第二节 缺氧的类型、原因和发生机制

氧气经呼吸系统从外界摄入后弥散入血，经循环系统运输至全身组织细胞，供组织细胞利用氧。整个呼吸过程主要涉及“肺部摄氧—血液携氧—循环运氧—组织用氧”四个环节，其中任何一个环节发生障碍都可能导致缺氧。根据缺氧的原因和发病环节不同，通常将缺氧分为低张性缺氧、血液性缺氧、循环性缺氧和组织性缺氧四种类型。

一、低张性缺氧

低张性缺氧（hypotonic hypoxia）又称为乏氧性缺氧（hypoxic hypoxia），其主要特点为PaO2降低，使CaO2减少，组织供氧不足。

（一）原因和机制

1．吸入气氧分压过低

吸入气氧分压过低多见于海拔3000 m以上的高原或高空（表5-1），也可发生于通风不良的矿井、坑道，以及吸入被惰性气体或麻醉药过度稀释的空气时。此型缺氧称为大气性缺氧（atmospheric hypoxia）。由于空气中PO2低，氧含量少，使肺泡气和动脉血氧分压也随之降低，血液中的氧向组织弥散的速度减慢，从而引起组织细胞缺氧。

2．外呼吸功能障碍

由于肺通气功能障碍可引起肺泡气氧分压降低，肺换气功能障碍使经肺泡弥散到血液中的氧减少，动脉血氧分压和动脉血氧含量不足。此型缺氧又称为呼吸性缺氧（respiratory hypoxia）。（详见第十三章呼吸功能不全）

3．静脉血分流入动脉

静脉血分流入动脉多见于先天性心脏病，如法洛四联症。因室间隔缺损伴有肺动脉狭窄或肺动脉高压，导致右心的压力高于左心，出现右向左分流，未经氧合的静脉血直接掺入左心的动脉血中，导致PaO2降低。

（二）特点

（1）动脉血氧分压降低。氧摄入不足使动脉血氧分压降低，这是低张性缺氧的基本特征。动脉血氧分压一般要降至8.0 kPa（60 mmHg）以下才会引起组织缺氧。这是因为氧分压在8.0 kPa以上时，氧离曲线处于“S”形的平直段，氧分压的变化对血氧饱和度的影响很小。例如在海拔2000 m的高原上，随着大气压的降低，肺泡气氧分压可降到10.7 kPa（80 mmHg）左右，但血氧饱和度却仅减少2%。又如轻度呼吸功能不全的患者，肺泡气氧分压若不低于8.0 kPa，血氧饱和度仍能维持在90%以上，从而保证了全身组织细胞氧的供应。然而，当氧分压低于8.0 kPa时，氧离曲线坡度转向陡直，此时氧分压只要略有降低，血氧饱和度、血氧含量就会显著下降。

（2）血氧容量正常。低张性缺氧时，血红蛋白的质和量无异常变化，故血氧容量正常。但慢性缺氧患者，可因红细胞和血红蛋白代偿性增加而使血氧容量增加。

（3）血氧饱和度降低。低张性缺氧时，动脉血氧分压降低，则血氧饱和度降低。

（4）血氧含量降低。动脉血氧分压降低时，与血红蛋白结合的氧量减少，以致动脉血氧含量降低。

（5）动-静脉血氧含量差减小。由于低张性缺氧时，动脉血氧分压降低，血氧含量减少，使同量血液向组织弥散的氧量减少，故动-静脉血氧含量差一般降低。当然，若慢性缺氧使组织细胞利用氧的能力代偿性增强，该指标可以变化不明显。

（6）皮肤、黏膜的颜色特点：正常情况下，毛细血管中脱氧血红蛋白平均浓度为26 g/L。动脉血氧分压降低时，氧合血红蛋白的浓度降低，脱氧血红蛋白的浓度增加。当毛细血管中脱氧血红蛋白的平均浓度达到或超过50 g/L时，暗红色的脱氧血红蛋白可使皮肤、黏膜呈青紫色，称为发绀（cyanosis）。低张性缺氧时，当动脉血氧分压降至6.7 kPa（50 mmHg），动脉血氧饱和度降至80%以下时，易出现发绀。发绀是缺氧的表现，在血红蛋白正常的人，发绀与缺氧同时存在，可根据发绀的程度大致估计缺氧的程度。但当血红蛋白过少或过多时，发绀与缺氧往往不一致。如重度贫血患者，血红蛋白可降至50 g/L以下，即使出现严重缺氧，也不会发生发绀；而红细胞增多症患者，血液中脱氧血红蛋白可超过50 g/L，虽然出现发绀，但可无缺氧的表现。

二、血液性缺氧

血液性缺氧（hemic hypoxia）是由于血红蛋白数量减少或性质改变，血液携带氧的能力降低或血红蛋白结合的氧不易释出，导致组织细胞供氧不足所引起的缺氧。此型缺氧由于物理状态溶解在血液中的氧未受影响，PaO2正常，故又称之为等张性低氧血症（isotonic hypoxemia）。

（一）原因和机制

1．血红蛋白数量减少

血红蛋白数量减少见于各种原因引起的严重贫血。由于血液中血红蛋白的数量减少，引起血氧容量和血氧含量均下降，从而导致组织细胞供氧不足，又称为贫血性缺氧（anemic hypoxia）。

2．血红蛋白性质的改变

（1）一氧化碳中毒：又称碳氧血红蛋白（carboxyhemoglobin, HbCO）血症。煤、汽油、煤油不完全燃烧时可产生大量一氧化碳（CO）气体，尤其在密闭环境中燃烧，更易造成CO聚积。CO与Hb的结合速率只有O2与Hb结合速率的1/10，但其解离速率却是O2与Hb解离速率的1/2100，故CO与Hb的亲和力比O2与Hb的亲和力高210倍。一旦Hb与吸入的CO结合，就能牢固形成碳氧血红蛋白，从而使血红蛋白失去携氧能力。当CO与血红蛋白分子的4个血红素亚基中的一个结合后，还会增加其余3个血红素亚基对氧的亲和力，使氧离曲线左移，氧合血红蛋白中的氧不易释出；对于尚未形成HbCO的红细胞来说，CO还能抑制红细胞内糖酵解，使2,3 DPG减少，氧离曲线左移，进一步加重组织缺氧。所以CO中毒既妨碍血红蛋白与氧的结合，又妨碍血红蛋白与氧的解离，危害极大。

（2）高铁血红蛋白血症：正常血红蛋白含有4个Fe2+血红素亚基，可与O2结合形成HbO2。Hb中的Fe2+在氧化剂的作用下可氧化成Fe3+，形成高铁血红蛋白（methemoglobin, HbFe3+OH），也称为变性血红蛋白或羟化血红蛋白。高铁血红蛋白中的Fe3+因与羟基牢固结合而失去携带氧的能力，且血红蛋白中的Fe2+部分氧化为Fe3+后还可增强剩余的Fe2+与氧的亲和力，使血红蛋白向组织细胞释放氧减少而加重组织缺氧。所以，高铁血红蛋白血症造成的缺氧比贫血造成的缺氧更为严重。高铁血红蛋白所占比例如超过血红蛋白总量的10%，就可有缺氧表现；达到30%～50%，则发生严重缺氧，表现为全身青紫、精神恍惚、意识不清、甚至昏迷。

生理状态下，血液中亦有不断形成的高铁血红蛋白，但含量极少，仅占血红蛋白总量的1%～2%。这是由于形成的高铁血红蛋白不断被血液中的还原剂如NADH、维生素C（抗坏血酸）、还原性谷胱甘肽还原为Fe2+血红蛋白。高铁血红蛋白血症可见于苯胺、硝基苯、亚硝酸盐等中毒。此外，磺胺类、高锰酸钾、非那西汀或硝酸甘油等也可导致高铁血红蛋白增多。新腌制的酸菜、变质的剩菜中含有较多的硝酸盐，人体在食用大量的腌菜后，腌菜中的硝酸盐被肠道细菌还原为亚硝酸盐，后者被吸收入血后作为氧化剂，引起血液中高铁血红蛋白明显增多，导致缺氧。

（3）血红蛋白与氧的亲和力异常增强：输入大量的库存血时，由于库存血液中红细胞的2,3 DPG含量较低，可使氧离曲线左移；输入大量碱性液体时，也可在短时间内使Hb与O2的亲和力增强。此外，一些血红蛋白分子病亦可使Hb与O2的亲和力异常增加，例如，α链第92位的精氨酸被亮氨酸取代时，Hb与O2的亲和力将比正常的Hb高几倍，使Hb结合的O2不易释出，引起组织缺氧。

（二）特点

（1）动脉血氧分压正常。血液性缺氧时，因吸入气的氧分压和外呼吸功能正常，所以动脉血氧分压正常。

（2）血氧容量和血氧含量降低。由于血红蛋白数量减少或者性质改变，因而血氧容量降低，血氧含量亦随之降低。但一氧化碳中毒时，将血液取出在体外用氧充分饱和后，测得的血氧容量是正常的，因为此时氧可完全取代一氧化碳，重新形成氧合血红蛋白。此外，血红蛋白与氧的亲和力异常增高时，其血氧容量和血氧含量一般维持正常。

（3）血氧饱和度正常。血氧饱和度的高低主要取决于血氧分压。在贫血性缺氧时，由于动脉血氧分压正常，血氧饱和度亦正常。但是，高铁血红蛋白血症和碳氧血红蛋白血症时血氧饱和度降低。

（4）动-静脉血氧含量差减小。毛细血管床中氧向组织、细胞弥散的动力是血液与组织、细胞之间的氧分压梯度。毛细血管动脉端血液氧分压较高，故O2向血管外弥散速度快；血液由动脉端流向静脉端时，血氧含量逐渐减少，氧分压逐步下降，氧向组织弥散的速度也逐步减慢。故组织获得的氧量取决于毛细血管血液中的平均氧分压与组织细胞的氧分压差。血液性缺氧患者的动脉血氧分压虽然正常，但血液携带的氧量减少，因此当血液向组织释放出少量氧后，动脉血氧分压迅速下降，使毛细血管的血氧分压与组织的氧分压梯度迅速降低，氧向组织弥散的速度迅速减慢，向组织细胞的供氧减少，从而导致组织细胞缺氧和动静脉血氧含量差低于正常。

（5）皮肤、黏膜的颜色特点：血液性缺氧时，患者的皮肤、黏膜颜色可随病因不同而异。严重贫血时，血红蛋白的量显著减少，患者表现为面色苍白。一氧化碳中毒时，因为血液中的碳氧血红蛋白呈现樱桃红色，致使患者的皮肤、黏膜也呈樱桃红色；但在严重缺氧时，由于皮肤血管收缩，皮肤、黏膜呈苍白色。高铁血红蛋白血症时，因高铁血红蛋白呈现咖啡色，故患者的皮肤、黏膜可呈咖啡色或类似于发绀的颜色。若因进食大量腌菜等导致大量血红蛋白氧化而引起高铁血红蛋白血症时，称为“肠源性发绀”（enterogenous cyanosis）；单纯由于血红蛋白与氧亲和力增高引起的缺氧，因毛细血管中脱氧血红蛋白的量少于正常，而无发绀发生。

三、循环性缺氧

由于血液循环发生障碍，组织器官血液灌流量减少引起的缺氧，称为循环性缺氧（circulatory hypoxia）或低动力性缺氧（hypokinetic hypoxia）。循环障碍可以是局部的（如血管狭窄或阻塞），也可以是全身的（如心力衰竭、休克等）。由于动脉狭窄或阻塞，致使毛细血管床血液灌流量减少而引起的缺氧称为缺血性缺氧（ischemic hypoxia）；由于静脉回流受阻，血流缓慢、微循环淤血而引起的缺氧，称为淤血性缺氧（stagnant hypoxia）。

（一）原因和机制

1．全身性循环性缺氧

全身性循环性缺氧常见于休克和心力衰竭。心力衰竭患者因心排血量减少，导致组织器官供血供氧量减少。严重时，患者可因心、脑、肾等重要器官衰竭而死亡。

2．局部性循环性缺氧

局部性循环性缺氧常见于动脉粥样硬化、血管痉挛或血栓形成等所致的血管狭窄或闭塞。由于各器官、组织局部供血不足，致使该血管提供营养的区域出现缺血、缺氧。局部血液循环障碍的后果主要取决于缺血发生的部位，如心肌梗死和脑血管栓塞是常见的致死原因。

（二）特点

（1）动脉血氧分压、血氧容量、血氧含量及血氧饱和度正常。由于氧的摄入及血液携氧功能未受影响，因此上述指标均正常。但因供给组织的血液量减少，组织细胞的供氧量存在不足。左心衰竭时常因肺部淤血和水肿影响呼吸功能，可出现动脉血氧分压、血氧含量及血氧饱和度降低，但这是因掺杂了低张性缺氧所致，而非循环性缺氧的直接效应。

（2）动-静脉血氧含量差增大。由于血流缓慢，血液流经毛细血管的时间延长，组织从单位容积血液中摄取的氧量增多，静脉血氧含量降低，导致动-静脉氧含量差大于正常。但是，单位时间内流过毛细血管的血量减少，故弥散到组织细胞的氧量减少，导致组织缺氧。

（3）皮肤、黏膜的颜色特点：由于组织从单位容积血液中摄取的氧量增多，毛细血管中脱氧血红蛋白的量增大，因此，循环性缺氧患者多有较明显的发绀。在休克的缺血性缺氧期，微血管持续收缩，表现为皮肤、黏膜苍白；但在进入淤血性缺氧期后，皮肤、黏膜表现为发绀。

四、组织性缺氧

细胞内平均氧分压约为3.1 kPa（23 mmHg）[0.7～5.3 kPa（5～40 mmHg）]，而只要有0.1～0.4 kPa（1～3 mmHg）的氧分压就能满足细胞代谢的需要。正常情况下，细胞内80%～90%的氧在线粒体内通过氧化磷酸化过程还原成水，并产生能量，其余10%～20%的氧在羟化酶和加氧酶的催化下，参与细胞核、内质网和高尔基体内的生物合成、物质降解及解毒反应。在组织供氧正常的情况下，因细胞不能有效地利用氧而发生的缺氧称为组织性缺氧（histogenous hypoxia）或氧利用障碍性缺氧（dysoxidative hypoxia）。

（一）原因和机制

1．组织中毒

氧是呼吸链的终末电子受体，许多毒性物质如氰化物（HCN、KCN、NaCN、NH4CN等）、砷化物、硫化氢、硫化磷等都可引起线粒体呼吸链损伤、电子传递障碍，从而导致组织利用氧障碍。其中以氰化物引起的组织中毒性缺氧最为典型。氰化物可通过消化道、呼吸道或皮肤进入体内，分解出的CN—可迅速与氧化型细胞色素氧化酶的Fe3+结合为氰化高铁细胞色素氧化酶（细胞色素aa3-Fe3+-CN），使之不能被还原成还原型细胞色素氧化酶（细胞色素aa3-Fe2+），不能向氧传递电子，导致呼吸链中断，组织不能利用氧。氰化物为剧毒药品，0.06g HCN即可致人死亡。硫化氢、砷化物和甲醇等中毒也是通过抑制细胞色素氧化酶而影响细胞的氧化过程。鱼藤酮和巴比妥等可抑制电子从NADH向CoQ传递；抗菌霉素A和苯乙双胍等可抑制电子从细胞色素b向细胞色素c传递，均可阻断呼吸链，引起中毒性缺氧。因此，毒性物质抑制细胞生物氧化引起的缺氧又称为组织中毒性缺氧（histotoxic hypoxia）。

2．细胞损伤

大量放射线照射、细菌毒素作用或吸入高压氧（氧分压超过半个大气压）等可通过生成过多氧自由基而损伤线粒体，引起氧的利用障碍；组织供氧严重不足，使细胞线粒体氧分压低于0.1 kPa（1 mmHg）时，也可抑制线粒体呼吸功能，甚至使其结构破坏，从而导致氧的利用障碍。

3．呼吸酶辅酶的严重缺乏

呼吸链的递氢体黄素酶的辅助因子为维生素B2, NADH和NADPH的辅助因子为烟酰胺（尼克酰胺），三羧酸循环中丙酮酸脱氢酶的辅酶为维生素B1。这些维生素的重度缺乏可造成呼吸酶功能障碍，从而引起组织细胞用氧发生障碍。

（二）特点

（1）动脉血氧分压、血氧容量、血氧含量和血氧饱和度均正常。组织性缺氧时，由于吸入气的氧分压、外呼吸功能和血红蛋白的质与量均正常，所以上述指标亦正常。

（2）动-静脉血氧含量差减小。由于内呼吸障碍使组织细胞不能充分利用氧，故静脉血氧分压及氧含量高于正常，动-静脉血氧含量差小于正常。

（3）皮肤、黏膜的颜色特点：由于组织用氧障碍，毛细血管中氧合血红蛋白增多，故组织性缺氧患者肤色可呈玫瑰红色或鲜红色。

上述四种类型的缺氧可以单独存在，但实际在临床上所见缺氧往往是两种或两种以上的缺氧同时存在或相继出现，所以常为混合性缺氧。如左心衰竭患者除了可引起循环性缺氧外，还可因肺淤血和肺水肿而影响呼吸功能，使PaO2降低，合并低张性缺氧；感染性休克时主要出现循环性缺氧，内毒素还可引起组织利用氧的功能障碍而发生组织性缺氧，并发休克肺时可合并低张性缺氧。即使是单纯的低张性缺氧，严重时也可造成细胞和线粒体损伤，继发组织性缺氧。四种类型缺氧的血氧指标及皮肤、黏膜的颜色变化特点见表5-2。