Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физиологическое и токсическое действие кислорода под повышенным давлением (обзор литературы) 11
1.1. Допустимые и критические концентрации кислорода 11
1.2. Существующие представления о механизмах токсического действия кислорода 18
1.3. Место отравления кислородом в общей профессиональной заболеваемости водолазов и подводников 28
1.4. Клеточное дыхание 37
Глава 2. Материалы и методы исследований 43
2.1. Характеристика групп 43
2.1.1. Методика водолазных спусков в морских условиях 44
2.1.2. Методика водолазных спусков в лабораторных условиях 46
2.1.3. Меры безопасности
2.2. Методы исследования 47
2.3. Методы статистической обработки результатов исследований в лабораторных условиях и теоретических расчетов 50
2.4. Оценка валидности используемых методик и достоверности полученных результатов 52
Глава 3. Результаты исследований 53
3.1. Результаты исследований в морских условиях 53
3.2. Результаты исследований в лабораторных условиях 56
3.3. Оказание медицинской помощи водолазам 59
Глава 4. Патофизиологические механизмы инициации и развития судорожной формы отравления кислородом 64
Глава 5. Физиологическая и патофизиологическая характеристика реакций организма в условиях гипероксии 95
5.1. Энергетические трансформации на молекулярном уровне в условиях гипероксии 95
5.2. Особенности реакций организма в условиях гипероксии 96
5.3. Безопасные и опасные экспозиции при водолазных спусках с использованием кислорода 101
Заключение 117
Выводы .120
Практические рекомендации 122
Список использованной литературы
- Место отравления кислородом в общей профессиональной заболеваемости водолазов и подводников
- Методика водолазных спусков в лабораторных условиях
- Оценка валидности используемых методик и достоверности полученных результатов
- Особенности реакций организма в условиях гипероксии
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Одним из тяжелых профессиональных заболеваний водолазов и подводников является острое кислородное отравление. В структуре заболеваемости с летальным исходом острое кислородное отравление у водолазов аварийно-спасательной службы составляет 9,3±2,79%, а на соединениях подводных лодок - 16,7±4,82% [СВ. Никонов, 2000 г].
Предотвращение острого кислородного отравления заключается в точном соблюдении требований правил водолазной службы по времени работы под водой в зависимости от глубины водолазного спуска. Но и при выполнении этих требований развитие заболевания возможно у лиц с пониженной устойчивостью к кислороду. К сожалению, методик по выявлению таких лиц до настоящего времени не разработано. Поэтому для предотвращения кислородного отравления необходимо использовать такие режимы водолазных спусков на сжатом кислороде, которые, с одной стороны, позволяют выполнить весь объем поставленных задач, а с другой стороны - быть безопасными для максимального числа водолазов. Таких режимов до настоящего времени также не разработано. Существующие режимы или очень короткие и безопасные, или продолжительные, но опасные. Для оптимизации соотношений «продолжительность работы на грунте - безопасность» необходимо использовать сведения о пусковых механизмах инициации и развития острого кислородного отравления, которые к настоящему времени также отсутствуют. Существующие теории патогенеза острого кислородного отравления разрабатывались в середине прошлого века и носили зачастую умозрительный характер [И.А. Сапов, 1952, 1986].
Поэтому тему настоящей диссертации, предусматривающую разработку мер предупреждения судорожной формы кислородного отравления по результатам целенаправленных исследований организма водолазов можно
считать актуальной и важной с позиции безопасности человека в чрезвычайных ситуациях.
Степень разработанности темы исследования
К настоящему времени достаточно полно разработаны три теории
кислородного отравления. Первая из них – нейротоксическая,
рассматривающая кислород при повышенном парциальном давлении как вещество, приводящее к торможению корковых образований и реактивному возбуждению подкорковых центров [Бенке А.Р. 1970, Дмитрук А.И. 1999, Довгуша В.В. 2003]. Вторая теория – окислительная, рассматривающая токсическое действие кислорода как следствие дополнительного образования в организме свободных радикалов [Герасимов А.М. 1979, Голиков С.Н. 1986, Иванов К.П. 1993, Кормош Н.Г. 2012, Лукаш А.И. 1999, Нессирио Б.А. 2002, Lanphier E. 1969]. Третья теория, названная авторами электронной, связывает токсическое действие повышенных концентраций кислорода со связыванием энергии -электронов в дыхательной цепи вследствие их присоединения к молекулам кислорода в количестве, пропорциональном концентрации кислорода и такому фундаментальному свойству газов, как сродство к электрону, выражающемуся в единицах энергии. Последняя теория, судя по опубликованным материалам, относится только к легочной форме кислородного отравления и предшествовавшему ей гипербарическому стрессу [Ветош А.Н. 2003, Волькенштейн М.В. 1981, Гришин О.В. и др., 2014, Иванов К.П. 2013, Стаценко А.В. 2010].
Токсическое действие кислорода на человека и разработка мер по его предупреждению в первых двух теориях рассматривались на органном и системном уровнях. Электронная теория дополнительно включала в качестве ведущего элемента аналитические исследования на молекулярном и субмолекулярном уровнях с учетом современных представлений в области квантовой биофизики.
Мы разделяем позицию электронной теории и сочли необходимым ее дальнейшее развитие применительно к острой форме кислородного отравления. При этом использовались объективные сведения о механизмах этого заболевания. Существующие данные литературы по этому вопросу были зачастую противоречивы и рассматривались как результаты только логических умозаключений. Это утверждение касается, в первую очередь, интегральных показателей, описывающих взаимосвязи используемых парциальных давлений кислорода и экспозиций в диапазоне глубин до 20 м.
Цель исследования Выявить особенности патогенеза острого кислородного отравления и обосновать интегральный критерий безопасных экспозиций при водолазных спусках с использованием кислорода в диапазоне глубин до 20 м.
Задачи исследования
1. Определить наиболее значимые стороны существующих
представлений о физиологическом и токсическом действии сжатого кислорода,
по данным анализа медицинской литературы.
-
Выявить пусковые механизмы инициации, развития и разрешения острого кислородного отравления, по результатам экспериментальных исследований.
-
Провести регрессионный и корреляционный анализы полученных значений интегрального показателя безопасности водолазных спусков при парциальных давлениях кислорода до 3 кгс/см2.
Научная новизна исследования
Впервые выявлены патологические процессы, сопровождающие острое кислородное отравление и проведено их толкование:
- общая гипоэнергизация организма вследствие снижения синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) в дыхательной цепи;
галлюцинации и ретроградная амнезия как следствие токсического действия недоокисленных форм кислорода и гипоэнергизации на основные компоненты сознания и памяти (синапсы, цитоскелет и геном нейрона);
колебательные изменения энергетического потенциала дыхательной цепи при судорогах и в межсудорожный периоды, как свойство диссипативной (рассеиваемой) структуры на молекулярном уровне;
при определении тяжести заболевания учитывались не только клинические симптомы, но и расчетные показатели связанной энергии дыхательной цепи с использованием такого фундаментального свойства всех молекул, включая кислород, как сродство к электрону;
снижение антиоксидантной защиты организма при повышенном парциальном давлении кислорода.
Теоретическая и практическая значимость Получено и обосновано достаточное количество фактов, позволяющих внести предложения по профилактике судорожной формы отравления кислородом и корректировке руководящих документов по медицинскому обеспечению водолазных спусков с использованием кислорода на глубины до 20 м.
В процессе расчетов, проведенных с использованием методики квантовой биофизики, впервые выявлено, что пусковым механизмом кислородного отравления является блокада энергии -электронов в тканях молекулами кислорода, дополнительно насыщающих ткани в условиях повышенного давления.
Проведенная работа позволяет открыть новые направления исследований в подводной физиологии с использованием методик квантовой биофизики.
Методология и методы исследования
В работе использован принцип последовательного применения метода
научного познания: от результатов анализа источников информации для
обоснования актуальности и уточнения задач к сравнительно-
сопоставительному синтезу данных анализа клинического материала для получения адекватных результатов исследования. Теоретической основой диссертационного исследования послужили публикации отечественных и зарубежных ученых в области изучения вопросов энергетического обеспечения организма в условиях гипероксии. Работа выполнена в соответствии с принципами доказательной медицины с использованием современных методов исследования и обработки данных.
Положения выносимые на защиту
1. В развитии острого кислородного отравления участвует много
патологических механизмов, но ведущим из них является частичная блокада
мощности дыхательной цепи вследствие присоединения -электронов к
молекулам кислорода (электронная теория), при этом расчетная блокируемая
мощность дыхательной цепи при спусках в море с использованием для дыхания
кислорода с безопасными экспозициями составляет: при парциальном давлении
кислорода 1,0 атм - 2 Вт; 1,5 атм - 5 Вт; 2,0 атм - 10 Вт; 2,5 атм - 15 Вт; 3,0 атм
- 25 Вт. Для условий барокамеры указанные значения в 1,5 - 3 раза ниже.
2. На основании проведенных комплексных клинических и
экспериментальных исследований установлено, что интегральный показатель
безопасных парциальных давлений кислорода при водолазных спусках в
диапазонах глубин до 20 м. описывается степенной моделью уравнения
регрессии вида:
у = а х;
где: у - результативный признак, модуль которого соответствовал количеству связанной мощности дыхательной цепи, Вт; х - факторный признак, соответствующий парциальному давлению кислорода, кгс/см2; а -безразмерный коэффициент, как показатель степенной функции; -безразмерный коэффициент, как показатель факторного значения х.
Значения а и в были получены из регрессионной программы методом наименьших квадратов и аппроксимирования.
3. Под действием повышенного парциального давления кислорода развивается пропорциональное снижение антиоксидантной защиты организма. Для профилактики острого кислородного отравления расчетное количество блокируемой мощности дыхательной цепи не должно превышать 18 - 25 Вт (20 – 27% от основного обмена).
Степень достоверности Степень достоверности полученных результатов и выводов обоснована применением традиционных подходов к статистической обработке полученного массива данных с применением методов параметрической и непараметрической статистики.
Апробация работы
Материалы диссертации доложены на III всероссийской конференции с
международным участием «Профилактическая медицина - 2013» и на
юбилейной XX всероссийской конференции молодых ученых с
международным участием «Актуальные проблемы патофизиологии - 2014».
Внедрение результатов в практику Материалы работы используются в учебном процессе кафедры патологической физиологии ГБОУ ВПО СЗГМУ им. И.И. Мечникова Минздрава России.
Публикации По материалам работы опубликовано 14 научных статей, в том числе – 3 статьи в сборниках научных работ, рекомендованных перечнем ВАК.
Личный вклад автора Автором проведен анализ современной литературы, написан обзор по теме диссертации. С 2001 г. по 2005 г., во время прохождения службы на ТАРКр «Петр Великий» проводил медицинское обеспечение водолазных спусков на глубины до 20 м., с одновременным обследованием водолазов до, в течение и
после спусков. Полученные результаты легли в основу диссертации.
Выполнены сбор, систематизация и анализ полученных результатов с их
последующей математико-статистической обработкой, сформулированы
выводы и практические рекомендации.
Структура и объем диссертации Диссертация изложена на 132 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Работа иллюстрирована 22 таблицами и 15 рисунками. Библиографический список включает 106 литературных источников, в том числе 79 отечественных и 27 иностранных.
Место отравления кислородом в общей профессиональной заболеваемости водолазов и подводников
Описаны разнообразные условия, повышающие чувствительность срезов головного мозга крыс к кислородному отравлению. К этим условиям относятся: повышенная концентрация калия в инкубационной среде, исключение ионов кальция из среды. Такие условия, как добавление трисбуфера и увеличение его концентрации в инкубационной среде и снижение температуры этой среды с 37 до 32оС, наоборот, снижают чувствительность ткани мозга к токсическому действию кислорода.
Обнаружено усиление процесса окисления в печени, мозге и почках до начала развития судорог. В печени крыс воздействие кислорода при абсолютном давлении 2,7 кгс/см2 вызывает заметную активацию процесса окисления по сравнению с данными, полученными при дыхании воздухом.
Активность, связанная с мембраной Nа - К - АТФазы в срезах коры головного мозга, подвергнутых предварительному действию сжатого кислорода под абсолютным давлением 4 кгс/см2 в течение 10-180 мин., значительно снижается, по меньшей мере, за 90 мин. до развития судорог. Авторы также получили предварительные результаты об изменении чувствительности к кислородному отравлению нервной системы, связанной с параллельными сдвигами в скорости инактивации Nа - К - АТФазы. У крыс, подвергнутых воздействию кислорода под абсолютным давлением 4 кгс/см2, увеличение Рсо2 во вдыхаемой смеси до 60 мм рт. ст. значительно ускоряет развитие судорожных припадков и сопровождается более ранним началом и увеличением инактивации Nа - К - АТФазы [4].
Установлено, что кислородное отравление связано с образованием свободных радикалов. Известно, что переокисленный анион является побочным продуктом клеточного метаболизма и в некоторых реакциях скорость его образования при повышенном давлении кислорода увеличивается. Переокисленный анион представляет собой свободный радикал, токсичный для клетки, поскольку его внешний орбитальный слой содержит один непарный электрон. Он может вступать также в реакции, в результате которых образуются другие потенциально токсичные вещества, такие, как перекись водорода, гидропероксидный и гидроксильный радикалы и атомарный кислород. Переокисленный анион первоначально характеризовали как относительно стабильный радикал, образующийся под воздействием ионизирующей радиации на оксигенированную воду в результате обычного ферментного окисления, а изолированная супероксиддисмутаза характеризовалась как фермент, каталитически уничтожающий этот свободный радикал. Эти открытия обусловили проведение целой серии исследований, которые окончательно установили причастность переокисленных свободных радикалов к развитию кислородного отравления и роль супероксиддисмутазы в качестве основного защитного фактора.
Усиление свободнорадикальных реакций при увеличении напряжения кислорода в тканях является одним из первичных механизмов кислородной интоксикации. В свою очередь, последующие мембранные нарушения и накопление токсичных продуктов ПОЛ обусловливают вторично повреждающие эффекты гипероксии. В ряду таких вторичных или опосредованных эффектов, усиливающих первичное кислородное повреждение, важное место занимает нарушение проницаемости мембран лизосом, ведущее к выходу в цитозоль лизосомальных ферментов – протеаз, нуклеаз и липаз. В результате в клетках усиливаются реакции автолиза, подвергаются деструкции биологически активные полимеры, дезорганизуются практически все стороны метаболизма [33].
Активация лизосомальных гидролаз, дестабилизация мембранных структур, непосредственное взаимодействие с ферментами продуктов перекисного окисления липидов ведут к нарушениям работы различных ферментативных систем, как связанных, так и не связанных с мембранами. Наиболее чувствительными к действию кислорода считаются SH-содержащие ферменты [37]. Особая роль среди эффектов гипероксии на молекулярном уровне принадлежит ее влиянию на активность ферментов-антиоксидантов и дыхательных ферментов [13, 43].
Многочисленные экспериментальные данные по подавлению активности дыхательных ферментов при кислородном отравлении организма позволили ряду авторов ввести понятие о тканевой «гипероксической гипоксии» как об одном из основных механизмов токсического действия кислорода [23, 24].
По мнению этих авторов, кислород, будучи универсальным токсическим агентом, отравляет дыхательные ферментные системы, что ведет к потере клетками способности использовать кислород, даже несмотря на его обилие в тканях.
Взаимодействие свободных радикалов с липидными компонентами клетки способно вызвать цепные реакции, приводящие к прогрессирующему переокислению липидов и повреждению мембраны. Цепные реакции могут быть нарушены и прекращены под влиянием биологических антиокислителей, таких, как витамин Е. Витамин Е действует как антиокислитель путем принятия электрона для формирования стабильного радикала – токоферола, который, в свою очередь, восстанавливается при взаимодействии с витамином С [4].
Пытаясь определить признаки кислородной интоксикации ЦНС, предшествующие развитию судорог, Donald в 1947г. подвергал здоровых водолазов воздействию повышенного давления кислорода (3 кгс/см2 и выше) до появления неврологических симптомов. Клинически такие состояния проявлялись субъективными ощущениями и объективными признаками, приведенными в табл. 3 [88, 89].
Методика водолазных спусков в лабораторных условиях
Лабораторные исследования проводились в отсеках поточнодекомпрессионной барокамеры ПДК-2. На каждый спуск назначались 4 водолаза: 2 – контрольная группа, 2 – опытная группа. Опытная группа принимала внутрь за 30 минут до спуска 0,5 г аскорбиновой кислоты, контрольная – плацебо. Прием препаратов осуществлялся двойным слепым методом. Для дыхания водолазы использовали изолирующие дыхательные аппараты ИДА-71У, снаряженные медицинским кислородом и свежим веществом О-3. После размещения в отсеках водолазы включались в изолирующие дыхательные аппараты с 3-х кратной промывкой системы аппарат – легкие, отсеки вентилировались сжатым воздухом и давление повышалось до 4 или 12 м, что соответствовало глубине плавания с помощью ласт (3 – 5 м) или подводных средств движения (10 – 15 м). При этом парциальное давление кислорода в дыхательном мешке аппарата составляло в первом случае – 1,4 кгс/см2, во втором случае – 2,2 кгс/см2. Экспозиция на глубине 4 м составляла 4 часа, на глубине 12 м – 2 часа. После экспозиции на грунте водолазы выключались из дыхательных аппаратов, давление снижалось до атмосферного.
При проведении водолазных спусков меры безопасности включали точное выполнение всех требований правил водолазной службы.
Перед спусками в морских и лабораторных условиях они включали тщательный инструктаж водолазов, проверку используемого водолазного снаряжения, проверку знаний методики спусков и углубленное медицинское обследование. Водолазы, предъявлявшие жалобы на состояние здоровья и имевшие отклонения в показателях функционального состояния, к спускам не допускались.
В период спусков меры безопасности включали опрос самочувствия через каждые 4-5 минут условными сигналами, а в морских условиях – обязательное присутствие на водолазном катере страхующего водолаза в немедленной готовности к спуску в случае необходимости оказания помощи спускающимся водолазам.
У места спусков находились обеспечивающий врач - спецфизиолог (автор работы), готовая к немедленному использованию барокамера РКУМ и комплект неотложной помощи (корабельный) КНП.
Профилактика баротравмы легких включала медленный подъем водолаза с грунта (5-10 м/мин) и медленное погружение на грунт.
Профилактика отравления углекислым газом включала использование свежего регенеративного вещества О-3 с исходным насыщением СО2 не более 20 мл /кг и контроль за работой клапанной коробки.
Профилактика кислородного голодания включала использование в газовых баллонах изолирующего дыхательного аппарата только медицинского кислорода без примесей.
Для профилактики переохлаждения при спусках в морских условиях водолазы под комбинезон надевали поролоновый утеплитель и шерстяное белье. Профилактика утопления включала тщательный контроль за герметичностью комбинезона и креплением дыхательных трубок.
Диагностические исследования в морских условиях включали запись ЭКГ, определение ЖЕЛ, уровня АД, пробы Штанге и Генча с оксигемометрией – за сутки до спуска и через 1-2 часа после спуска. В лабораторных условиях, за 20-30 минут до спуска и через 20-30 минут после его завершения, выполнялись следующие диагностические исследования: - электрокардиография; - измерение уровня АД; - измерение частоты дыхания; - взятие из локтевой вены крови, для чего использовался стерильный шприц, 10 мл. В период пребывания под давлением водолазы друг у друга определяли на первом и втором часе экспозиции частоту пульса, уровень АД и частоту дыхания.
Кровь гепаринизировалась, и затем в лаборатории проводился хемолюминесцентный анализ в системе H2O2–люминал и определялось содержание внеэритроцитарного гемоглобина (ВЭГ) гемоглобинцианидным методом [39].
Хемолюминесцентный анализ проводился на установке для регистрации индуцированной ХЛ. В качестве детектора использовали фотоэлектронный умножитель ФЭУ-37. Базовым прибором служил сцинтилляционный спектрометр 22028 (RFT), оснащенный счетчиком импульсов и времени с индикацией на световом табло и выходом на печатающее устройство и линейным измерителем скорости счета с выходом на самописец с лентой, отградуированной непосредственно в импульсах в секунду. Прямоугольная стеклянная измерительная кювета термостатировалась с помощью внешнего водяного термостата в пределах + 37 ± 0,5 С. Камера была оборудована мешалкой для перемешивания содержимого кюветы и инжектором для дозированного введения в кювету реагентов.
В измерительную кювету вносили исследуемую плазму в объеме 0,2 мл и 0,2М К- фосфатный буфер (рН 7,8, готовится на бидистиллированной воде) в объеме 2,7 мл. Общий объем реакционной смеси составлял 2,9 мл. Смесь термостатировалась в измерительной ячейке при перемешивании в течение 400 сек, регистрируя при этом фоновое свечение образца, а затем инициировалась медленная вспышка ХЛ введением через инжектор 0,5 мл 0,02 М р-ра FeSO4 7 H2O (готовится на бидист. H2O) и в течение 1000 секунд регистрировалась светосумма индуцированной ХЛ. Расчет светосуммы производили по площади кривой медленной вспышки ХЛ от ее начала до выхода на плато (на стационарный уровень) и выражали в относительных единицах.
Содержание ВЭГ в плазме крови определяли стандартным гемоглобинцианидным методом (набор «Реанал»). К 0,4 мл плазмы добавляли 1,6 мл трансформирующего реактива (хранится в темной посуде при комнатной температуре несколько месяцев). Через 30 мин измеряли экстинкцию пробы на спектрофотометре СФ-26 при длине волны 640 нм против трансформирующего реактива. Концентрацию ВЭГ рассчитывали по формуле : х = Е540 НМ 56,5, где 56,5 – фактор, вычисленный на основе молярного коэффициента экстинкции стандартного раствора гемоглобинцианида при толщине поглощающего слоя 1 см.
Содержание ВЭГ в плазме крови выражали в моль/л и переводили в мг % из расчета 6,09 мк моль/л равно 22,2 мг % (норма). По мнению Лукаш А.И. внеэритроцитарный гемоглобин можно рассматривать как показатель гемолиза эритроцитов [39].
Оценка валидности используемых методик и достоверности полученных результатов
Упомянутые выше антиоксидантные реакции организма направлены на перехват повышенных концентраций свободно-радикальных форм кислорода и поддержание необходимого (около0,068 кгс/см2 ) низкого по сравнению с альвеолярным парциального давления кислорода на уровне капилляров в условиях гипероксии.
Основной вклад в исследование антиоксидантной системы организма внесли школы ведущих отечественных ученых И.А. Сапова, А.Г. Жиронкина, А.И. Лукаша в области токсического действия кислорода.
Общие механизмы проявлений антиоксидантной защиты организма в целом в условиях гипероксии выглядят следующим образом.
Дыхание сжатым кислородом влечет за собой рост его парциального давления в тканях. Происходит полное насыщение гемоглобина кислородом и дальнейшее увеличение напряжения кислорода развивается за счет физического растворения в плазме. Рост напряжения кислорода вызывает снижение уровня восстановленного гемоглобина в венозной крови, что повышает ее кислотность и приводит к нарушению транспорта углекислоты от тканей и органов к легким. Накопление в тканях углекислого газа запускает цепь компенсаторных реакций, опосредуемых дыхательным центром, результатом которых является урежение сердечных сокращений, увеличение артериального давления, сужение кровеносных сосудов и замедление кровотока. Определенную роль в этих процессах играет и сам кислород, обладающий прямым сосудосуживающим действием.
Изменения биохимических показателей в крови при гипероксии имеют фазовый характер в зависимости от экспозиции и величины парциального давления кислорода. При небольших парциальных давлениях кислорода и коротких экспозициях отмечается снижение уровня молочной кислоты, ацетоновых тел и других продуктов метаболизма, что может служить примером положительных для организма изменений, сопровождающихся усилением окислительных процессов, однако прочие показатели, характеризующие белковый, а также жировой обмен - уровни мочевины, билирубина и холестерина крови - достоверно не изменялись.
При более высоких давлениях кислорода и продолжительной экспозиции наступают неблагоприятные изменения в биохимической картине крови: накопление токсических липидов, свободных жирных кислот, нарастание содержания органических кислот, в том числе молочной, и снижение рН крови, увеличение уровня глюкозы. Такого рода изменения свидетельствуют о первых признаках кислородной интоксикации. Следствием свободнорадикальных повреждений форменных элементов крови при острой гипероксии является повышение проницаемости плазматических мембран для веществ внутриклеточного происхождения, снижение осмотической стойкости эритроцитов, изменение активности мембранносвязанных ферментов, падение активности целого ряда ферментов внутриклеточной локализации в клетках и прирост их активности в плазме крови - явление гиперферментемии, усиление гемолиза эритроцитов, накопление в крови внеэритроцитарного гемоглобина и продуктов его деструкции, свободного железа, прирост суммарной пероксидазной активности, обусловленной активностями гемоглобина и миелопероксидазы лейкоцитов. Повышение проницаемости гистогематических и гематоэнцефалических барьеров позволяет токсическим продуктам ПОЛ, прооксидантам и делокализованным ферментам перемешаться из крови в ткани и обратно, усиливая первичное повреждение. Со свободнорадикальным повреждением мембран субклеточных элементов – митохондрий, пероксисом и лизосом – связан, в частности, рост активности в плазме крови лизосомальных ферментов: кислой фосфатазы, кислой рибонуклеазы и катепсина. Усиление процессов протеолиза ведет к накоплению в крови высокотоксических средне-и низкомолекулярных продуктов белкового катаболизма – пептидов и полипептидов.
Активность ферментов-антиоксидантов может до определенной степени компенсировать усиление свободно-радикальных процессов, а при дальнейшем токсическом действии кислорода активность антиоксидантных ферментов снижается. При патологических процессах антиоксидантная защита переносится на низкомолекулярные антиоксиданты, чья относительная свобода миграции в тканевой и клеточной среде выступают на передний план.
Эффективными перехватчиками радикалов являются также витамины Е и К, убихиноны, триптофан и фенилаланин, а также большинство растительных и животных пигментов, которые ингибитуют супероксид-анион радикал, синглетный кислород, пероксирадикалы, ОН-радикал.
Широким спектром антиоксидантных свойств обладает аскорбиновая кислота, способная выступать в качестве донора и акцептора водорода благодаря наличию в структуре молекулы двух енольных групп. Аскорбиновая кислота превосходит другие антиоксиданты плазмы в защите липидов от перекисного окисления, так как только это соединение достаточно реакционноспособно, чтобы эффективно ингибировать инициацию ПОЛ в водной фазе. Проявление аскорбиновой кислотой анти – или прооксидантных свойств зависит также от концентрации субстрата и условий протекания окислительных реакций; это ее свойство важно для поддержания окислительно-восстановительного гомеостаза в биологических системах.
Важную роль в антиоксидантной защите организма играют легкоокисляющиеся SH-содержащие пептиды и аминокислоты - глутатион, цистин, метионин. Особое место среди этих соединений занимает глутатион -трипептид, образованный аминокислотами, цистеином, глутаминовой кислотой и глицином. Низкомолекулярные азотосодержащие метаболиты – аммиак, аминокислоты, пептиды, мочевина – играют важную регуляторную роль в организме.
В лаборатории А.И. Лукаша установлено, что мочевина и метаболически связанные с нею соединения – аргинин, g-гуамидиновая кислота, ГАМК, поливитамины, спермидин и спермин – обладают антигипероксическим действием. Установлено также, что интраперитонеальное введение мочевины животным вызывает отдаление судорожного приступа при острой форме кислородного отравления и снижение смертности в постгипероксическом периоде.
Важным механизмом, обеспечивающим накопление в организме азотосодержащих антиоксидантов в ответ на окислительный стресс, может быть усиление распада клеточных элементов крови. Так, повышенной чувствительностью к действию избытка кислорода обладают некоторые предшественники эритроцитов и лейкоцитов в костном мозге, селезенке и периферической крови. Распад этих неустойчивых клеток сопровождается усилением белкового и нуклеинового катаболизма и накоплением его продуктов - протекторное действие не только на уровне ткани, но и целого организма.
Различные антиоксидантные системы в организме находятся во взаимокомпенсаторных отношениях. Снижение концентрации или активности одних антиоксидантов вызывает соответствующий прирост содержания или активности других, а искусственное повышение концентрации какого-либо антиоксиданта стимулирует снижение других антиоксидантов. Благодаря существованию мощных многоуровневых механизмов гомеостатирования гипервитаминозы Е, К и С практически не существуют.
Антиоксиданты работают в комплексе. Для ингибиторов органических радикалов существует цепочка взаимопревращений, в результате которых образуется менее активная форма радикала: RO2 III (токоферол)I (аскорбиновая кислота). При этом можно говорить о своеобразных антиоксидантных цепях переноса электрона, эффективность работы которых определяется работой всех компонентов.
Особенности реакций организма в условиях гипероксии
Рассмотрим и другое представление о механизмах поглощения энергии -электронов молекулами кислорода.
Основоположник отечественной квантовой биофизики В.О. Самойлов, результаты исследований которого легли в основу настоящей работы, считает, что движение электронов в электрон-транспортных цепях представляет электрический ток [61].
Предположение вполне справедливое. В дополнение к этому предположению, по аналогии с электрическим током по проводникам можно упрощенно представить метаболические процессы и цикл Кребса в качестве генератора постоянного электрического тока, мембраны митохондрий – в качестве проводника, протонную помпу – (Н – АТФазу) – как потребителя тока (превращение энергии возбуждения -электронов в свободную энергию концевой фосфатной связи АТФ). Разность потенциалов равна 1,14 В (от -0,32 В до +0,82 В). Диффузия молекул кислорода в ткани, в том числе в митохондрии, может рассматриваться как внедрение в проводник мельчайших частиц диэлектрика, увеличивающих сопротивление электрическому току и снижающему его силу и напряжение.
Снижается ток потребителя, уменьшается количество синтезируемой АТФ. При уменьшении количества частиц диэлектрика ток восстанавливается. Изменение тока в потребителе (протонной помпе) по механизмам обратной связи (через биологически активные вещества) влияет на мощность генератора. Избыточное поступление частиц диэлектрика может прекратить ток в проводнике, но его производство в генераторе будет сохраняться определенное время, пока не израсходуются в нем запасы АТФ.
Приведенное сравнение, несомненно, очень схематичное и дает только общие представления о направленности процессов, происходящих в энергообеспечивающих структурах организма в условиях повышенного давления кислорода.
Энергия -электрона при его присоединении к молекуле кислорода будет частично расходоваться на преодоление сил отталкивания и частично на его поддержание на возбужденном уровне. Для -электрона с энергией возбужденного состояния, равного энергии фотона зеленого цвета (3,9710-13 Дж), количество энергии, расходуемой на преодоление сил отталкивания частицы кислорода, составит 10,8310-19Дж. Эта энергия будет в последующем использована в энергетических процессах, сопровождающих токсическое действие кислорода.
Оставшаяся энергия -электронов станет элементом конкурентной борьбы между всеми микроучастниками явлений, происходящими в митохондриях при их насыщении кислородом: субстратами клеточного дыхания, кофакторами макромолекул дыхательной цепи, атомами и молекулами других газов и воды. Направление и прочность связей этой части энергии и ее носителей - -электронов будет определяться градиентами концентраций и сродством вещества к электрону.
Но основным свойством описанных реакций останется связывание (блокирование) -электронов в митохондриях повышенными по сравнению с обычными концентрациями молекул кислорода в условиях повышенного давления.
Вторым элементом реакции «блокады» -электронов в системе клеточного дыхания является, по всей вероятности, активация продукции -электронов по механизмам обратной связи. Увеличение продукции -электронов может быть связано по преимуществу с увеличением метаболической активности (повышение концентрации субстратов клеточного дыхания, которыми являются продукты расщепления углеводов, белков и жиров, поставляющих в дыхательную цепь электроны и протоны Н Н++ е), а также с большим вовлечением в клеточное дыхание реакций дегидрогенизации трикарбоновых кислот (цикл Кребса). Описанные реакции сопровождают и являются следствием повышения активности (концентрации в кровяном русле) эндогенных биологически активных веществ.
При дальнейшем снижении синтеза аденозинтрифосфорной кислоты вследствие дефицита -электронов в цепи окислительного фосфорилирования происходит постепенное истощение депо биологически активных веществ и уменьшение запасов и продукции субстратов клеточного дыхания. После определенных границ в синтезе аденозинтрифосфорной кислоты развиваются патологические состояния, не совместимые с функционированием организма.
Схема инициации начального действия повышенных концентраций кислорода на организм приведена на рис. 11.
. Схема начального действия повышенных концентраций кислорода на организм. С помощью описанных механизмов можно достаточно полно объяснить широко известные в водолазном деле феномены, сопровождающие токсическое действие кислорода: - отсутствие тренирующего эффекта предварительных спусков с использованием кислорода, как следствие необратимости токсических процессов; - усиление токсического действия кислорода в условиях гиперкапнии, гипотермии и в присутствии повышенных концентраций азота, как следствие дополнительной блокады -электронов. Не исключено, что блокада -электронов в электрон-транспортной цепи митохондрий лежит в основе общих механизмов токсического действия многих веществ и условий жизнедеятельности человека.
Расчетное количество энергии, которое могло быть блокировано повышенным парциальным давлением кислорода в митохондриях при аналогичных условиях спуска примерно одинаковое, разность составляет около 20 % и может быть объяснена субъективным подходом различных исследователей к оценке состояния водолаза и ошибкой эксперимента, что вполне допустимо при подводных исследованиях.
Значения расчетной блокируемой мощности окислительно-восстановительных реакций, как следует из таблицы 20, возрастают пропорционально увеличению парциального давления кислорода. Из графиков, приведенных выше, следует, что зависимость расчетной блокируемой мощности от экспозиции под наибольшим давлением и единой токсической дозы кислорода носит случайный характер.
Попытаемся выявить, какие закономерности лежат в основе корреляций между расчетной блокируемой мощностью окислительно-восстановительных реакций в митохондриях и парциальным давлением кислорода при безопасных спусках в морских условиях, используя регрессионный анализ данных, приведенных в табл. 20.
Результаты регрессионного анализа приведены в таблице 22. Из данных табл. 22 следует, что приемлемым для оценки зависимости расчетной блокируемой мощности окислительно-восстановительных реакций в митохондриях от парциального давления кислорода при безопасных спусках в морских условиях являются модели 1, 2 и 3, т.к. при их использовании выявляются: - регрессионная зависимость сравниваемых показателей; - сильная прямая корреляционная зависимость; - регрессионная зависимость между переменными соответствует доверительной вероятности (достоверности) более 95 % (Р 0,95); - высокий коэффициент детерминации, т.е. модели информативны и пригодны для прогнозов.