дыхательных газов, pH артериальной крови; на основании этих данных анализируют газоообмен в интересующем участке ткани.

Распределение напряжения О₂ в ткани мозга. Наибольший интерес представляет распределение напряжения О₂ в ткани головного мозга и в миокарде, поскольку при недостаточном поступлении кислорода к любому из этих двух органов может наступить смерть. Среднее распределение напряжения О₂ в цилиндрическом участке коры головного мозга, снабжаемом одним капилляром, представлено на рис. 23.5 (при этом потребление О₂ принимается равным 9· 10⁻² млт⁻¹-мин⁻¹, а кровоток0,8 мл · г ⁻¹ · мин ⁻¹ ). При прохождении крови через капилляр напряжение О₂ в нем падает с 90 ммрт. ст. (12,0 кПа) примерно до 28 ммрт. ст. (3,7 кПа). Эти изменения соответствуют эффективной кривой диссоциации оксигемоглобина (с. 610). Перпендикулярно продольному градиенту напряжения направлен радиальный градиент напряжения с разницей между напряжением О₂ в крови и в периферических участках цилиндра около 26 мм рт. ст. (3,5 кПа). Хуже всего снабжаются кислородом клетки, расположенные у венозного конца цилиндра; по

634 ЧАСТЬ VI. ДЫХАНИЕ

 

Рис. 23.4.Гистограммы регионального парциального давления О2 в клетках, расположенных у поверхности коры головного мозга кошки в условиях артериальной нормоксии (А; PаО2 = 96 мм рт. ст. = 12,8 кПа), умеренной артериальной гипоксии (Б; PaQ2 = 52 мм рт. ст. = 7,0 кПа) и тяжелой артериальной гипоксии (В; Р dO2=31 мм рт. ст.= 4.2кПа). По мере снижения Ро2 в артериальной крови распределения сдвигаются в сторону все более низких величин PO2, что проявляется в значительном увеличении числа измеренных значений PO2 в пределах 0-5 мм рт. ст. (0 0,7 кПа). При тяжелой артериальной гипоксии возникает выраженная тканевая гипоксия с аноксией многих клеток коры головного мозга [28]

расчетам напряжение О₂ в области этих клеток составляет 1-2 мм рт. ст. (133-266 Па).

Вычисленные величины напряжения О₂ хорошо согласуются с данными прямых измерений у животных [27] в аналогичных условиях (рис. 23.3. A и 23.4) и свидетельствуют о том, что ткань мозга отнюдь не так хорошо снабжается кислородом, как принято считать. Эти расчеты позволяют понять, почему уменьшение мозгового кровотока столь легко приводит к кислородному голоданию нейронов, расположенных в наиболее плохо снабжаемых кровью участках. В результате функция таких нейронов быстро нарушается, что во многих случаях приводит к частичной или полной потере сознания.

Распределение напряжения О₂ в миокарде. Сердечная мышца отличается от большинства других тканей тем, что снабжение ее кислородом носит периодический характер. В ходе сердечного цикла изменяют-

ся как потребность миокарда в энергии, так и его кровоснабжение. При систоле в результате повышенного интрамурального давления кровоток в бассейне левой коронарной артерии снижается и может на короткое время полностью прекратиться во внутренних слоях миокарда левого желудочка (с. 495). В результате снабжение миокарда кислородом претерпевает периодические колебания: в систоле оно минимально, а в диастоле максимально. В то же время потребность клеток миокарда в энергии изменяется противоположным образом: она возрастает во время фазы сокращения и снижается во время фазы расслабления.

Существуют два механизма, полностью удовлетворяющие в нормальных условиях потребность миокарда в энергии, несмотря на снижение поступления О₂ во время систолы. Один из них заклю-

 

Рис. 23.5.Схема распределения напряжения О2 в модели тканевого цилиндра по Крогу; в качестве примера приведен цилиндрический участок ткани коры головного мозга человека, снабжаемый одним капилляром (потребление О2 = 9-10−2 мл-г−1-мин−1; кровоток = = 0,8 мл-г−1-мин−1). В нормальных условиях среднее напряжение О2 в крови понижается с 90 мм рт. ст. (12,0 кПа) в области артериального конца капилляра до ~ 28 мм рт. ст. (3,7 кПа) в области венозного конца. Имеется также радиальный градиент среднего напряжения О2, направленный от капилляра к поверхности цилиндра и составляющий около 26 мм рт. ст. (3,5 кПа)

ГЛАВА 23. ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ 635

чается в том, что в тех клетках, где во время сокращения P_O2 падает ниже примерно 10 мм рт. ст. (1,3 кПа), миоглобин играет роль кратковременного депо О₂ (см. выше). Второй механизм состоит в том, что временно повышенная потребность миокарда в энергии удовлетворяется за счет энергетических резервов (АТФ и креатинфосфата). Во время систолы благодаря значительному повышению кровоснабжения миокарда миоглобин снова полностью насыщается кислородом, а клеточные запасы энергии восполняются [26].

Изменения в снабжении миокарда кислородом входе сердечного цикла, по-видимому, сопровождаются периодическими колебаниями напряжения О₂ в клетках миокарда.

При физической нагрузке создаются дополнительные трудности для нормального снабжения миокарда кислородом. Сердце, выполняющее в этих условиях большую работу, потребляет и большее количество О₂. В то же время увеличение частоты сокращений сердца приводит к значительному укорочению диастолы, и в результате нарушается соответствие между снабжением сердца кислородом и потребностью в нем. В связи с этим переносимость физической нагрузки ограничена предельной частотой сокращений сердца, равной примерно 200 ударов в 1 мин. Действительно, на ЭКГ в этих условиях часто появляются типичные симптомы гипоксии миокарда (снижение сегмента ST, уплощение или инверсия зубца Т) (ср. с. 475).

 

Рис. 23.6.Распределение парциального давления 02 на поперечном срезе мышечного волокна, богатого миоглобином и снабжаемого четырьмя капиллярами. Расчет сделан для следующих условий физической нагрузки: потребление О2 0,14 мл-г−1-мин−1; радиус волокна 25 мкм [25]