Функционально-метаболические особенности животных с различной индивидуальной резистентностью к гипоксии

Волгоградский государственный медицинский университет 
  
Кафедра патологической физиологии  

 

«Функционально-метаболические особенности животных с различной индивидуальной резистентностью к гипоксии»

 

Выполнила:

Студентка III курса 22 группы

Лечебного факультета

Савина Ольга

 

Проверила:

 Шепелева Т. И.

 

Волгоград 2014

План.

 

1. Введение.
2. Адаптация к условиям высокогорья.
3. Адаптация к гипоксии при мышечной работе.
4. Адаптация ныряющих организмов к гипоксии.
5. Заключение.
6. Литература.

 

1. Введение

 

Гипоксия – кислородная недостаточность – состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления.

 

На рис. 1 представлены основные этапы поступления кислорода из атмосферы к внутриклеточным структурам. Причиной гипоксии может стать нарушение на любом из них, обусловленное патологическими процессами в организме.

Здоровый организм может оказаться в состоянии гипоксии, если потребность в кислороде (кислородный запрос) выше, чем возможность ее удовлетворить. Наиболее распространенными причинами возникновения такого состояния являются:  
1) низкое содержание кислорода во вдыхаемом воздухе в условиях высокогорья;  
2) временное прекращение или ослабление легочной вентиляции при нырянии на различную глубину;  
3) возрастание потребности в кислороде при выполнении мышечной работы.  

Пребывание на высоте, выполнение физической работы, ныряние на различную глубину – нормальный элемент существования многих высших организмов, что свидетельствует о возможности адаптации к возникающим в этих случаях гипоксическим состояниям. Основные адаптивные стратегии являются общими для всех этих случаев:

1) пытаться  поддерживать энергообеспечение  организма, то есть синтез АТФ, на необходимом уровне путем  борьбы за кислород;

2) снизить  потребность организма в энергии, то есть уменьшить активность  и уровень метаболизма;

3) использовать  анаэробные процессы синтеза  АТФ, но повысить толерантность, то есть способность переносить  сдвиги кислотно-щелочного равновесия  .

2. Адаптация к условиям  высокогорья

 

При подъеме на высоту одновременно уменьшаются атмосферное давление, парциальное давление кислорода в атмосфере и легочных альвеолах. На высоте 4500 м, где расположены самые высокогорные поселения человека, парциальное давление кислорода в легочных альвеолах в два с лишним раза ниже, чем на уровне моря. Даже при подъеме на меньшие высоты организм начинает ощущать недостаток кислорода, несмотря на высокую способность гемоглобина крови к связыванию кислорода. При значительной кислородной недостаточности может возникать совокупность физиологических расстройств, которая называется горной или высотной болезнью.

Адаптация к условиям высокогорья

 

Краткосрочная адаптация -

это быстрый ответ организма на гипоксию как на стрессирующий фактор с целью компенсации возникающих в организме отклонений от равновесного состояния.

 

 

Долговременная адаптация - 

смещение основного поля деятельности с механизмов транспорта на механизмы утилизации кислорода, на повышение экономичности использования ресурсов, имеющихся в распоряжении организма. 

Механизмы краткосрочной адаптации

 

• Первая реакция – борьба за кислород, за поддержание его нормальной концентрации в крови. Действие гипоксии на интерорецепторы приводит к мобилизации транспортных систем. Увеличиваются частота дыхания, частота сердечных сокращений, минутный объем крови, количество основного переносчика кислорода – гемоглобина за счет выброса эритроцитов из депо (в первую очередь из селезенки).
• Наблюдается перераспределение крови в организме, увеличение мозгового и коронарного кровотока за счет снижения кровотока в других органах. Коронарный кровоток при острой гипоксии может увеличиваться в два-три раза. Активация транспортных систем осуществляется симпатическим отделом вегетативной нервной системы.
• Включаются механизмы   анаэробного   гликолиза.   Норадреналин, выступающий  как  медиатор  симпатического  отдела нервной системы и вместе с адреналином как гормон мозгового слоя надпочечников, через систему внутриклеточных посредников активирует ключевой фермент расщепления гликогена – фосфорилазу.

Механизмы долговременной адаптации

 

• Стимуляция биосинтетических процессов в системах транспорта, регуляции и энергообеспечения, что увеличивает их структурный потенциал и резервную мощность.
• В системах транспорта это разрастание сосудистой сети  (ангиогенез) в  легких, сердце,  головном мозге, рост легочной ткани, увеличение количества эритроцитов в крови.
• В регуляторных системах, это, с одной стороны, увеличение активности ферментов, ответственных за синтез медиаторов и гормонов, а с другой – увеличение числа рецепторов к ним в тканях.
• Наконец, в системах энергообеспечения – увеличение числа митохондрий и ферментов окисления и фосфорилирования, синтез гликолитических ферментов.

• На рис. 2 представлена кривая диссоциации оксигемоглобина, описывающая зависимость процента насыщения гемоглобина кислородом от его парциального напряжения в крови. Чем больше доля HbF, тем больше кривая сдвинута влево. Аналогичный сдвиг кривой наблюдается у лам, обитающих в Андах на высоте около 5000 м. Благодаря увеличению активности многих ферментов молодые эритроциты обладают более высоким уровнем энергообмена и повышенной устойчивостью.

Механизмы долговременной адаптации

 

• Система крови претерпевает комплекс изменений. Увеличение секреции гормонов – эритропоэтинов стимулирует эритропоэз в красном костном мозге, что приводит к увеличению числа эритроцитов, содержания гемоглобина (Hb) и в итоге к возрастанию кислородной емкости крови. Помимо типичного для взрослого организма HbА появляется эмбриональный HbF, обладающий большим сродством к кислороду и способный присоединять его при более низком напряжении кислорода в альвеолярном воздухе.
• Повышается содержание в эритроците 2,3-дифосфоглицерата, способствующего освобождению кислорода из комплекса с гемоглобином в тканях. Увеличение кислородной емкости крови дополняется повышением концентрации в миокарде и скелетных мышцах мышечного белка – миоглобина, способного переносить кислород в зоне более низкого парциального давления, чем гемоглобин.

3. Адаптация к гипоксии  при мышечной работе

 

Реакция целого организма при выполнении мышечной работы направлена как на обеспечение мышечной деятельности, так и на поддержание при этом основных гомеостатических параметров. Причиной возникновения гипоксии являются повышенный расход энергии АТФ и, следовательно, резко возрастающая потребность мышц в кислороде, активно расходуемом на процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях. Особенности адаптации к гипоксии при мышечной работе проявляются в характере изменений, наблюдаемых в самих мышцах в зависимости от тяжести и длительности физической нагрузки. При умеренных, но длительных нагрузках степень возникающей гипоксии ниже, чем при интенсивной работе, которая не может выполняться продолжительно.

Особенности адаптации к интенсивной мышечной работе

 

•  Увеличивается мощность системы анаэробного гликолиза за счет повышенного синтеза гликолитических ферментов, повышаются запасы гликогена и креатинфосфата – источников энергии для синтеза АТФ.
• Увеличены мощность эндоплазматической сети в мышечных волокнах и количество хранящегося в ней Са2+, играющего одну из главных ролей в сокращении. Это позволяет отвечать мощным залповым выбросом кальция из цистерн сети в ответ на приходящий к мышцам импульс возбуждения и тем самым увеличивать мощность сокращения.
• Усилен биосинтез сократительных белков, повышена активность АТФазы – фермента, расщепляющего АТФ, необходимую для сокращения

Особенности адаптации к интенсивной мышечной работе

 

• Формирование толерантности, то есть устойчивости к сдвигу рН. Это обеспечивается увеличением мощности буферных систем крови и тканей, возрастанием так называемого щелочного резерва крови.
• Увеличивается мощность системы антиоксидантов в мышцах, что ослабляет или предотвращает перекисное окисление липидов клеточных мембран – один из основных повреждающих эффектов стресс-реакции.
• При тренировке к интенсивной работе чувствительность дыхательного центра к углекислому газу снижена, что защищает дыхательную систему от ненужного перенапряжения.

Особенности адаптации к умеренной мышечной работе

 

• Происходит перенос основной тяжести с процессов транспорта на процессы утилизации кислорода, на повышение их экономичности. На единицу выполненной работы потребляется меньшее количество кислорода.
• Увеличиваются мощность и экономичность функционирования двигательного аппарата, совершенствуется межмышечная координация.
• Разрастание сосудистой сети в мышцах, сердце, легких, увеличение числа митохондрий и изменение их характеристик, возрастание синтеза окислительных ферментов, усиление эритропоэза, ведущее к увеличению кислородной емкости крови.
• Дыхательный центр повышает чувствительность к СО2 , что обусловлено понижением его содержания вследствие вымывания из крови при усиленном дыхании.

4. Адаптация ныряющих организмов  к гипоксии

 

Легкие водных млекопитающих (дельфинов, тюленей, китов) или таких околоводных животных, как ондатра, бобер, приспособлены к дыханию атмосферным воздухом. Если организм, дышащий воздухом с помощью легких, вынужден опускаться под воду, гипоксия возникает из-за невозможности извлечь кислород из воды или принести его с собой под воду в неограниченных количествах.

Другое дело – организмы, ныряющие неглубоко и ненадолго. Для них объем вдоха, который можно сделать перед погружением, лимитирует уносимый под воду запас кислорода. Объем легких у финвала или бутылконоса составляет всего 1–3% объема тела против примерно 7% у человека. Большинство ныряющих животных уходят под воду не на вдохе, а на выдохе, освобождая легкие от воздуха, насколько это возможно [1–3].

 

Из рис. 3 следует, что основной запас кислорода у ныряльщиков находится не в легких, а в крови и мышцах, в комплексе с Hb и Mb (миоглобином). Концентрация Mb у тюленя Уэддела, способного находиться под водой до 40 мин, в семь раз выше, чем у быка. А высокая концентрация Hb в сочетании с разрастанием сосудистого русла приводит к существенному увеличению кислородной емкости крови. Запасание кислорода в легких нецелесообразно для китов или тюленей, ныряющих глубоко и надолго, из-за увеличения плавучести, ограничивающей  глубину погружения, и возможности развития кессонной болезни при всплытии.

Адаптация ныряющих организмов к гипоксии

 

При нырянии особенно ярко проявляется снижение общего обмена веществ и энергетических потребностей большинства органов и тканей. Это обусловлено расслаблением большей части мускулатуры и снижением функциональной активности большинства органов, включая сердце. У ныряющих животных относительный размер сердца уменьшен по сравнению с наземными. Чувствительность центра ныряющих животных к углекислоте снижена. Это проявляется только при погружении, а на поверхности их дыхательный центр обладает обычной чувствительностью. Следовательно, речь идет о его перенастройке, сдвиге установочной точки дыхательного рефлекса при погружении. Нечувствительность дыхательного центра к углекислому газу позволяет извлечь из крови больше кислорода. Человеку в отличие от водных млекопитающих перед погружением приходится интенсивно про- вентилировать легкие, чтобы снизить содержание CO2 в альвеолах.