Метаболизм кислорода, токсичность кислорода Metabolism of oxygen, toxicity

Метаболизм кислорода, токсичность кислорода Metabolism of oxygen, toxicity of oxygen ЗАБОЛОТСКИХ И. Б. ГОУ ВПО Кубанский Государственный Медицинский Университет Росздрава Course: 1 Year: 2008 - 2015 Language: Russian Country: Russia City: Krasnodar Weight: 3, 23 Mb Related text: no http: //www. feea. net

Ключевые этапы каскада кислорода: - поглощение в легких (респираторное звено); кислородная емкость крови (гемическое звено); глобальная доставка от легких к тканям (гемодинамическое звено); диффузия из капилляра в клетку (микроциркуляторное звено); использование (тканевой уровень) Перенос кислорода от атмосферного воздуха к митохондриям с преодолением градиентов давлений, уменьшающихся с каждым этапом. Мм. рт. ст (к. Па) Вдыхаемый воздух 150 (21. 0) Альвеолярный 103 (13. 7) Артериальный 100 (13. 3) Капиллярный 51 (6. 8) Тканевой 20 (2. 7) 1 -20 (0. 13 -1. 3) Митохондриальный

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Pi. O 2 Парциальное давление кислорода во вдыхаемом увлажненном воздухе (Рi. O 2) определяется: Fi. O 2 - константа атмосферным давлением (ВР) – переменная величина насыщенным давлением водяного пара (47 мм. рт. ст. = 6, 3 к. Па) константа. Pi. O = Fi. O x (ВР - 47) 2 2 На уровне моря: Pi. O 2 = 0, 21 x (100 к. Па - 6, 3 к. Па) = 20 к. Па – увлажненный воздух На уровне моря: Pi. O 2 = 0, 21 x 100 к. Па = 21 к. Па – сухой воздух На высоте 5500 м: Pi. O 2 = 0, 21 x (50 к. Па - 6, 3 к. Па) = 9, 2 к. Па N. B! На высоте 20000 метров содержание О 2 во вдыхаемом воздухе падает до нуля

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Альвеолярная вентиляция В интактных легких, приблизительно 2/3 объема каждого вдоха достигает перфузируемые альвеолы для участия в газообмене. Отношения между альвеолярной вентиляцией и Pа. СO 2 / PАО 2 для групп с различным потреблением O 2 (VО 2) и продукцией CO 2 (VСО 2). альвеолярной вентиляции приближают PАO 2 и Pa. СО 2 к их парциальному давлению в воздухе. альвеолярной вентиляции менее 4 л/мин сопровождаются резким уменьшением PАO 2 и увеличением Pa. СО 2. William C. Wilson, 2005

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

PAO 2 В легких не происходит существенного обмена инертных газов (азота и др. ) при дыхании воздухом, поэтому РАО 2 может быть вычислено: РАСО РАО 2 = РО 2 во вдыхаемом воздухе – 2 R 40 РАО 2 = 150 = 100 мм рт. ст. 0, 8 70 0, 8 При увеличении РАСО 2 до 70 мм рт. ст. : РАО 2 = 150 = 62, 5 мм рт. ст. Очевидно, сколь велико значение концентрации СО 2 в альвеолярном воздухе для оксигенации организма Для нормальных условий: (14 к. Па)

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Шунт Сохранение кровотока через плохо вентилируемые альвеолы или альвеолы с высоким сопротивлением диффузии; Резко возрастающий объем капиллярного кровотока через нормально вентилируемые зоны легкого. Фракция шунтируемой крови (%): В норме – 2 - 5% (Marshall B. Dunning, 2001) Выраженный внутрилегочный шунт > 15% QCv. O 2) S – фракция МОК, прошедшая через шунт (Morgan G. E. , Mikhail M. S. , 2003) Q – МОК QS/QT = (Cc. O 2 – Ca. O 2) / (Cc. O 2 – T Ca. O 2, Cv. O 2, Cc. O 2– содержание О 2 в артериальной, венозной и капиллярной крови в легких VQI (упрощенное) = (1 -Sa. O 2) / (1 – Sv. O 2) Пример: VQI (упрощенное) = (1 -0, 99) / (1 – 0, 75) = 0, 01/0, 25 = 0, 04 (4%) VQI (упрощенное) = (1 -0, 89) / (1 – 0, 75) = 0, 11/0, 25 = 0, 44 (44%)

Шунт Влияние концентрации вдыхаемого кислорода (Fi. O 2) на Ра. О 2 при наличии различного уровня легочного шунта. При уровне шунта более 50% от сердечного выброса повышение Fi. O 2 не способно поддерживать Ра. О 2 на нормальном уровне.

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Ра. О 2 Причины, влияющие на уменьшение Ра. О 2: - низкое PIO 2; - гиповентиляция; - нарушение вентиляции/перфузии. -Адекватность газообмена в легких оценивается альвеолярноартериальным градиентом (А-а): А-а градиент = РАО 2 – Ра. О 2 р. АО 2 – 103 -101 мм рт. ст. ра 02 около 97 мм рт. ст. и ра. СО 2 – около 40 мм рт. ст. üА-а. DО 2 – в норме от 5 -20 мм рт. ст. и увеличивается с возрастом: 7 мм рт. ст. - у молодых, до 14 мм рт. ст. - у пожилых

Ра. О 2 Причины гипоксемии Нормальный градиент А-а Альвеолярная гиповентиляция (увеличение р. АСО 2) Низкий Fi. O 2 (Fi. O 2 < 0, 21 высота) Увеличенный градиент А-а Дефект диффузии (редко) Нарушения V/Q Шунт (внутрилегочный или кардиальный) Увеличение артерио – венозной экстракции кислорода (Са. О 2 – Сv. О 2)

Ра. О 2 / Fi. O 2 респираторный индекс (индекс оксигенации)

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Кривая диссоциации оксигемоглобина Ординаты: 1) Сатурация (%) 2) Содержание О 2 (мл О 2 / л крови) 3) Доставка О 2 периферическим тканям (мл/мин) 4) Доступность О 2 для периферических тканей (мл/мин) = доставка О 2 приблизительно 200 мл/мин, экстракция которых не может произойти при давлении ниже 20 мм рт. ст. Абсцисса: а – напряжение О 2 в точке артерии; v – напряжение О 2 в точке вены; Р 50 - напряжение О 2 (27 мм рт. ст) при котором гемоглобин сатурирован на 50%

0°С 10°С Р 50 (mm Hg) Сродство Нв к 02 (эффекты сдвигов р. Н, р. СО 2, темп…. ) 27 (N) 20°С 38°С 43°С Отдача кислорода в тканях (мл) 5, 0 (N) 23 повышается 3, 7 32 снижается 10, 0

Точка р50 Многие ингаляционные анестетики влияют на отклонение кривой диссоциации оксигемоглобина вправо (Gilles IDS, 1970): снижение кислородсвязывающих свойств гемоглобина -Изофлюран отклоняет точку р50 вправо на 2, 6 + 0, 07 мм. рт. ст в концентрации приблизительно 1 МАК (1, 25%) (Kambam JR, 1987); НО!!! Высокие дозы фентанила, морфина и меперидина не влияют на отклонение точки р50. William C. Wilson, 2005

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Десатурация во время апноэ на фоне предшествующей преоксигенации Sat O 2 Время после начала апноэ на фоне предшествующей преоксигенации (мин) артериаль ной крови Здоровый человек 70 кг Пациент средней тяжести 70 кг Беременные Пациент с ожирением 130 кг 90 % 8 5, 8 5 2, 5 80 % 9 6, 3 5, 6 3, 2 60 % 10 6, 7 6, 4 4

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Содержание кислорода в крови Кислород находится в крови в двух фракциях: - растворенный в плазме (0, 3%0, 1 л. плазмы – 3 мл. 02) - связанный с гемоглобином (1 гр. Hb – 1, 3 -1, 39 мл. 02 – кислородная емкость гемоглобина) Содержание кислорода в крови – суммарное количество кислорода в обеих фракциях: Са. О 2 = (1, 3 • Нb • Sа. О 2) + (0, 003 • Ра. О 2) В норме Са. О 2 = (1, 39 • 150 • 0, 97) + (0, 003 • 100) = 200 мл/л

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Доставка кислорода (DO 2) представляет собой скорость транспорта кислорода артериальной кровью. DO 2 = СИ • Са. О 2 = СИ • ((1, 3 • Нb • Sа. О 2) + (0, 003 • Ра. О 2)) • где 10 – коэффициент преобразования объемных процентов в мл/с В норме DO 2 = 3 • ((1, 3 • 14 • 0, 98 ) + (0, 003 • 100)) • 10 =540 мл/мин • м 2 Сердечный индекс (СИ) 2, 5 - 3, 5 л/мин • м 2 Увеличению DO 2 способствует: гипердинамия кровообращения, гиповолемия, увеличение сердечного индекса выброса гипервентиляция гипероксия В НОРМЕ: Доставка кислорода (DO 2) 520 - 720 мл/мин • м 2 Снижению DO 2 способствует: гиподинамия ССН, снижение сердечного гиповентиляция гипотермия анемия гипоксия неадекватное ПДКВ

Содержание кислорода в крови ! Первичным эффектом уменьшения СВ (Qt) и/или увеличения потребления О 2 (VО 2) является снижение содержания кислорода в смешанной венозной крови. William C. Wilson, 2005

Роль сердечного выброса в транспорте О 2 R. E. Moon, 2005 сатурирован

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Потребление кислорода (VO 2) является заключительным этапом транспорта кислорода к тканям и представляет собой кислородное обеспечение тканевого метаболизма. Увеличению VO 2 способствует: Снижению VO 2 способствует: гиперметаболизм, гипертермия, гипометаболизм, препараты, снижающие послеоперационное согревание больного метаболизм, гипотермия гиподинамия кровообращения гипердинамия, централизация VO 2 = гипоксемия СИ • (Са. О 2 -Сv. О 2) = СИ • (13 • Нb) • (Sа. О 2 - Sv. О 2) кровообращения, гиповолемия сепсис гипероксия Уравнение Фика: Потребление кислорода Сердечный индекс где Са. О 2 -Сv. О 2 – артериовенозная разница в содержании кислорода (VO 2) (СИ) Sv. О 2 – насыщение гемоглобина венозной крови кислородом (в 2 110 - 160 мл/мин • м 2 2, 5 норме 68%-77%) - 3, 5 л/мин • м

Утилизация кислорода (КУO 2). Коэффициент утилизации кислорода (КУO 2) представляет собой часть кислорода, поглощаемую тканями из капиллярного русла. Увеличению КУO 2 способствует: повышение VO 2 снижение DO 2 КУO 2 = VO 2 /DO 2 • 100% В норме КУO 2 = 130 / 540 • 100% = 24% В покое КУО 2 = 22 -32% Снижению КУ O 2 снижение VO 2 повышение DO 2

Отношение между доставкой и потреблением кислорода при нормальной (сплошная линия) и патологической доставке VO 2 в норме остается кислорода (пунктир). достижения независимым от DO 2 до критического уровня. С этого момента возникает зависимость VO 2 /DO 2.

D. F. Treacher, R. M. Leach “Oxygen transport-1. Basic

Есть два пути окисления, сопряженных с активацией молекулярного кислорода: Оксидазный путь Митохондриальный тип окисления Полное, 4 -х электронное восстановление О 2 до Н 2 О при помощи цитохромоксидазы Оксигеназный путь Прямое включение в молекулу окисляемого субстрата без образования энергии (микросомальное окисление - 10 -40% всего кислорода, потребляемого клеткой) Неполное, в основном одно- или двухэлектронное восстановление О 2 с последующим использованием одного из атомов кислорода для внедрения в различные органические молекулы.

1) Гипоксическая дизоксия 2) Гипероксическая дизоксия 3) Нормоксическая дизоксия

Гипоксическая дизоксия - неадекватная доставка кислорода по отношению к потребности кислорода. На снижение доставки кислорода оксидазные системы реагируют первыми. ↓РО 2 ниже критического митохондриального уровня (0, 1 -1 мм. рт. ст) Окислительное фосфорилирован ие Анаэробный гликолиз Прогрессирующее истощение АТФ Лактат-ацидоз Гибель клетки

1) Гипоксическая дизоксия 2) Гипероксическая дизоксия 3) Нормоксическая дизоксия

Побочные эффекты, ассоциированные с гипероксией Сердечно-сосудистая система (макроциркуляция) Дыхательная система Центральная система нервная Снижение систолической функции. Повышение ОПСС. Констрикция коронарных артерий. Снижение СВ при ХСН. Повышение КДД ЛЖ. Гиперкапния при ХОБЛ и других обструктивных заболеваниях, нейромышечных заболеваниях, кифосколиозе, синдроме ожирения-гиповентиляции. Повышение смертности при ХОБЛ. Повышение тяжести инсульта. Повышение уровня смертности. Повышение летальности после СЛР. М. М. Соколова, В. В. Кузьков, Л. Н. Родионова, М. Ю. Киров, 2015

Эффекты гипероксии М. М. Соколова, В. В. Кузьков, Л. Н. Родионова, М. Ю. Киров, 2015

Артериальная оксигенация, ее допустимые отклонения и риск осложнений М. М. Соколова, В. В. Кузьков, Л. Н. Родионова, М. Ю. Киров, 2015

Респираторные эффекты нормобарической гипероксии ▪ Депрессия дыхания ▪ Стимуляция дыхания ▪ Легочная вазодилатация ▪ Гиперкапния ▪ Ателектазы ▪ Острый трахеобронхит, снижение мукоцилиарного клиренса ▪ Диффузные альвеолярные повреждения, ОРДС ▪ Бронхолегочная дисплазия

АТЕЛЕКТАЗЫ ▪ ▪ Абсорбционные ателектазы в ходе дыхания O 2 встречается в отделах легкого с низкими отношениями V/Q. Гипероксия может быть причиной ателектазов (повреждение пневмоцитов II порядка, синтезирующих сурфактант)

Острый трахеобронхит В норме у человека, вдыхающего 100% O 2 в течение 4 - 24 часов отмечается: кашель, ангина, Уменьшение раздражение глаз, жизненной дискомфорт в ушах, емкости легких усталость, парестезии.

Нереспираторные проявления токсичности О 2 ▪ Изменение гемодинамики ▪ Подавление эритропоэза ▪ Ранняя ретинопатия

РАННЯЯ РЕТИНОПАТИЯ Ретинопатия возникает вследствие гипероксического сужения и повреждения капилляров сетчатки глаза. В результате парадоксальная "гипероксическая гипоксия" и тканевая ишемия вызывают неоваскуляризацию в пределах сетчатки и стекловидного тела. Неоваскуляризация сетчатки в конечном счете приводит к слепоте.

▪ Нет никаких свидетельств, что гипероксия (Fi. O 2> 0. 60) опасна при остром повреждении легкого или ОРДС. ▪ После кардиохирургических операций короткое воздействие в течение 24 часов (диапазон 15 -48 часов) 100% O 2 не имеет никаких очевидных неблагоприятных эффектов.

МИНИМИЗАЦИЯ TОКСИЧНОСТИ О 2 В ОРИТ Как только появляется возможность легочной токсичности O 2 (у пациентов с ОРДС, требующим Fi. O 2> 0. 60 на 24 -48 часа) рассматривается предложение о сокращении Fi. O 2 до самого низкого уровня совместимого с адекватным системным кислородонасыщением.

КАК БЫТЬ в сложных ситуациях? Последствия системной гипоксии или вентилятор - ассоциированного повреждения легкого более губительны, чем потенциальный будущий риск повреждения легкого вследствие гипероксии.

THE END

Свободными радикалами называются молекулы или их фрагменты, содержащие один или более неспаренных электронов. Наличие неспаренных электронов придает молекуле особые свойства: Химические – высокая реактивность Физические – парамагнитные свойства Свободные радикалы кислорода: Синглетный кислород Супероксидный анион-радикал Перекись водорода Гидроксильный анион-радикал

СИНГЛЕТНЫЙ КИСЛОРОД - высокореактивная форма кислорода, образуется в результате обращения спина у одного из не спаренных электронов в молекуле О 2; ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ СИНГЛЕТНОГО КИСЛОРОДА: рентгеновское или гамма-облучение; ультрафиолет; ультразвук; токсические химические вещества; табачный дым; контакт клеток с чужеродным материалом; контакт с патологически измененным белком; взаимодействие со свободными жирными кислотами; хемотаксические стимулы; окисление тиоловых соединений, гидрохинонов, катехоламинов, флавинов; металлы переменной валентности (железо и медь); дефицит каталаз и пероксидаз.

СУПЕРОКСИДНЫЙ АНИОН-РАДИКАЛ - продукт одноэлектронного ПРИЧИНЫ ОБРАЗОВАНИЯ СУПЕРОКСИДА: в митохондриях: ГИПОКСИЯ восстановленных компонентов дыхательной цепи - НАД, НАДФ, ФАД и Ко. Q, являющихся донорами электронов. ГИПЕРОКСИЯ акцептора электронов. ПОСТИШЕМИЧЕСКАЯ РЕПЕРФУЗИЯ. в микросомах и ядерной мембране: АУТООКИСЛЕНИЕ ЦИТОХРОМОВ Р 450 И В 5.

ПЕРЕКИСЬ ВОДОРОДА - вторичный продукт одноэлектронного восстановления О 2. Образуется при спонтанной или ферментативной дисмутации супероксида; ГИДРОКСИЛЬНЫЙ АНИОН-РАДИКАЛ - наиболее реактивная и нестабильная активированная форма О 2, образуется в результате реакции между синглетным кислородом и Н 2 О 2; В физиологических условиях практически не образуется. Условия, катализирующие образование гидроксильного аниона -радикала: наличие несвязанного с белком железа и меди ацидоз

Оксигеназный путь 1 Биологическая целесообразность оксигеназного окис Трансформация липофильных веществ жирных кислот стероидов канцерогенов некоторых аминокислот лекарств и других чужеродных веществ, поступающих в организм с пищей, через дыхательные пути или кожу в полярные (водорастворимые) вещества посредством микросомального окисления с помощью флавопротеидзависимых цитохромов В 5 и Р 450:

Биологическая целесообразность оксигеназного окис 2 Модификация функций мембран - изменение активности мембраносвязанных липидзависимых ферментов (аденилатциклазы, фосфодиэстеразы, Nа, К-АТФазы и др. ) Снижение активности ПОЛ переход липидов мембран в более "жидкое" состояние Увеличение активности ПОЛ ригидность липидной фазы мембран Регуляция скорости образования простагландинов модулирование эффективности некоторых фенольных анальгетиков и НПВС

Биологическая целесообразность оксигеназного окис Биосинтез 3 Супероксид-зависимое образование дофамина (образование ДОФА из тирозина) 4 ? Синтез коллагена в легких в присутствии супероксида Детоксикация Фагоцитоз Лейкоцитарная инфильтрация Уровень свободнорадикальных окислительных процессов Уровень антиоксидантной защиты

Депрессия дыхания, стимуляция дыхания, легочная вазодилатация, гиперкапния Депрессия дыхания связана со стимуляцией чувствительных к гипоксии хеморецепторов в каротидных и аортальных тельцах. Рисунок - Острая депрессия дыхания при нормобарической гипероксии, иллюстрированная у здоровой собаки в сознании, дышащей от маски. Lodato RF, Jubran A. 1993 В норме, умеренная стимуляция дыхания, вызванная гипероксией, приводит к умеренной гипервентиляции, что ограничивает

Миокардиальные некрозы у кроликов Распространенные очаги миокардиального некроза у кроликов подвергнутых 100% O 2 (нормобарическая гипероксия) более 60 часов, схема продольного среза через все камеры сердца.

Безопасная фракция кислорода Автор Год n Исследуем ый Рi. O 2 (атм) Продолжительно сть Безопасный уровень Comroe 1945 9 0, 5 -0, 75 атм 24 часа 0, 5 - 0, 6 атм Helvey 1962 0, 49 атм 14 дней Michel 1960 6 0, 55 атм 7 дней Fife 1973 3 0, 47 атм 7 дней без неблагоприят ных эффектов Schaefer 1982 0, 51 атм; 0, 57 атм 29, 5 дней; 28 дней 0, 6 атм Ohlsson 1947 0, 78 атм, 0, 88 атм. 53 часа; 57 часов 0, 6 атм 6

Гипероксическая дизоксия - патологическое функционирование клетки, вследствие высокого напряжения кислорода (токсичность кислорода) Доставка О 2 при гипероксии

СНИЖЕНИЕ СВ ПРИ ГИПЕРОКСИИ БРАДИКАРДИЯ ДИАСТОЛИЧЕСКАЯ ДИСФУНКЦИЯ СНИЖЕНИЕ УДАРНОГО ОБЪЕМА

DO 2 и VO 2 : Отношения между потреблением O 2 и доставкой O 2 у 6 здоровых собак в сознании на фоне дыхания воздухом и нормобарической гипероксии. Гипероксия вызвала уникальное параллельное снижение доставки и потребления О 2.