Нарушения внутреннего дыхания

 

Расстройства внутреннего дыхания определяются нарушениями транспорта кислорода от легких к тканям, использования кислорода тканями (тканевое дыхание) и переноса углекислоты от тканей к легким.

Нарушение транспорта кислорода. Из легких, преодолевая аэро-гематический барьер, кислород поступает в кровь, где с гемоглобином эритроцитов образует непрочное, легко диссоциирующее соединение — оксигемоглобин. При обычном парциальном давлении кислорода в альвеолах 1 г гемоглобина способен связать до 1,34 мл кислорода. В крови млекопитающих количество гемоглобина колеблется в пределах 130—160 г/л. Кислородная емкость составляет 19,3—21,3 об.%.

Снижение кислородной емкости крови и ограничение доставки кислорода тканям возникают в результате следующих причин:

1) падения парциального напряжения кислорода в альвеолярном воздухе. Так, если при обычном атмосферном давлении парциальное напряжение кислорода равно 100 мм рт. ст., окисляемость гемоглобина составляет 98,6 %, то при падении парциального давления в воздухе альвеол до 40 мм рт. ст. насыщенность кислородом будет менее 75 %. Она станет недостаточной для нормального снабжения тканей кислородом;

2) снижения концентрации гемоглобина в циркулирующей крови. Она падает при анемии, вызванной гемолизом эритроцитов; при постгеморрагической анемии; анемиях алиментарного происхождения, особенно у поросят; анемии, развивающейся как следствие подавления эритропоэтической функции красного костного мозга;

3) образования метгемоглобина. Ряд веществ способен окислять гемоглобин в метгемоглобин, превращая двухвалентное железо в трехвалентное. К веществам, трансформирующим гемоглобин в метгемоглобин, относятся промышленные яды (нитробензол, анилин и др.), а также нитриты и нитраты, поступающие животным с растительными кормами. Метгемоглобин представляет co­бой стойкое соединение, не обладающее способностью транспор­тировать кислород, передавать его тканям;

4) образования карбоксигемоглобина. Вдыхание воздуха, со­держащего даже небольшое количество окиси углерода (СО, «угарного газа»), приводит к образованию карбоксигемоглобина. В этом соединении, образованном по тому же принципу, что и оксигемоглобин, окись углерода связывается с гемоглобином в 300 раз прочнее, чем кислород. Почти весь гемоглобин блокируется окисью углерода даже при содержании нескольких десятков объемных процентов СО во вдыхаемом воздухе. В результате раз­вивается гипоксемия (снижение О₂ в крови) и гипоксия (сниже­ние О₂ в тканях). Окись углерода может оказаться в воздухе, вды­хаемом животными, во время пожаров, при работе моторов авто­машин, тракторов в животноводческих помещениях.

Снижение снабжения тканей кислородом может быть результа­том нарушения сродства гемоглобина к кислороду. Сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо наблюдается при лихорад­ке, гиперемии, накоплении кислых продуктов (ацидоз). Сдвиг влево наблюдается при переохлаждении организма, всех формах. алкалоза. Ухудшается диссоциация оксигемоглобина в тканях, затруднена передача кислорода клеткам.

Замедление скорости кровотока, ишемизация тканей — также одна из причин, вызывающих кислородное голодание.

Нарушение тканевого дыхания. Окислительные процессы, происходящие в межклеточном веществе и клетках, осуществляются путем отдачи водорода, присоединения кислорода и пе­реноса электрона или перемены валентности. Начинается окис­ление с дегидрирования, затем водород окисляется до образова­ния воды. Кроме дегидраз и оксигеназ в окислительных процес­сах участвуют и другие ферменты — пероксидазы, переносчики водорода — цитохромы и флавопротеиды; переносчики фосфа­та, аминогрупп, другие ферменты. Недостаточное поступление кислорода нарушает окислительно-восстановительные процес­сы в клетке.

Гипоксия (от лат. hypo — мало, oxygenium — кислород) — состояние, возникающее в организме при недостаточном поступ­лении кислорода тканям или затруднении использования его клетками. Гипоксию принято считать типичным патологическим процессом. Несмотря на многообразие порождающих ее причин, ее проявление, компенсаторные реакции во многих случаях про­текают однотипно.

В зависимости от этиологии и патогенеза выделяют следующие разновидности кислородного голодания тканей:

· гипоксическая гипоксия — недостаточное содержание в тканях кислорода (гипоксия), вызванное уменьшением его поступления через аэрогематический барьер из альвеол в кровь. Порождается следующими факторами:

· низким содержанием кислорода во вдыхаемом воздухе. В ат­мосферном воздухе его содержится 21 %, в альвеолярном— 13 %. Снижение количества атмосферного кислорода до 13—15 % орга­низмом компенсируется, при более низком падении его содержа­ния наступает удушье;

· недостаточной вентиляцией легких (непроходимость, парез, паралич дыхательных мышц, пневмоторакс);

· ухудшением перфузии газов через альвеолярные перегородки при пневмониях, отеке легких, ателектазе, эмфиземе;

· возможными пороками сердца, приводящими к смешиванию венозной и артериальной крови (незаращение боталлова протока и др.);

· анемическая гипоксия — снижение кислородной емкости крови. Наблюдается при анемиях разного генеза, образовании карбокси-гемоглобина и метгемоглобина;

· циркуляторная гипоксия — замедление движения крови в ка­пиллярах при сердечной недостаточности, шоке, коллапсе, ко­матозном состоянии. Возможны региональные проявления циркуляторной гипоксии. Ишемизация участка ткани или орга­на, венозная гиперемия сопровождаются снижением или вре­менным прекращением тока крови и снабжения клеток кисло­родом;

· гистотоксическая гипоксия, наблюдаемая при нарушении спо­собности клеток утилизировать кислород, несмотря на достаточ­ное количество его. Возникает в результате:

· инактивации дыхательных ферментов под влиянием цианис­тых соединений, алкоголя, эфира, уретана, фосфора, мышьяка;

· разобщения процессов окисления и фосфорилирования под влиянием гормонов щитовидной железы, токсинов микробного происхождения, при резком переохлаждении. Энергия окисления рассеивается в виде тепла; макроэргические соединения не обра­зуются; энергозависимые процессы (сокращение, передача им­пульса, секреция и многие другие) в клетке затухают;

· нарушения синтеза ферментов, участвующих в процессе окис­ления (дегидрогеназы, флавиновые и другие ферменты), при не­достаточном поступлении и эндогенном образовании витаминов В₁ В₂, никотиновой, пантотеновой кислот;

· повреждения митохондриальных структур перекисными соеди­нениями, ионизирующей радиацией, токсинами экзогенного и эндогенного происхождения;

· смешанные формы гипоксии, наблюдаемые наиболее часто. Одни и те же этиологические факторы способны вызвать 2—3 вида ги­поксии. Так, гипоксическая гипоксия, обусловленная недостаточ­ной вентиляцией легких, осложняется циркуляторной, так как из-за гипоксии миокарда возникает сердечная недостаточность. Час­то встречающееся у животных нитратно-нитритное отравление сопровождается анемической (образование метгемоглобина) и гитоксической гипоксиями, так как дыхание разобщено с фосфорилированием.

Нарушение транспорта двуокиси углерода. Как продукт тканевого дыхания двуокись углерода приносится к легким венозной кровью, находясь в составе солей (в бикарбонате калия и натрия 80 об.%), карбгемоглобина (10об.%) и будучи физически растворимым в плазме и эритроцитах (10об.%). Угольная кислота из двуокиси углерода образуется в эритроцитах под влиянием карбоангидрата — катализатора, определяющего реакцию гидратации (О₂+Н₂О = Н₂СО₃ ). Фермент способен катализировать реакцию не только в направлении синтеза углекислоты, но и дегидратации ее до исходных продуктов. В тканях, где напряжение СО₂ высокое, происходит образование Н₂СО₃, а в легких, где оно низкое, карбоангидраза ускоряет реакцию дегидратации, способствующей освобождению СО₂ и выведению во внешнюю среду.

Поступление диоксида углерода в эритроциты сопряжено с отда­чей оксигемоглобином кислорода, превращением его в редуцированный гемоглобин. Угольная кислота вытесняет из гемоглобина ионы калия и натрия, образуя бикарбонаты (НКСО₃, HNCO₃).

В альвеолярном воздухе парциальное давление диоксида углерода ниже, чем в венозной крови, поэтому путем диффузии он перемещается из легочных капилляров в полость альвеол, а кислород — в кровь капиллярной сети легких. Гемоглобин превращается в оксигемоглобин, вытесняет угольную кислоту из бикарбонатов. Она, в свою очередь, подвергается расщеплению карбоангидразой на Н₂О и СО₂. Двуокись углерода диффундирует альвеолы и выводится.

Нарушение транспорта углекислоты из тканей в легкие и выведение СО₂ во внешнюю среду может быть результатом:

ض снижения содержания гемоглобина в крови при разных формах анемии;

ض затруднения диффузии СО₂ через аэрогематический барьер при сниженной вентиляции, обусловленной воспалительными процессами в легких, отеком легких;

ض повышения парциального давления СО₂ в альвеолярном воздухе, вызванного стенозированием дыхательных путей, избыточным содержанием его во вдыхаемом воздухе;

ض инактивации карбоангидразы, обеспечивающей синтез углекислоты в тканях и дегидратацию в легких;

ض снижения содержания бикарбонатов в эритроцитах;

ض замедления скорости кровотока системного или местного про­хождения.

Повышение парциального давления диоксида углерода в крови (гиперкапния) сопровождается респираторным ацидозом, наблюдаемым у животных, страдающих эмфиземой легких, бронхитами, бронхиальной астмой. Повышение в крови органических кислот нередко наблюдают у продуктивных животных как результат нарушений межуточного обмена веществ в тканях (метаболический ацидоз) при многочисленных заболеваниях (кетоз, послеродовой парез, рахит, остеодистрофия, атония желудков и др.).

Снижение парциального давления диоксида углерода в крови (гипокапния) возникает как результат интенсивной гипервентиляции легких, повышенного выделения СО₂. Наблюдают при перегревании животных, горной болезни, воспалительных и опухолевых поражениях головного мозга. Недостаток углекислоты и избыток щелочей ведут к респираторному алкалозу.

Компенсаторно-приспособительные реакции при кислородной не­достаточности. Гипоксия воспринимается как чрезвычайный раздражитель рецепторными образованиями, улавливающими изменения химического гомеостаза. Формирование защитных ответно-приспособительных реакций организма зависит от ряда факторов. Животные разных видов неодинаково переносят недостаток кислорода. Чем выше стоит животное на «эволюционной лестнице», чем более организована его центральная нервная система, тем чувствительнее организм к гипоксии. Молодые животные, особенно в ранний постнатальный период, менее чувствительны к кислородному голоданию, чем взрослые. Низкая температура окружающей среды делает организм более устойчивым к недостатку кислорода, чем температура, превышающая оптимальные величины.

Характер изменений, возникающих при недостатке кислорода в тканях, обусловлен во многом формой гипоксии. При ее острой форме компенсаторные механизмы направлены преимущественно тему транспорта кислорода, при хронической ферме — в основном на адаптационные системы утилизации кислорода тканями.

Острая форма гипоксии (обильная кровопотеря, полицитемическая гиповолемия при остром отравлении коров хлоридом натрия) вызывает прежде всего ответную компенсаторную реакцию со стороны органов дыхания и кровообращения. Повышение концентрации диоксида углерода и ионов водорода возбуждает дыхательный центр и хеморецепторы, заложенные в стенках кровеносных сосудов, прежде всего аортальной и синокаротидной зон. Раздражение хеморецепторов происходит также за счет снижения парциального давления кислорода в крови, что характерно для «горной» болезни. В ответ на прямое и опосредованное (через афферентную импульсацию) возбуждение дыхательный центр отвечает учащением и углублением дыхания. Тем самым усиливается вентиляция легких. В газообмен вовлекаются резервные альвеолы. Снижается содержание СО₂ в циркулирующей крови, возрастает ее оксигенация. Повышается функциональная активность системы кровообращения. Рефлекторно и путем прямого действия гипоксии на сердце стимулируется его деятельность. Развивается тахикардия. Возрастает скорость кровотока, улучшается легочное кровообращение. В кровоснабжение вовлекаются нефункциониру­ющие капилляры. Перераспределяется ток крови. Более интенсив­но снабжаются кровью жизненно важные органы (головной мозг, сердце, почки) за счет других менее важных для жизнедеятельнос­ти организма. Сосуды мозга, сердца расширяются, в то время как артериолы мышц, органов брюшной полости суживаются.

Усиливается выброс депонированных эритроцитов из селезен­ки, особенно у лошадей, печени, других органов, что повышает кислородную емкость крови, поддерживаемую в последующем усиленным эритропоэзом. Стимулируют эритропоэз эритропоэтины, освобождаемые разрушающимися эритроцитами, и эритропоэтины почечного происхождения.

При гипоксии возрастает способность эритроцитов, гемогло­бина связывать кислород в летких и более интенсивно отдавать его тканям. Эритроциты в большей степени, чем обычно, насыщены аденозинтрифосфорной кислотой и 2,3-дифосфоглицеридом, что облегчает утилизацию кислорода клетками.

Хроническая гипоксия не может быть компенсирована только аварийной гиперфункцией дыхания и кровообращения. Недоста­ток кислорода приводит к структурным перестройкам. Активируется синтез нуклеиновых кислот и белков, лежащих в основе наблюдаемых процессов гипертрофии и гиперплазии в системах транспорта кислорода. В кровоток вовлекаются нефункциониру­ющие капилляры, увеличиваются их просвет и длина, дыхатель­ные мышцы и миокард гипертрофируется, повышается общая площадь газообмена в легких за счет вовлечения резервных альвеол. Напряженность механизмов доставки кислорода клетками снижается. Одновременно проявляются адаптационные возможности тканей в более рациональной утилизации кислорода. Так, повышаются процессы гликолиза и бескислородного освобождения энергии. Накопление недоокисленных продуктов способствует более интенсивной диссоциации оксигемоглобина. Ингибиция ресинтеза аденозинтрифосфорной кислоты в митохондриях сти-лулирует генетический аппарат клетки к биосинтезу дополнительных митохондрий. Возрастающая мощность системы митохондрий на единицу массы тканей ведет к устранению дефицита денозинтрифосфорной кислоты. Ее энергия используется клетками для восстановления своих специфических функций в условиях недостатка поступления кислорода.

Адаптационные механизмы обеспечивают прежде всего функ­циональную активность органов, ответственных за жизнеобеспечение организма: коры головного мозга, подкорковых образований, сердца, красного костного мозга, дыхательных мышц. При гипоксии в тканях головного мозга более интенсивно протекает «целительное фосфорилирование, что объясняют повышением сопряженности фосфорилирования с окислением.

Гипоксия стимулирует гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую систему. Показано, что глюкокортикоиды активируют некоторые ферменты дыхательной цепи.

Возможности организма к адаптивным реакциям, вызванным недостаточной обеспеченностью тканей кислородом, весьма велики. Устойчивая адаптация к гипоксии может сохраняться длительное время. Установлено даже, что адаптированный к кислородному голоданию организм менее реактивен по отношению ко многим стрессорным факторам. Однако возможности организма небеспредельны, и в условиях декомпенсации начинает проявляться повреждающий эффект гипоксии.

Декомпенсация кислородного голодания системного и местного характера сопровождается функциональными изменениями и структурными преобразованиями в тканях.

Основа всех функциональных нарушений клеточных структур, обусловленных кислородной недостаточностью, — снижение синтеза макроэргических соединений, в числе которых аденозинтрифосфорная, пиро- поли- и креатинфосфорная кислоты, фосфопировиноградная кислота, нуклеозидтрифосфорная и нуклеозиддифосфорная кислоты. Аккумулированная в макроэргических соединениях энергия используется клеткой для обеспечения всех видов ее деятельности. Недостаток кислорода прерывает процесс окисления субстратов (углеводов, жиров и белков) до конечных) продуктов (углекислота, вода, аммиак, мочевина, некоторые другие соединения). Углеводы начинают распадаться по анаэробному типy, в организме накапливаются недоокисленные продукты в виде пировиноградной, молочной кислот. Окисление жиров останавливается на стадии образования преимущественно кетоновых тел (ацетон, бета-оксимасляная и уксусная кислоты); их накопление ведет к тяжелому заболеванию — кетозу.

Нарушается энергозависимый процесс всасывания аминокислот в кишечнике. Развивающийся отрицательный белковый баланс влечет за собой нарушение метаболизма белка, задержку роста молодняка, полового созревания, снижение продуктивности (мясной, молочной, шерстной) сельскохозяйственных животных, естественной резистентности, повышение заболеваемости.

Неполный распад углеводов, жиров, белков сопровождается снижением щелочного резерва и развитием ацидоза. Избыточное накопление анионов, снижение рН крови негативно сказываются на функционировании органов и систем.

Головной мозг крайне чувствителен к гипоксии. Его потребность в кислороде составляет около 20 % по отношению к нему количеству, используемому организмом.

Гипоксию мозга первичного происхождения у животных наблюдают при некоторых вирусных инфекциях (инфекционный (энцефаломиелит лошадей), незаразных болезнях (опухоли головного мозга, кровоизлияния). Чаще недостаточное кровоснабжение мозга отмечается как вторичный процесс, сопровождающий по­рок сердца, дистрофию миокарда, миокардиты, гипотензию при шоке, коллапсе разного происхождения.

Основной субстрат окисления, а следовательно, и главный ис­точник энергии в нервных клетках головного мозга — глюкоза. Недостаток кислорода ведет к снижению содержания в клетках макроэргических соединений, их синтеза. Энергозависимые про­цессы, определяющие генерацию и передачу нервных импульсов, затухают. В самих нервных клетках идет прогрессивное накопле­ние недоокисленных продуктов обмена (молочная и пировиноградная кислоты, кетоновые тела, аммиак). Ацидоз сопровождается повышенной проницаемостью капиллярной сети мозга, явления­ми отека, что усугубляет нарушение функциональной активности нейронов. Первоначально в случаях острой гипоксии она клини­чески проявляется у животных общим возбуждением, но очень скоро начинают преобладать признаки тормозных процессов. У животных можно наблюдать общее угнетение, слабость, атаксию; условные и врожденные рефлексы затухают. Животное может принимать боковое положение, оно не реагирует на болевые раз­дражения, свет, звук. Острая гипоксия (обильная кровопотеря, удушье) сопровождается коматозным состоянием. Установлено, что прекращение поступления кислорода к клеткам коры больших полушарий мозга и мозжечка уже спустя 3—4 мин приводит к по­явлению очагов некроза, а через 5—8 мин наступает клиническая смерть с остановкой дыхания и падением артериального давления до нулевой отметки.

Сердце, как и мозг, чрезвычайно чувствительно к гипоксии. Сердечная мышца бедна гликогеном, слаба ее способность к энер­гообеспечению за счет анаэробных процессов. Прогрессирующее снижение макроэргических соединений ведет к ограничению ак­тивности всех функций сердечной мышцы, но особенно к его со­кратимости, требующей затрат большого количества энергии, ак­кумулированной в молекулах АТФ, других макроэргических со­единениях. Возникающий дефицит этих соединений сопровожда­ется нарушениями проницаемости клеточных мембран. Перемещение ионов энергозависимо; в результате снижения энергопотенциала митохондрий наблюдается избыточное проник­новение в клетку кальция, натрия и выход из нее калия. Ионы кальция, активируя внутриклеточную фосфолипазу, способствуют расширению билипидного слоя мембран. Снижение функцио­нальной активности сердца при развивающейся гипоксии сопро­вождается недостаточностью кровообращения с вытекающими последствиями.

Почки при гипоксемии и гипоксии снижают свою фильтра­ционную способность из-за падения артериального давления в почечных клубочках. Кроме того, около 80 % потребляемого поч­кой кислорода идет на обеспечение канальцевой реабсорбции, особенно Na⁺. Кислородное голодание негативно отражается на реабсорбционной и секреторной функциях нефрона, особенно его дистальной части, где энергозависимые процессы в значительной степени определяют гомеостатическую способность почек.

Печень весьма чувствительна к гипоксии, особенно проте­кающей хронически. Кислородное голодание гепатоцитов, обус­ловленное застойными явлениями, порождаемыми правосторон­ней сердечной недостаточностью, приводит к ацидозу, дестаби­лизации клеточных мембран. Нарушаются основные функции печени; погибшие гепатоциты замещаются элементами соедини­тельной ткани. Развивается цирроз печени — тяжелое неизлечи­мое заболевание.