WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
БИОЛОГ ИЯ БИОЛОГ ИЯ АДАПТАЦИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ К ГИПОКСИИ РАЗНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Л. А. БЕЛЬЧЕНКО Новосибирский государственный университет ВВЕДЕНИЕ Гипоксия – кислородная недостаточность – состояADAPTATION OF HUMANS AND ANIMALS ние, возникающее при недостаточном снабжении ткаTO VARIOUS KINDS OF HYPOXIA ней организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления.

L. A. BELCHENKO На рис. 1 представлены основные этапы поступления кислорода из атмосферы к внутриклеточным струкThe mechanisms of adaptation of humans and турам. Причиной гипоксии может стать нарушение на higher animals to oxygen deficiency which любом из них, обусловленное патологическими проoccur, e.g., at high altitudes, during diving or цессами в организме.

hard physical work, are described. Similarities Здоровый организм может оказаться в состоянии and differences in adaptive reactions of an гипоксии, если потребность в кислороде (кислородный organism to oxygen deficiency of various origins are discussed. The role of hypoxia-induc- III а б в г д е ж з ible factor 1 (HIF-1) in maintaining the oxy160 gen homeostasis is shown.

140 O2 Описаны механизмы адаптации человека и 120 высших животных к дефициту кислорода, возникающему, например, в условиях высо100 когорья, при нырянии или выполнении тя80 желой физической работы. Обсуждаются 1 сходство и различие адаптивных реакций 60 организма при различных путях возникно2 3 40 вения кислородной недостаточности. Рас4 смотрена роль белкового фактора транс20 крипции HIF-1 в поддержании кислородного 0 гомеостаза.

Рис. 1. Каскад парциального напряжения кислорода в процессе его транспорта в организме (по Ноздрачеву, 1991): I – газовая среда, II – кровь; а – атмосфера, б – воздухоносные пути, в – легочные альвеолы, г – барьер “легкие–кровь”, д – артерии, е – капилляры тканей, ж – барьер “кровь–ткани”, з – тканевая жидкость–клетки–митохондрии. Цифрами обозначены www.issep.rssi.ru капилляры почек (1), мышц (2), мозга (3) и сердца (4) (в сердце поглощение О2 наиболее интенсивно) БЕЛЬЧЕНКО Л.А. АДАПТАЦИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ К ГИПОКСИИ РАЗНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ O P, мм рт. ст.

Бельченко Л.А., © БИОЛОГ ИЯ запрос) выше, чем возможность ее удовлетворить. На- 3) использовать анаэробные процессы синтеза АТФ, иболее распространенными причинами возникновения но повысить толерантность, то есть способность перетакого состояния являются: носить сдвиги кислотно-щелочного равновесия [1, 5].

Однако при принципиальной общности адаптив1) низкое содержание кислорода во вдыхаемом ных механизмов происхождение гипоксического состовоздухе в условиях высокогорья;

яния накладывает определенный отпечаток на струк2) временное прекращение или ослабление легочтуру адаптации. Например, в условиях высокогорья в ной вентиляции при нырянии на различную глубину;

борьбе за кислород основная нагрузка ложится на сис3) возрастание потребности в кислороде при вы- темы транспорта (дыхание и кровообращение), что приполнении мышечной работы. водит к адаптивному увеличению их мощности. А при нырянии эта стратегия бесперспективна и обеспечение В первых двух ситуациях при сохраненной или даснабжения тканей кислородом достигается путем увеже сниженной потребности в кислороде уменьшается личения его запасов в организме. Очевидно также, что возможность его получения, тогда как при выполнении уменьшение активности и соответственно уровня мемышечной работы возможности обеспечения кислоротаболизма – хорошая стратегия адаптации к нырянию дом отстают от растущей потребности, связанной с поили пребыванию в высокогорье, но при выполнении вышенным расходом энергии.

мышечной работы она неприемлема. Тем не менее обКислород необходим для процессов окислительнощих черт в адаптации к гипоксиям разного происхождего фосфорилирования, то есть для синтеза АТФ, и его ния гораздо больше, чем различий, поэтому рассмотрим дефицит нарушает протекание всех процессов в оргаподробно картину адаптации к высотной гипоксии, а низме, зависящих от энергии АТФ: работу мембранных затем обратимся к особенностям адаптивных измененасосов, транспортирующих ионы против градиента, ний при мышечной работе и нырянии.

синтез медиаторов и высокомолекулярных соединений – ферментов, рецепторов для гормонов и медиа- АДАПТАЦИЯ К УСЛОВИЯМ ВЫСОКОГОРЬЯ торов. Если это происходит в клетках центральной При подъеме на высоту одновременно уменьшаются нервной системы, нормальное протекание процессов атмосферное давление, парциальное давление кислоровозбуждения и передачи нервного импульса становитда в атмосфере и легочных альвеолах. На высоте 4500 м, ся невозможным и начинаются сбои в нервной регулягде расположены самые высокогорные поселения чеции функций организма.

ловека, парциальное давление кислорода в легочных Нехватка кислорода стимулирует использование альвеолах в два с лишним раза ниже, чем на уровне моорганизмом дополнительных, анаэробных источников ря. Даже при подъеме на меньшие высоты организм наэнергии – расщепления гликогена до молочной кисло- чинает ощущать недостаток кислорода, несмотря на ты. Выход энергии АТФ при этом мал. Кроме того, воз- высокую способность гемоглобина крови к связываникают неприятности в виде закисления внутренней нию кислорода. При значительной кислородной недоссреды организма молочной кислотой и другими недо- таточности может возникать совокупность физиологиокисленными метаболитами. Сдвиг pH еще более ухуд- ческих расстройств, которая называется горной или шает условия деятельности высокомолекулярных струк- высотной болезнью.



тур, способных функционировать в узком диапазоне Адаптация к высотной гипоксии бывает краткоpH и быстро теряющих активность при увеличении консрочной или долговременной. Краткосрочная адаптацентрации H+-ионов.

ция – это быстрый ответ организма на гипоксию как на стрессирующий фактор с целью компенсации возниПребывание на высоте, выполнение физической кающих в организме отклонений от равновесного соработы, ныряние на различную глубину – нормальный стояния. Механизмы такого ответа в организме предсуэлемент существования многих высших организмов, ществуют и включаются “с места” при необходимости, что свидетельствует о возможности адаптации к вознив данном случае при снижении содержания кислорода кающим в этих случаях гипоксическим состояниям.

в артериальной крови от 80 до 50 мм рт. ст. и ниже. ПерКак показано далее, основные адаптивные стратегии вая реакция – борьба за кислород, за поддержание его являются общими для всех этих случаев:

нормальной концентрации в крови. Действие гипоксии 1) пытаться поддерживать энергообеспечение орна интерорецепторы приводит к мобилизации трансганизма, то есть синтез АТФ, на необходимом уровне портных систем. Увеличиваются частота дыхания, часпутем борьбы за кислород;

тота сердечных сокращений, минутный объем крови, 2) снизить потребность организма в энергии, то количество основного переносчика кислорода – гемоесть уменьшить активность и уровень метаболизма; глобина за счет выброса эритроцитов из депо (в первую СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №7, БИОЛОГ ИЯ очередь из селезенки). На первом этапе всегда наблю- ми. Увеличение емкости сосудистого русла снижает его дается перераспределение крови в организме, увеличе- общее сопротивление. Рост сосудистой сети в легких в ние мозгового и коронарного кровотока за счет сниже- сочетании с увеличением диффузионной поверхности ния кровотока в других органах. Коронарный кровоток легочной ткани обеспечивает возможность повышения при острой гипоксии может увеличиваться в два-три газообмена [1].

раза. Активация транспортных систем осуществляется Система крови претерпевает комплекс изменений.

симпатическим отделом вегетативной нервной системы.

Увеличение секреции гормонов – эритропоэтинов стиОдновременно с борьбой за кислород включаются мулирует эритропоэз в красном костном мозге, что механизмы анаэробного гликолиза. Норадреналин, приводит к увеличению числа эритроцитов, содержавыступающий как медиатор симпатического отдела ния гемоглобина (Hb) и в итоге к возрастанию кислонервной системы и вместе с адреналином как гормон родной емкости крови. Помимо типичного для взросмозгового слоя надпочечников, через систему внутрилого организма HbА появляется эмбриональный HbF, клеточных посредников активирует ключевой фермент обладающий большим сродством к кислороду и способрасщепления гликогена – фосфорилазу.

ный присоединять его при более низком напряжении Краткосрочные механизмы адаптации могут быть кислорода в альвеолярном воздухе. На рис. 2 представэффективны только на относительно небольших высо- лена кривая диссоциации оксигемоглобина, описываютах и в течение непродолжительного времени. Увели- щая зависимость процента насыщения гемоглобина ченная нагрузка на сердце и дыхательную мускулатуру кислородом от его парциального напряжения в крови.

требует дополнительного расхода энергии, то есть по- Чем больше доля HbF, тем больше кривая сдвинута вышает кислородный запрос. Вследствие интенсивно- влево. Аналогичный сдвиг кривой наблюдается у лам, го дыхания (гипервентиляции легких) из организма обитающих в Андах на высоте около 5000 м. Благодаря интенсивно удаляется CO2. Падение его концентрации увеличению активности многих ферментов молодые в артериальной крови ведет к ослаблению дыхания, так эритроциты обладают более высоким уровнем энергокак именно CO2 является основным стимулятором ды- обмена и повышенной устойчивостью [3].

хательного рефлекса. В тканях накапливаются кислые Повышается содержание в эритроците 2,3-дифоспродукты анаэробного гликолиза.

фоглицерата, способствующего освобождению кислоСтратегия долговременной адаптации – смещение рода из комплекса с гемоглобином в тканях. Увеличение основного поля деятельности с механизмов транспорта кислородной емкости крови дополняется повышением на механизмы утилизации кислорода, на повышение экономичности использования ресурсов, имеющихся в PO2, кПа распоряжении организма. Это достигается в первую очередь стимуляцией биосинтетических процессов в 048 12 системах транспорта, регуляции и энергообеспечения, что увеличивает их структурный потенциал и резервную мощность. В системах транспорта это разрастание сосудистой сети (ангиогенез) в легких, сердце, голо- вном 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.

Ключевую роль в индукции эритропоэза, ангиогенеза и гликолиза играет железосодержащий белок HIF-0 20 40 60 80 100 (Hypoxia inducible factor), активирующийся при гипоPO2, мм рт. ст.





ксии [6]. Он усиливает транскрипцию генов эритропоэтина, фактора роста сосудов, ферментов гликолиза, вызывая комплексный ответ на долговременную гипо- Рис. 2. Кривые диссоциации оксигемоглобина у обитателей высокогорья викуньи (1) и ламы (2) и у ксию. Разрастание сосудистой сети сердца и головного равнинных млекопитающих (по: Hall et al., 1936). Земозга создает дополнительные резервы для снабжения леным цветом выделена зона, соответствующая ваэтих органов кислородом и энергетическими ресурса- риациям у разных видов равнинных млекопитающих БЕЛЬЧЕНКО Л.А. АДАПТАЦИЯ ЧЕЛОВЕКА И ЖИВОТНЫХ К ГИПОКСИИ РАЗНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Насыщение, % HbO БИОЛОГ ИЯ концентрации в миокарде и скелетных мышцах мы- В процессе долговременных гипоксических воздейшечного белка – миоглобина, способного переносить ствий активируется синтез РНК и белка в различных кислород в зоне более низкого парциального давления, отделах нервной системы, и в частности в дыхательном чем гемоглобин. центре, что усиливает его регуляторные возможности и обеспечивает возможность усиления дыхания при низУвеличение резервной мощности тканей и органов ких концентрациях СО2 в крови. Улучшается коордисочетается с возрастанием экономичности их функционация дыхания и кровообращения. Возрастает мощнирования. Так, на высоте 4350 м у горцев коронарный ность гормональных звеньев и их экономичность. С кровоток и потребление кислорода миокардом на 30% одной стороны, увеличивается мощность системы синменьше, чем у обитателей равнин на уровне моря при теза гормонов и медиаторов, в частности адреналина и той же работе сердца. Это обусловлено увеличением норадреналина, что позволяет быстро мобилизовать числа митохондрий на единицу массы миокарда, возстресс-реакции при различных ситуациях. С другой растанием активности митохондриальных ферментов стороны, увеличение числа рецепторов к гормонам и и скорости фосфорилирования и как следствие – больмедиаторам повышает чувствительность к ним тканей шим выходом АТФ на единицу субстрата при одном и и органов и тем самым снижает их расход. Активируюттом же уровне потребления кислорода. В итоге увелися стресслимитирующие системы, увеличивается секчивается способность сердца к извлечению и испольреция в ЦНС веществ, являющихся антагонистами адзованию кислорода из протекающей крови при его реналина и норадреналина и ослабляющих их эффекты низких концентрациях.

(эндорфины, энкефалины, -аминомасляная кислота).

Отмечается также ослабление функции ЩЖ, то есть Оптимизация механизмов утилизации кислорода в избыточная стимуляция ответных реакций организма процессе долговременной адаптации позволяет ослагасится. Это приводит к тому, что уровень основного бить нагрузку на транспортные системы. Частота дыхаобмена в процессе адаптации может снижаться по ния и сердцебиения снижается, минутный объем сердца сравнению с организмами, обитающими на уровне моуменьшается. На высоте 3800 м ткани горца извлекают ря. Уменьшение потребности в кислороде вызывает 10,2 мл О2 из каждых 100 мл крови против 6,5 мл у моснижение нагрузки на систему дыхания и кровообралодого здорового жителя равнин. При этом горец облащения и уменьшение чувствительности животных к дает большими резервами повышения утилизации кискислородной недостаточности.

лорода при выполнении мышечной работы и способен выполнить бльшую нагрузку, обладая большей ре- Таким образом, процессы, направленные на увеличение обеспечения организма энергией (оптимизация зервной мощностью сердца и легких.

транспорта кислорода и глюкозы, усиление возможноВполне логичным с точки зрения оптимизации стей системы гликолиза и окислительного фосфорилипроцессов является увеличение мощности гликолиза в рования), развиваются одновременно с понижением эритроцитах, головном мозге, миокарде и других ткапотребности в энергии и устойчивости к пониженному нях в процессе длительной адаптации к гипоксии, так содержанию кислорода. Адаптация к высокогорной как для окисления 1 г углеводов требуется меньше кисгипоксии демонстрирует высшую степень интеграции лорода, чем для окисления такого же количества жипроцессов, протекающих на молекулярном и клеточров. Повышается активность ферментов, расщепляюном уровнях в рамках целостного организма высших щих глюкозу и гликоген, появляются новые изоформы животных и человека.

ферментов, более соответствующие анаэробным условиям, увеличиваются запасы гликогена. Опасность сдвиАДАПТАЦИЯ К ГИПОКСИИ га pH при усилении анаэробного гликолиза предотвраПРИ МЫШЕЧНОЙ РАБОТЕ щается увеличением щелочного резерва крови.

Реакция целого организма при выполнении мышечной При длительном воздействии высотной гипоксии работы направлена как на обеспечение мышечной деяпроисходит перестройка деятельности основных регу- тельности, так и на поддержание при этом основных ляторных систем. На первом этапе гипоксического воз- гомеостатических параметров. Причиной возникноведействия происходит неспецифическая стрессорная ния гипоксии являются повышенный расход энергии активация симпатического отдела нервной системы, АТФ и, следовательно, резко возрастающая потребкомплекса гипоталамус–гипофиз–надпочечники (ГГН) ность мышц в кислороде, активно расходуемом на и щитовидной железы (ЩЖ), которые играют основ- процессы окислительного фосфорилирования в митоную роль в мобилизации транспортных систем, усили- хондриях. При краткосрочной адаптации происходит вают расщепление жиров, углеводов и другие метабо- нейроэндокринная стимуляция транспортных систем:

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.