Впервые механизм токсического действия кислорода на живой организм доказал французский физиолог.
П. Бэр, который в 1878 г. подробно описал свои опыты в уже упомянутой книге «Барометрическое давление». Специально сконструированную камеру, выдерживающую давление до 25 атмосфер, он заполнял воздухом или кислородом. Предварительно ученый помещал в камеру различных животных. Бэр обнаружил, что, когда давление сжатого воздуха или кислорода достигало определенного уровня (свыше 4 ата по кислороду), проявлялись признаки интоксикации, развивались судороги, и вскоре животные погибали. Чем выше было давление кислорода, тем быстрее выявлялись признаки нейроинтоксикации. Выясняя причины ядовитости кислорода, П. Бэр установил, что выдыхаемый углекислый газ не является причиной интоксикации организма (поскольку он поглощался в камере натронной известью) так же, как и барометрическое давление. Смерть развивается только в том случае, когда накапливались большие количества кислорода в артериальной крови животных. Кислород подавлял газообмен; угнетались обменные процессы в тканях, образование в организме тепла (падала температура тела).
Кислород под давлением убивал все без исключения живые существа, независимо от уровня их организации (млекопитающие, низшие животные, растения, грибы и бактерии). Поэтому П. Бэр назвал кислород универсальным ядом для всего живого и указал на то, что отравление кислородом быстрее развивается у высокоорганизованных представителей живого мира, очевидно, из-за высокой чувствительности к кислороду нервной системы. Однако вредоносное действие кислорода на примитивные формы живой материи свидетельствует о прямом парализующем влиянии его на обмен веществ.
Со времен работ П. Бэра прошло почти 100 лет, но его представления о механизме кислородной интоксикации не претерпели коренных изменений. По-прежнему основу этого механизма ученые видят в угнетении клеточного метаболизма.
Постепенно прекратились высказывания относительно безвредности кислорода, даже применяемого при нормальном давлении. Приводятся примеры небезопасности длительных экспозиций организма в среде с повышенными концентрациями кислорода (свыше 30—40%). Высказывается мнение о том, что с момента зарождения жизни на Земле постоянно увеличивалось содержание кислорода в атмосфере и к этим повышенным концентрациям организмы вынуждены были адаптироваться. Причем надежных устойчивых способов защиты не сформировалось; любое же увеличение кислорода во внешней среде (сверх 21%) вызовет перенапряжение приспособительных механизмов.
Различают несколько форм кислородной интоксикации. Давно установленными (классическими) являются нейротоксическая (иначе ее называют судорожной, эффектом П. Бэра, острым оксидозом) и легочная (называемая еще легочным ожогом, эффектом Лоррен-Смита, кислородной пневмонией). В первом случае выступают на первый план поражения центральной нервной системы. Возникают эпилептиформные судороги, на их фоне может наступить гибель организма. Нейротоксическая форма развивается остро при давлениях кислорода свыше 3 ата в зависимости от видовой и индивидуальной чувствительности организма.
Легочная форма отравления кислородом развивается, как правило, хронически при длительном, повторном использовании кислорода под давлением даже при 1,2—2 ата. Наступают патологические изменения в легочной ткани, и нарушается газообмен. Признаки нейроинтоксикации при этом проявляются мало. Однако иногда легочная недостаточность возникает остро. Кислород вызывает повреждение легочного эпителия и спадения альвеол.
Конечно, деление этих форм по внешним симптомам первоочередного поражения нервной системы или легких весьма условно. Примерно на границе давлений кислорода в 3 ата встречается смешанная патология — и нервной системы, и легких. Все зависит от чувствительности разных тканей к кислороду и быстроте накопления его в этих тканях.
Внешне, однако, проявляются симптомы отравления кислородом прежде всего со стороны центральной нервной системы и лишь впоследствии обнаруживаются отклонения функций других органов и систем. Ранняя диагностика предвестников судорог (по данным ЭЭГ) или их начала помогает регулировать режим гипербарической оксигенации и своевременно принять предупредительные меры против кислородной интоксикации.
Иногда применение кислорода под большим давлением не вызывает судорожных явлений (или повышенной возбудимости нервной системы) и симптомов поражения легких. Признаки же отравления проявляются в виде относительно мало заметных нарушений функций сразу нескольких органов. Сама интоксикация обнаруживается по явным патологическим сдвигам в обмене веществ. Такая форма отравления кислородом названа общетоксической. Основной критерий интоксикации кислорода при этой форме — нарушение метаболизма тканей.
Подчеркиваем еще раз, что все названные варианты отравления условны, хотя они и указывают на преимущественное нарушение функции определенной системы.
Механизм отравления единообразен, но в силу вышеназванных причин и условий внутренней среды кислород может как бы избирательно поражать отдельные органы. Например, возраст организма существенно сказывается на пороге кислородной интоксикации и ее формах. Дети более резистентны к сжатому кислороду, и для них менее характерна судорожная форма отравления.
В чем же состоит механизм токсического действия кислорода? Как развивается кислородное отравление? Полной ясности в этих вопросах пока нет, но уже очевидно, что кислород, извращая ход последовательности молекулярных событий в клетках, вызывает функциональные сдвиги в работе органов и систем.
«Лишний» кислород, находящийся в клетках при жестком режиме гипербарической оксигенации (быстрая компрессия и давление примерно 4 ата и выше), не может больше потребляться в энергетических и пластических целях, ибо возможности ферментов биологического окисления не беспредельны. Этот кислород, растворенный в водной или липидной фазе структурных образований клетки, осуществляет своеобразную биохимическую диверсию — повреждает в первую очередь те процессы, течению которых он призван помогать.
При обычном рО2 тканей (нормоксии) или умеренном его повышении (при гиперксии) окислительный конвейер по образованию энергии работает весьма активно, так как имеется в достаточных количествах акцептор электронов — кислород. Излишки кислорода угнетают тканевое дыхание. Причин такого парадоксального феномена несколько.
Как химический окислитель кислород может нарушать нормальную работу окислительно-восстановительных ферментов. Окисляя каталитические группы в активном центре, он мешает участию их в отрыве водорода от субстрата и передаче протонов и электронов на дыхательную цепь. Широко распространено мнение, что к кислороду очень чувствительны сульфгидрильные группы белков и небелковых соединений. Кислород выступает здесь как тиоловый яд. Окисляя сульфгидрильные группы в дисульфидные, кислород подавляет функцию всех ферментных белков или коферментов, в составе которых эти группы играют важную роль.
С помощью специальных электродов регистрируется слабое потребление кислорода в условиях его избытка. Однако на этом не заканчиваются удивительные события, происходящие при действии кислорода под большим давлением. Торможение реакций дегидрирования и переноса протонов и электронов по дыхательной цепи приводят к тому, что накапливаются недоокисленные вещества, например молочная кислота. При этом регистрируется большой избыток ее в крови, происходит «закисление» внутриклеточной и внеклеточной жидкости.
В целом ситуация очень напоминает гипоксическое состояние организма. Но подобный кислородный голод (как уже отмечалось) развивается при изобилии кислорода в организме.
Это побочное состояние было названо учеными гипероксической гипоксией. Подобная гипоксия развивается в момент выраженных симптомов отравления кислородом, например, в судорожный период.
Еще в 50-х годах американский ученый Р. Гершман выдвинул гипотезу о том, что в основе механизма ядовитого действия кислорода лежит значительное образование в клетках свободных радикалов. В качестве аргументов в пользу высказанных предположений им приводились наблюдения о сходстве в нарушении функций и обмене веществ при действии кислорода под давлением и радиации (свободнорадикальный механизм повреждающего действия ионизирующей радиации был подробно разработан и считался доказанным).
Кислородная интоксикация вызывает избыточное образование перекисей липидов, которые блокируют функциональные сульфгидрильные группы Na+, К+, «портят» липидный каркас мембраны, где находится фермент, и снижают поставку АТФ к ферментам.
В период симптомов отравления кислородом блокада транспортной системы клеток вызывает накопление Na+, Са+ и потерю К+. Прямое действие кислорода (при давлении 8 ата) на мембранный транспорт ионов натрия кожи лягушки, которая является удобной моделью для изучения этого процесса, выявило подавление его почти наполовину. Показательно, что чрезмерные давления кислорода (порядка 140 ата) приводят в эксперименте к замедлению проводимости седалищного нерва и падению потенциала покоя мышечной ткани.
Если этот процесс развивается в нервных клетках, то выравнивание градиентов калия и натрия, напоминающее деполяризацию, вызывает повышение спонтанной электрической активности нейронов, которая внешне проявляется в виде судорожного состояния. Стойкая деполяризация клеточных мембран приводит к необратимым изменениям и гибели клеток.
Размеры катастрофы, к которой приводит свободнорадикальное окисление липидов, не исчерпываются приведенными фактами. Гипербарический кислород проникает всюду. Там, где есть субстрат (ненасыщенные жирные кислоты) и условия для радикалообразования, он запускает реакцию перексидации липидов.
Особенно опасно распространение свободнорадикального окисления на липидные компоненты мембран лизосом. Лизосомы, открытые в 1955 г. известным бельгийским ученым К. Де Дювом, содержат свыше 30 различных ферментов, принадлежащих к классу гидролаз и проявляющих максимальную активность в кислой среде. В лизосомах имеются ферменты, действующие чуть ли не на любые биологические субстраты. На белки и пептиды действуют катепсины, на нуклеиновые кислоты — нуклеазы, на различные углеводы — полиеахаридазы и глюкозидазы, на липиды — липазы и фосфолипазы и на другие соединения, имеющие эфирную связь, — сульфатазы, фасфатазы, эстеразы. При перфорации лизосомальных мембран хранящиеся в лизосомах ферменты выходят в цитоплазму и могут быстро переваривать белки до аминокислот и коротких пептидов, нуклеиновые кислоты — до нуклеозидов и неорганического фосфата, полисахариды — до моносахаридов, а липиды — до свободных, жирных кислот и других простых молекул (глицерин, неорганический фосфат и соединенный с ним спиртовой остаток). Очевидно, достаточно повреждения лизосом (или, как их назвал К. Де Дюв, «мешочков убийц»), чтобы вызвать серьезные нарушения клеточных структур или гибель клетки.
В какой-то степени клеточные структуры спасает от набега лизосомальных ферментов только то, что в лизосомальных мембранах свободнорадикальное окисление липидов течет медленнее, чем в других мембранах. Чаще всего «чужие» перекиси (нелизосомального происхождения) перебрасываются на мембраны лизосом, растворяют их и выпускают содержащиеся в лизосомах ферменты в цитоплазму.
Следовательно, ядовитые свойства кислорода могут быть в немалой степени обусловлены тем, что он является источником свободных радикалов, которые в свою очередь стимулируют переокисление липидов мембран и вызывают накопление токсичных продуктов перекисного окисления липидов.
Достаточно повреждающим агентам вызвать образование необходимого количества свободных радикалов, запускающих цепную реакцию перекисного окисления в мембранах, как процесс моментально разрыхляет структуру мембран, поскольку в них содержится в избытке субстрат перекисного окисления — ненасыщенных жирных кислот, и основной катализатор процесса кислородной интоксикации. В чистом виде, если так можно выразиться, «гипероксическая» гипоксия наблюдается при так называемой общетоксической форме отравления кислородом, когда по биохимическим показателям энергетического обмена обнаруживается постоянное нарастание гипоксических признаков с одновременным угнетением окислительной фазы метаболизма тканей.
С одной стороны, это ведет к относительному снижению образования CO2 в клетках, а с другой — к скоплению в них недоокисленных кислых веществ. Гемоглобин уже не участвует в переносе углекислоты из тканей в легкие, поскольку не играет роль буфера в поддержании кислотно-щелочного равновесия крови. Накопление углекислоты в крови и других кислых продуктов обмена снижает pH среды и создает угрозу для жизни организма.
Усугубляет картину отравления кислородом вазотропное влияние углекислого газа. В ответ на избыток кислорода возникает спазм сосудов. Это защищает клетки головного мозга от чрезмерного поступления кислорода и мешает развитию судорожного синдрома. Гиперкапния ведет к усилению церебрального кровотока. Кислород перенасыщает нервные клетки различных отделов головного мозга и способствует их возбуждению. Так что кажущееся защитное влияние больших концентраций CO2 при кислородных судорогах является ложным и на самом деле не предохраняет от летального исхода.
Очевидно, формируется своеобразный порочный круг процессов при действии больших давлений кислорода, когда вслед за парализирующим влиянием кислорода на метаболизм тканей появляется избыток CO2 и кислых веществ, усугубляющих нарушение функций органов.
Настораживают сдвиги свертывающей системы крови при больших давлениях кислорода. Если при лечебных режимах применения его существенных сдвигов не проявляется и даже повышается фибронилиз. Возникший локально (в мембранах одних органоидов) процесс перекисного окисления относительно легко распространяется на другие участки клетки с возрастающей скоростью.
Повреждение липидного слоя при переокислении, нарушающего нормальную деятельность биомембран (транспорт веществ, синтез макроэргических и других соединений), объясняет как многообразие возникших отклонений в обмене веществ, так и» универсальность патологического агента.
В целом механизм кислородного отравления на уровне клеток можно представить в виде цепи последовательных процессов, которые лавинообразно нарастают, вызывая патологию или даже гибель клетки.
В дополнение ко всему кислород расстраивает работу нейроэндокринной системы, обеспечивающей адекватную компенсаторную реакцию на факторы внешней среды. Сам кислород является чрезвычайным раздражителем («стресс»-агентом) и стимулирует функцию гипоталамо-гипофизарно надпочечниковой системы, играющей ведущую роль в развитии синдрома неспецифической адаптации.
Выделение гормонов коры и мозгового слоя надпочечников (глюкокортикоидов и катехоламинов) в этой чрезвычайной ситуации (постоянное присутствие стрессорного фактора — кислорода) имеет обратную сторону. Вместо защитной реакции возникает срыв адаптивных процессов («болезнь адаптации» по выражению Г. Селье). Более того, гормоны надпочечников, усиливая кровоток и, следовательно, механическую доставку к тканям растворенного в плазме кислорода, помогают насытить ткани кислородом и ускорить отравление. В результате такой «помощи» со стороны гормонов надпочечников быстрее наступают судороги и поражения легочной ткани.
Такова метаморфоза биологического эффекта кислорода: от ценнейшего лекарства (иногда необходимого по жизненным показаниям) до сильнейшего яда. Не случайно, клиническое применение кислорода требует определенного искусства и знания механизмов его положительного и отрицательного действия на организм, умения диагносцировать приближающуюся опасность.