1 Стадия
Изменения на уровне клетки: (срочные механизмы)
- в условиях гипоксии основным субстратом является глюкоза, т.к. для получения энергии из глюкозы требуется меньше кислорода, чем для окисления жирных кислот, транспорт которых в митохондрии условиях гипоксии нарушен, вследствие ингибиции карнитин транслоказной системы.
-усиливается НАДН- зависимый путь окисления субстратов и увеличивается продукция АТФ
-увеличение скорости доставки кислорода
-усиливается функция ионных каналов
-усиливается обмен в кардиомиоцитах
-изменение кривой диссоциации гемоглобина
На уровне организма:
- усиление сократительной функции сердца
- повышение артериального давления
- выброс эритроцитов из депо
- выброс катехоламинов
-увеличение скорости доставки кислорода
-усиление дыхания, повышение проницаемости легочных капиллярных мембран
-усиление деятельности сердца
-усиление функции печени для переработки недоокисленных продуктов
2 Стадия адаптации: (долговременные механизмы):
На уровне клетки:
-ингибирование комплекса I дыхательной цепи и переключение с комплекса 1 на комплекс II. Сукцинат –комплекс II (сукцинатдегидрогеназа, убихинон)
(Дыхательная цепь включает четыре белковых комплекса (комплексы I, II, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром С (см. рис).
- увеличение количества и массы митохондрий
-активация кислородного сенсора клетки протеинового транскрипционного комплекса гипоксией-индуцибельного фактора (НIF1,2)*
*Гипоксия-индуцибельный фактор (HIF) открыт в 1992 году Г.Семензой (Балтимор) и играет важнейшую роль при гипоксии. Функции: экспрессия генов улучшающих доставку кислорода (АТII, васкулоэндотелиального фактора роста, ферменты гликолиза и транспорта глюкозы и др.)
На уровне организма:
Гипертрофия (увеличение массы дыхательных мышц, миокарда, нейронов ДЦ, увеличение длины и диаметра капилляров)
Гипреплазия костного мозга (эритроцитоз)
Усиление гликолиза
3 Стадия истощения (декомпенсации)
В основе: подавление функций дыхательной цепи и прогрессирующий дефицит макроэргов.
Усиление гидролиза АТФ
Преобладание АДФ над АТФ, неорганического фосфата и водорода.
Переход на анаэробный гликолиз. Гликолиз (от греч. glycys – сладкий и lysis – растворение, распад) – это последовательность ферментативных реакций, приводящих к превращению глюкозы в пируват с одновременным образованием АТФ. При недостатке кислорода пируват восстанавливается в лактат- развивается ацидоз
Активация аденилат-киназных и креатин-киназных реакций. В органах с высоким кислородным запросом (сердце, мозг, скелетная мускулатура) синтез АТФ поддерживается с участием фосфокреатина, который находится на внешней мембране митохондрий, откуда он поступает в миофибриллы или места ионных насосов, где происходит креатин-киназная реакция. Креатин возвращается в митохондрии и снова превращается в креатинфосфат
Включаются аденилат-киназные реакции: АДФ + АДФ = АТФ + АМФ
Накопление АМФ приводит к образованию аденозина – мощного вазодилятатора и источника свободных радикалов: аденозин→инозин→гипоксантин→ксантин→мочевая кислота (под действием ксантиноксидазы) → генерация свободных радикалов.
Энергодефицит приводит к накоплению свободного кальция в клетке→угнетается функция митохондрий, активируются мембранные фосфолипазы→активация ПОЛ, накопление свободных радикалов.
Недостаточность ионных насосов приводит к избытку в клетке кальция, натрия, потере калия- развивается внутриклеточный отек
Нарушения микроциркуляции обусловленные ацидозом и гипоксией приводят к агрегации тромбоцитов, гемолизу, гиперкоагуляции, развивается ишемия тканей, что приводит к органным, системным, организменным (клиническим) проявлениям гипоксии
В это время частично сохраняется функция дыхательной цепи на уровне комплекса III и последняя возможность образования АТФ за счет работы цитохромоксидазы. Субстратом для этого комплекса является восстановленная форма цитохрома С. По мере истощения комплекса III цитохром С начинает покидать митохондрии.
Запускаются процессы программированной клеточной гибели (апоптоза) при хронической гипоксии (ИБС) или при острой гипоксии – процесс некроза (инфаркт миокарда).
Таким образом, в основе гипоксического повреждения клетки лежит
- клеточный ацидоз
- истощение адениновых нуклеотидов
- увеличение внутриклеточного свободного кальция
- образование свободных радикалов
- деградация мембранных фосфолипидов
Синдром ишемии-реперфузии:
процесс полного или частичного восстановления кровотока в ишемизированной зоне может происходить спонтанно или искусственным путем:
-спонтанная реперфузия может развиваться вследствие лизиса либо реканализации
коронарного тромба,
-прекращения спазма коронарной артерии,
-усиления коллатерального кровотока в участке ишемии
-реперфузионные аритмии
Ключевой механизм – повреждение миокарда свободными радикалами
Повреждение кардиомиоцитов при реперфузии ишемизированного миокарда опосредовано множеством механизмов, ключевым из которых является повреждение свободными радикалами.
Источники активных кислородных метаболитов (АКМ):
полиморфоядерные лейкоциты
тромбоциты
ксантиноксидазная система
митохондриальное дыхание
катаболизм АТФ
молекулярный кислород
деградация арахидоновой кислоты
аутоокисление катехоламинов
1. На эндотелиоцитах поврежденного участка повышается экспрессия молекул адгезии для полиморфнооядерных лейкоцитов, что приводит к их аккумуляции в этой области, при реперфузии они проникают в пораженную ткань и при достаточном количестве кислорода происходит респираторный взрыв и генерация АКМ.
Активация и дальнейшее рекрутирование лейкоцитов может быть опосредовано комплементом, арахидоновой кислотой, которая накапливается в ишемизированном участке, вследствие угнетения в-окисления, наличия хемотаксических факторов. Усилению адгезии лейкоцитов способствует снижение эндотелиоцитами продукции оксида азота. У больных ИБС имеет место положительная корреляция между содержанием лейкоцитов, тяжестью заболевания и их функциональной активностью. При инфаркте резко нарастает интенсивность индуцированной ХЛ (хемилюминесценции).
2. В результате действия протеолитических ферментов ксантиндегидрогеназа быстро и необратимо трансформируется в ксантиоксидазу. Высокая скорость этой трансформации обусловлена свободными лизосомальными ферментами, развитием ацидоза, активацией внутриклеточных Са –зависимых протеаз. Антагонисты Са и кальмодулина (трифторперазин, верапамил), ингибиторы протеаз, эффективно снижают реперфузионное поражение миокарда.
Для действия ксантиноксидазы имеется избыток субстратов- гипоксантина и ксантина, которые образуются в результате интенсивного катаболизма АТФ и наличия кислорода, поступающего при реперфузии. Но у человека этого фермента не так много, кроме того, ксантиноксидаза связывается гликокаликсом эндотелиоцитов. Гликокаликс эндотелиоцитов содержит антиоксиант Э-СОД (эндотелиальная супероксиддисмутаза), но следует заметить, что этот фермент быстро истощается.
3. В физиологических условиях только небольшая часть кислорода (до 5%), используемого митохондриями, идет на образование О2-, но в условиях ишемии супероксидобразующая способность митохондрий возрастает.
4. При восстановлении кровотока в ишемизированном миокарде происходит прогрессирующие накопление гипоксантина вследствие усиления дефосфорилирования АТФ и снижения ее синтеза
5. Реперфузионное повреждение появляется сразу после реоксигенации, Что указывает на участие молекулярного кислорода.
6. Ишемия сопровождается аккумуляцией арахидоновой кислоты из-за повышения свободного кальция и активности Са-зависимых фосфолипаз. При этом в ходе липооксигеназного или циклооксигеназного окисления образуется реакционный ОН. радикал. Кроме того, в ходе конверсии простагландина Н2 -продукта циклооксигеназной реакции постоянно образуются АКМ. При этом ферментативные антиоксиданты: СОД и каталаза, стимулируют катаболизм арахидоновой кислоты и усиливают превращение простагландина G2 в Н 2 .
6. Постишемическая реперфузия сопровождается резким повышением в крови содержания катехоламинов за счет массированного высвобождения норэпинефрина из пораженного участка. Известно, что катехоламины вызывают поражение миокарда. Аутокисление катехоламинов сопровождается образованием супероксидного анион-радикала.
7. Ишемия сопровождается снижением активности антиоксидантных ферментов (СОД, ГПО, каталазы). В результате снижения концентрации кислорода увеличивается концентрация восстановленных эквивалентов- НАДН. При реперфузии кислород немедленно восстанавливается переносчиками дыхательной цепи и возникают условия для образования АКМ. АКМ быстро реагируют с ненасыщенными жирными кислотами типа арахидоновой, которые накапливаются при ишемии, о возникают липопероксидные радикалы, в результате нарушается функция и проницаемость клеточных мембран, конечные метаболиты оксида азота (нитраты, нитриты) окисляются супероксид анион-радикалом с образованием ONOO- цитотоксического действия.
8. Мишенями для АКМ являются аминокислоты. Особенно ароматические и SH-содержащие. Возникает окисление миоглобина, разрываются полипептиды и молекулярные сшивки, нарушается активность Са-зависимой АТФ-азы, что приводит к нарушению электрофизиологической функции мембран сердца. Поражаются нуклеиновые кислоты, нарушаются процессы трансляции и транскрипции.
9. При ишемии происходит ослабление неферментативных антиоксидантов (вторая линия защиты): токоферола, кератиноидов, аскорбата, сульфгидрильных и тиоэфирных соединений.
10. Нарушается секвестрация металлов переменной валентности, особенно железа, которые катализируют образование высокореакционного ОН. радикала.
Показано, что в сердце снижается эффективность белка, связывающего жирные кислоты.