缺氧的缺氧时细胞的代谢和功能变化
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发布时间：2022-04-21 18:00
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时间：2023-07-27 01:14
机体吸入氧，并通过血液运输到达组织，最终被细胞所感受和利用。因此，缺氧的本质是细胞对低氧状态的一种反应和适应性改变。当急性严重缺氧时细胞变化以线粒体能量代谢障碍为主（包括组织中毒性缺氧）；慢性轻度缺氧细胞以氧感受器的代偿性调节为主。
3.1 代偿性变化 3.1.1 缺氧时细胞能量代谢变化
（1） 无氧酵解增强：当 Pa O2 降低时，线粒体周围的 P O2 低于 0.04 ～ 0.07kPa 时，氧作为有氧氧化过程的最终的电子接受者出现缺额，线粒体的有氧代谢发生障碍， ATP 生成减少，胞浆内 ADP 增加。胞浆内 ADP 增高可使磷酸果糖激酶、糖酵解过程加强，并在一定的程度上可补偿细胞的能量不足，但酸性产物增加。
（2） 利用氧的能力增强：长期慢性和轻度缺氧时，细胞内线粒体数量增多，生物氧化还原酶（如琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶）活性增强和含量增多，使细胞利用氧的能力增强。
3.1.2 细胞的氧敏感调节与适应性变化
（1） 化学感受器兴奋
（2） 血红素蛋白（ hemeprotein ）感受调节：血色素蛋白是指含有卟啉环配体的一类蛋白质，如血红蛋白、细胞色素aa3 、P450、含细胞色素 b 558 的辅酶 Ⅱ （ NADPH ）氧化酶等。感受调节方式有两种：
①构象改变 当 O2 结合于血红素分子*的Fe2+ ，引起Fe2+ 转位到卟啉环平面上，反之相反。这种构象的变化可能影响血红素蛋白的功能。例如：CO 与氧化型细胞色素氧化酶 aa 的Fe2+ 结合，使氧化型细胞色素氧化酶失去了传递电子的作用。
②信使分子 NADPH 氧化酶可与细胞周围环境中 O2 结合，并把 O2 转变为 O2- ，再生成 H2O2。H2O2 经过 Feton 反应转变为羟自由基（ OH- ）进行氧信号的传导。正常时，细胞内 H2O2 浓度相对较高，抑制低氧敏感基因的表达。低氧时，细胞内 H2O2 和 OH- 生成减少，还原型谷光甘肽（ GSH ）氧化转变成氧化型谷光甘肽（ GSSG ）受到抑制，导致某些蛋白巯基还原型增加，从而使一些转录因子的构象发生改变，促进低氧敏感基因的转录表达。
3.1.3 HIF-1 感受调节
研究认为， HIF-1 （ hypoxia inced factor-1 ）是受控于氧浓度变化的一个至关重要的转录因子。细胞核内 HIF-1 作为低氧敏感基因的启动子与靶基因的低氧反应元件（ HRE，5-RCGTG-3 ）结合，启动基因转录和蛋白质翻译。
3.1.4 红细胞适应性增多
在高原居住的人和长期慢性缺氧的人，红细胞可以增加到 6×106/㎜ 3 ， Hb达21g/dl。其增加机制是，当缺氧时，低氧血可以刺激近球细胞，使其生成促红细胞生成素（ erythropoiesis-stimulating factor,EPO ）增加。EPO可以刺激RBC系单向干细胞分化为原 RBC 和增殖、成熟。另外。EPO 可促使 Hb 合成和网织红细胞进入血液，血中红细胞和 Hb 增加，提高了血液中血氧容量。最终提高了血液携带氧的能力使氧含量增加，从而增强对组织器官的 O2 供应。
3.1.5 肌红蛋白（ Mb ）增加
由于 Mb 与氧的亲和力比 Hb 的大，如氧分压降为 10mmHg 时， Hb 的氧饱和度约为 10% ，而 Mb 的氧饱和度可达 70% ，因此，当运动员进行剧烈运动使肌组织氧分压进一步降低时， Mb 可释放出大量的氧供组织、细胞利用。Mb 增加可能具有储存氧的作用。
3.2 细胞损伤 缺氧性细胞损伤（ hypoxic cell damage ）常为严重缺氧时出现的一种失代偿性变化。其主要表现为细胞膜、线粒体及溶酶体的损伤。
3.2.1 细胞膜变化
细胞膜电位降低常先于细胞内ATP含量的减少，膜电位降低的原因为细胞膜对离子的通透性增高，导致离子顺浓度差通过细胞膜，继而出现钠内流、钾外流、钙内流和细胞水肿等一系列改变。
（ 1 ） Na+ 内流：使细胞内 Na+ 浓度增多并激活 Na+ -K+ 泵，在泵出胞内 Na+ 同时又过多消耗 ATP ， ATP 消耗又将促进线粒体氧化磷酸化过程和加重细胞缺氧。细胞内 Na+ 浓度过高必然伴随水进入胞内增加引起细胞水肿。细胞水肿是线粒体、溶酶体肿胀的基础。
（ 2 ） K+ 外流：由于Na+-K+泵功能障碍，细胞外K+不能被泵到胞浆内，细胞内缺 K+ 导致合成代谢障碍，各种酶的生成减少并进一步影响 ATP 的生成和离子泵的功能。
（ 3 ） Ca2+内流：细胞内外 Ca2+ 浓度相差约 1000 倍，细胞内低 Ca2+ 浓度的维持依赖膜上 Ca2+ 泵功能。严重缺氧时，由于 ATP 生成减少，膜上 Ca2+ 泵功能降低，胞浆内 Ca2+ 外流和肌浆网摄取 Ca2+ 障碍，使胞浆内 Ca2+ 浓度增高。细胞内 Ca2+ 增多并进入线粒体内抑制了呼吸链功能； Ca2+和钙调蛋白（ calmolin ）激活磷脂酶，使膜磷脂分解，引起溶酶体损伤及其水解酶的释放，细胞自溶；胞浆内 Ca2+浓度过高可以使黄嘌呤脱氢酶转变为黄嘌呤氧化酶，增加自由基形成，加重细胞损伤。
3.2.2 线粒体的变化
缺氧可损伤线粒体，线粒体损伤又可导致缺氧，两者互为因果。缺氧引起线粒体受损的原因是严重缺氧可明显抑制线粒体呼吸功能和氧化磷酸化过程，使 ATP 生成更减少；持续较长时间严重缺氧，可以使线粒体的基质颗粒减少或消失，基质电子密度增加，脊内腔扩张，脊肿胀、崩解，外膜破裂等。
3.2.3 溶酶体的变化
缺氧时因糖酵解增强使乳酸生成增多和脂肪氧化不全使酮体增多，导致酸中毒。pH 降低和胞浆内钙增加使磷脂酶活性增高，使溶酶体膜的磷脂被分解，膜通透性增高，溶酶体肿胀、破裂和释出大量溶酶体酶，进而导致细胞及其周围组织的溶解、坏死。细胞内水肿、自由基的作用也参加溶酶体损伤机制。
