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氧是正常生命活动不可缺少的物质，参与机体的生物氧化过程。成人在静息状态下，每分钟耗氧量约为250ml；剧烈运动时，耗氧量增加近12倍。但人体内氧储量极少，只能依赖外界环境供给氧，并通过呼吸、血液、循环系统不断地完成氧的摄取和运输，以保证细胞生物氧化的需要。如果组织得不到正常的氧气供应，或者不能充分利用氧来进行代谢活动，组织的代谢、功能，甚至形态结构都可能发生异常变化，这一病理过程称为缺氧（hypoxia）。缺氧可能是全身性的，也可能是局部性的。缺氧是医学中最具有普遍意义的共性问题之一，在许多疾病的发病机制中，都涉及缺氧问题，如休克、呼吸功能不全、心功能不全、贫血等，都可以引起缺氧；急性高原病、高空飞行、潜水作业、密闭舱或坑道内作业，如果处理不当或发生意外，都可能发生缺氧。所以，研究缺氧发生和发展的规律以及缺氧所引起的病理生理变化，对缺氧的防治具有重要的意义。
机体对氧的感受分为两个方面：颈动脉体与主动脉体化学感受器和细胞对氧的感知。在颈总动脉分叉处有颈动脉体，在主动脉和肺动脉之间的组织中有分散的主动脉体，均为直径12mm的球形小体。颈动脉体的传入纤维走行于窦神经中，加入舌咽神经，进入延髓后在孤束核换元。主动脉体的传入纤维在迷走神经中，进入延髓后也在孤束核换元。细胞水平的氧感受器为脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）与缺氧诱导因子的抑制因子（FIH），下面分别简要介绍。
颈动脉体和主动脉体对动脉血液化学成分的变化（缺氧、二氧化碳分压升高和H + 浓度升高等）敏感而发生兴奋，引起冲动发放，因此称为化学感受器。正常条件下，人体动脉血氧分压维持在100mmHg，化学感受器发放的神经冲动较少；当动脉血氧分压维持降至60～80mmHg时，化学感受器发放的神经冲动明显增加。在实验条件下，人为地保持呼吸频率和深度不变，刺激颈动脉体化学感受器可引起心率减慢、心输出量减少、冠状动脉舒张、骨骼肌、腹腔内脏及肾脏的血管收缩、肾上腺髓质分泌肾上腺素增加。但在自然呼吸条件下，刺激颈动脉体化学感受器会引起呼吸中枢兴奋，呼吸运动加深加快，以致造成过度通气，加之肺牵张感受器的传入冲动增多，使心迷走中枢抑制，反射性地引起呼吸、心率加快；另一方面，血液中氧含量降低以及儿茶酚胺浓度升高，又可直接使血管平滑肌收缩。因此，在完整机体内，颈动脉体化学感受器兴奋引起的心血管反射效应总的结果是：心率加快、心输出量增加，脑和心脏的血流量增加，而腹腔内脏和肾脏的血流量减少血压升高。刺激主动脉体化学感受器引起的反应与上述颈动脉体化学感受性反射的表现相似，但其呼吸反应较弱而心血管反应较强。
一般认为，颈动脉体和主动脉体化学感受性反射的生理意义主要是调节呼吸运动，在正常情况下对心血管活动无明显的调节作用，只有在低氧、窒息、动脉血压过低（低于60mmHg）或酸中毒等病理情况下才发生作用。化学感受性反射对心血管活动的调节，主要是对心脏输出的血量进行重新分配：内脏、静息肌肉等处的血管收缩，血流量减少；心、脑等重要器官的血流量并不减少或反而有所增多，以在缺氧等情况下血液首先供应最重要的器官，如心、脑等。总之，颈动脉体与主动脉体化学感受器是机体在整体水平感受氧与其他重要化学物质变化的感受器。
除颈动脉体与主动脉体化学感受器外，细胞本身亦能感知氧的变化，并具备精密的调节机制。细胞水平的氧感受器为脯氨酸羟化酶（prolyl hydroxylase，PHD）与缺氧诱导因子的抑制因子（FIH），他们感知氧的变化而调节下游执行分子缺氧诱导因子（HIF）表达水平，从而实现对细胞的保护作用。
缺氧诱导因子（HIF）有三种异构体：HIF-1α、HIF-2α与HIF-3α。目前对HIF-3α的作用研究较少，HIF-1α与HIF-2α具有高度同源性，在急性缺氧期（＜24h），以HIF-1α表达增加与活性升高为主，慢性缺氧时HIF-2α表达与活性升高。HIF-1是一种异源二聚体，主要由120kD的HIF-1α和91～94kD的HIF-1β两个亚单位组成。HIF-1β亚基在细胞质中稳定表达，而HIF-1α亚基在翻译后即被泛素-蛋白酶水解复合体降解。因此，在正常氧饱和度下的细胞中基本检测不到HIF-1α亚基的表达，而在缺氧状态下，HIF-1α亚基的降解被抑制，1α和β亚基形成有活性的HIF-1，转移到细胞核内调节多种基因的转录。
生理条件下HIF-1α与HIF-2α蛋白含量较低的原因，是HIF-1α的第402/564位或HIF-2α的第405/531位脯氨酸被羟化酶（PHDs）羟基化，能被pVHL（von Hippel-Lindau）蛋白识别而结合，与pVHL相连接的E3泛素连接酶引起泛素化，最终被蛋白酶体降解。为了防止少量向核内转位的HIF-1α与HIF-2α激活转录，HIF抑制因子（FIH）可羟基化HIF第803位的天冬酰胺，阻止HIF-1/2α与核内HIF-1β结合形成异二聚体而启动缺氧响应元素（HRE），引起转录激活。PHDs与FIH均为氧感受器，当氧分压降低时，两类酶活性均被抑制，使HIF-1/2α不能被正常降解而集聚，并向核内转位，此时因转录抑制被解除，能与核内HIF-1β结合形成异二聚体激活转录。HIF-1/2α下游的靶基因多达百余个，在缺氧条件下，这些靶基因表达后的作用主要包括促进向无氧代谢转化、有利于调节细胞内pH值、促血管生成与阻止细胞凋亡等，对细胞发挥多方面的保护作用。William G.Kaelin Jr、Sir Peter J.Ratcliffe和Gregg L.Semenza因发现了细胞如何感知和适应氧气的可用性，获2019年度诺贝尔生理学或医学奖。
外界环境中的氧被吸入肺泡，弥散入血液，再与血红蛋白结合，由血液循环输送到全身，最后被组织细胞摄取利用。其中任一环节发生障碍都会引起缺氧。
根据缺氧的原因和血氧的变化，一般将缺氧分为四种类型。
以前被称为“低张性缺氧，或乏氧性缺氧”。是由于血液在肺内氧合不足，引起动脉血氧张力、血氧饱和度与氧含量降低的“低氧血症”（hypoxemia）。当吸入气氧分压降低或肺组织发生形态改变与功能障碍而影响正常气体交换时，皆可发生此类缺氧。
血液的携氧能力减弱时，尽管动脉血氧张力接近正常，但由于氧含量下降，即可导致缺氧。这种类型的缺氧可由贫血、一氧化碳中毒或高铁血红蛋白形成等因素使血红蛋白失去与氧结合的能力所引起。
由于通过组织的血流量减少所引起。局部性或全身性的血流量减少皆可导致这种类型的缺氧。前者如外周动脉痉挛、血管栓塞；后者如休克、心力衰竭与血管性晕厥等。因寒冷导致四肢血管收缩，亦可出现这类缺氧。
由于组织利用氧的能力发生障碍而引起。如氰化物中毒时，尽管向组织供给充足的氧，但由于细胞线粒体中的呼吸酶系被毒物抑制，而导致这种类型的缺氧。
（1）吸入气氧分压过低：
当海拔高度超过1200m，可引起这类缺氧，故也称为高原缺氧或高空缺氧。
（2）外呼吸功能障碍：
由肺的通气功能障碍或换气功能障碍所致，称为呼吸性缺氧。
（3）静脉血分流入动脉：
多见于先天性心脏病，如室间隔缺损伴有肺动脉狭窄或肺动脉高压时。
缺氧性缺氧时，动脉血的氧分压、氧含量和血红蛋白的氧饱和度均降低。发绀是缺氧的表现，但缺氧的患者不一定都发绀，如贫血性缺氧可无发绀；有发绀的患者也可以无缺氧，如红细胞增多症患者。
（1）贫血：
各种原因引起的严重贫血，使血红蛋白数量减少，血液携氧因而减少，从而导致的缺氧称为贫血性缺氧。
（2）一氧化碳中毒：
Hb与CO结合形成碳氧血红蛋白（HbCO），从而失去运氧功能。
（3）高铁血红蛋白血症：
较常见的是食用大量含硝酸盐的腌菜后，肠道细菌将硝酸盐还原为亚硝酸盐，亚硝酸盐吸收导致高铁血红蛋白血症，称为肠源性发绀。
（1）贫血性缺氧时，由于外呼吸功能正常，故动脉血氧分压及血氧饱和度正常，但因Hb数量减少或性质改变，使血氧容量降低，因而血氧含量也减少。
（2）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，在毛细血管动脉端PO 2 高，故O 2 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，PO 2 逐步下降，氧向组织弥散的速度逐步减慢，故组织获得的氧量取决于毛细血管中的平均氧分压与组织细胞的氧分压差。贫血的患者虽然动脉血PO 2 正常，其毛细血管床中平均血氧分压却低于正常，故使组织缺氧。
（3）贫血性缺氧的患者可无发绀。严重贫血的患者面色苍白，即使再加上缺氧性缺氧，毛细血管中脱氧血红蛋白仍然达不到5g/dl，故不会出现发绀；一氧化碳中毒者血液中碳氧血红蛋白增多，故皮肤、黏膜呈樱桃红色；严重缺氧时由于皮肤血管收缩，皮肤、黏膜呈苍白色。
循环停滞性缺氧可分为缺血性缺氧和淤血性缺氧。前者是由于动脉压降低或动脉阻塞使毛细血管床血液灌注量减少；后者则由于静脉压升高使血液回流受阻、毛细血管床淤血所致。
血流量减少可为全身性的，也可为局部性的。
（1）全身性循环性缺氧：
见于休克和心力衰竭。
（2）局部性循环性缺氧：
见于栓塞、血管病变如动脉粥样硬化或脉管炎与血栓形成等。局部血液循环障碍的后果主要取决于发生部位，心肌梗死和脑血管意外是常见的致死原因。
单纯性循环性缺氧时，动脉血的氧分压、氧饱和度和氧含量是正常的。由于血流缓慢，血液流经毛细血管的时间延长，从单位容量血液弥散给组织的氧量较多，静脉血氧含量降低，致使动、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。由于静脉血的氧含量和氧分压较低，毛细血管中平均脱氧血红蛋白可超过5g/dl，因而可引起发绀。
全身性循环障碍累及肺，如左心衰竭引起肺水肿或休克引起急性呼吸窘迫综合征时，则可合并呼吸性缺氧，使动脉血氧分压与氧含量低于正常。
（1）组织中毒：
如氰化物、硫化物、鱼藤酮等和有些药物使用过量，可引起组织中毒性缺氧，最典型的是氰化物中毒。
（2）细胞损伤：
如大量放射线照射、细菌毒素作用等可损伤线粒体，引起氧的利用障碍。吸入高压氧（氧分压超过半个大气压）可能通过氧自由基生成过多而损伤线粒体，从而导致氧的利用障碍。
（3）呼吸酶生成障碍：
硫胺素、烟酰胺、核黄素等维生素的严重缺乏可能导致氧的利用障碍。
组织中毒性缺氧时动脉血氧分压、氧饱和度和氧含量一般均正常。由于内呼吸障碍使组织不能充分利用氧，故静脉血氧含量和氧分压较高，动、静脉血氧含量差小于正常。
临床所见缺氧的原因往往不是单一的，常为混合性缺氧。例如感染性休克时主要是循环性缺氧，内毒素还可引起组织利用氧的功能障碍而发生组织中毒性缺氧，并发休克肺时可有呼吸性（低张性）缺氧。各型缺氧的特点见表1-4-2-1。
表1-4-2-1 各型缺氧的血氧变化
注：↓ 降低 ↑ 升高 N 正常
循环停滞性缺氧是临床最常见的一类缺氧，其对组织或器官的损伤，往往在缺血期较小，主要发生于缺血后的再灌注期，为了使高压氧在对缺血再灌注损伤治疗中具有更强的针对性，避免增加损伤，有必要对组织或器官的缺血再灌注损伤概况有所了解。
近年来，随着休克治疗的进步，如休克时微循环的疏通，冠状动脉痉挛的缓解等；一些新医疗技术的应用，如动脉搭桥术、溶栓疗法、经皮腔内冠脉血管成形术；以及心外科体外循环、心肺脑复苏、断肢再植和器官移植等方法的应用和推广，使许多组织器官缺血后重新得到血液灌注。多数情况下，缺血后再灌注可使组织器官功能得到恢复，损伤的结构得以重塑，患者病情好转康复；但是，有时缺血后再灌注，不仅不能使组织、器官功能恢复，反而会加重组织、器官的功能障碍和结构损伤。这种在缺血基础上恢复血流后组织损伤反而加重，甚至发生不可逆性损伤的现象称为缺血再灌注损伤（ischemia-reperfusion injury）。
现已证实，心、脑、肝、肾、肺、胃肠道、肢体及皮肤等多种组织器官都存在缺血再灌注损伤的现象。在对其发生机制的实验研究中发现，以无钙溶液灌流离体大鼠心脏2min后，再以含钙溶液灌流时，心肌电信号异常、心脏功能、代谢及形态结构发生异常变化，这种现象称为钙反常（calcium paradox）。预先用低氧溶液灌注组织器官或在缺氧条件下培养细胞一定时间后，再恢复正常氧供应，组织及细胞的损伤不仅未能恢复，反而更趋严重，称为氧反常（oxygen paradox）。缺血引起的代谢性酸中毒是细胞功能及代谢紊乱的重要原因，但在再灌注时迅速纠正缺血组织的酸中毒，反而加重细胞损伤，称为pH反常（pH paradox）。这些提示了钙、氧和pH可能参与再灌注损伤的发生发展。
并不是所有缺血的器官在血流恢复后都会发生缺血再灌注损伤，许多因素可以影响其发生及其严重程度，常见的影响因素如下：
首先影响再灌注损伤的是缺血时间。缺血时间短，恢复血供后可无明显的再灌注损伤，因为所有器官都能耐受一定时间的缺血；缺血时间长，恢复血供则易导致再灌注损伤。若缺血时间过长，缺血器官会发生不可逆性损伤，甚至坏死，反而不会产生再灌注损伤。例如，阻断大鼠左冠状动脉5～10min，恢复血供后心律失常的发生率很高。短于2min或超过20min的缺血，心律失常较少发生。另外，不同动物、不同器官发生再灌注损伤所需的缺血时间不同，小动物相对较短，大动物相对较长。如家兔心肌再灌注损伤所需的缺血时间一般为40min，全脑血流阻断一般为30min，肝脏一般为45min（部分肝血流阻断），肾脏一般为60min，小肠大约为60min，骨骼肌可达4h。
再灌注损伤与缺血时间的依赖关系，提示在缺血过程中组织发生的某些变化，是再灌注损伤发生的基础，再灌注损伤实质上是将缺血期的可逆性损伤，经恢复血流后进一步加重或转化为不可逆性损伤。
缺血后侧支循环容易形成者，可因缩短缺血时间和减轻缺血程度，不易发生再灌注损伤。
因氧易接受电子，形成的氧自由基增多，因此，对氧需求高的组织，容易发生再灌注损伤，如心，脑等。
研究发现，再灌注时的压力大小、灌注液的温度、pH值以及电解质的浓度都与再灌注损伤密切相关。再灌注压力愈高，造成的再灌注损伤愈严重；适当降低灌注液的温度、pH值，则能减轻再灌注损伤；减少灌注液中的Ca 2+ 、Na + 含量，或适当增加K + 、Mg 2+ 含量，有利于减轻再灌注损伤。
缺血再灌注损伤的发生机制尚未阐明。目前认为自由基的作用、细胞内钙超载和白细胞的集聚与激活是缺血再灌注损伤的重要环节。
黄嘌呤氧化酶（xanthene oxidase，XO）的前身是黄嘌呤脱氢酶（xanthine dehydrogenase，XD）。这两种酶主要存在于毛细血管内皮细胞内，正常时只有10%以XO的形式存在，90%为XD。缺血时，一方面由于ATP减少，膜泵功能障碍，Ca 2+ 进入细胞激活Ca 2+ 依赖性蛋白水解酶，使XD大量转变为XO；另一方面，ATP不能用来释放能量，并依次降解为ADP、AMP和次黄嘌呤，故在缺血组织内次黄嘌呤大量堆积。再灌注时，大量氧分子随血液进入缺血组织，黄嘌呤氧化酶再催化次黄嘌呤转变为黄嘌呤，并进而催化黄嘌呤转变为尿酸的两步反应中，都同时以分子氧为电子接受体，从而产生大量的O 2 ·和H 2 O 2 ，后者再在金属离子参与下形成更为活跃的·OH。因此，再灌注时组织内O 2 ·、·OH、H 2 O 2 等活性氧大量增加。
中性粒细胞（neutrophils）在吞噬活动时耗氧量显著增加，所摄取的氧绝大部分经细胞内NADPH氧化酶和NADH氧化酶的催化，接受电子型氧自由基，用以杀灭病原微生物。
如果氧自由基生成过多或机体清除自由基的酶系统活性不足生成抗氧化剂不足时，中性粒细胞形成的氧自由基就可损害组织细胞。缺血再灌注时，由黄嘌呤氧化酶的作用所产生的自由基起原发的、主要的作用，这些自由基作用于细胞膜后产生的物质如三烯及补体系统激活产生的C3片段等，具有很强的趋化活性，可吸引大量中性粒细胞集聚激活。尤其再灌注期间组织重新获得O 2 ，激活的中性粒细胞耗氧量显著增加，产生氧自由基，即呼吸爆发（respiratory burst）或氧爆发（oxygen burst），而进一步造成组织细胞损伤。
多数研究认为，细胞内钙超载发生在再灌注期，且是钙离子内流增加，而不是钙离子外流减少所造成的，主要原因是缺血再灌注引起Na + -Ca 2+ 交换蛋白反向转运增强。
缺血再灌注损伤的发生机制目前尚不十分清楚，故再灌注损伤的防治尚处于实验研究和临床试验观察阶段。目前认为，缺血再灌注损伤的防治应从以下几个方面着手。
这是预防再灌注损伤的首要环节。针对缺血原因，采取有效措施，尽可能在发生再灌注损伤所需的缺血时间之前恢复血流，减轻缺血性损伤，避免严重的再灌注损伤。在黄金时间窗口期应用高压氧治疗，可尽早恢复缺血组织器官的供氧，以减轻损伤。
采用适当低温、低压、低pH值、低流、低钙、低钠及高钾液灌注可减轻再灌注损伤。低压、低流灌注可避免原缺血组织中氧和液体量急剧增高而产生大量自由基及引起组织水肿；适当低温灌注有助于降低缺血组织代谢率，减少耗氧量和代谢产物的堆积；低pH值灌注可减轻细胞内液碱化，抑制磷脂酶和蛋白酶对细胞的分解，降低Na + -Ca 2+ 交换的过度激活；低钙液灌注可减轻因钙超载所致的细胞损伤；低钠液灌注有利于细胞肿胀的减轻；高钾液灌注能减轻因再灌注引起的原缺血组织大量钾的丢失程度。
缺血组织有氧代谢低下，酵解过程增强，因而补充糖酵解底物如酸己糖有保护缺血的作用；外源性ATP作用于细胞表面与ATP受体结合，可使细胞膜蛋白磷酸化，有利于细胞膜功能恢复，并可穿过细胞膜进入细胞直接供能；针对缺血时线粒体损伤所致的氧化磷酸化受阻，可以应用氢醌、细胞色素等进行治疗，延长缺血组织的可逆性改变期限。实验证明，细胞色素C能增加线粒体ADP磷酸化；醌类化合物则能加速电子传递或将电子直接传递给氢。当然，纠正酸中毒也是改善缺血组织代谢、减轻再灌注损伤的重要措施之一。
自由基的产生是有机体在正常或病理条件下的常见现象，在进化过程中也形成了一系列对抗自由基、防止其损伤的系统。这一防护系统主要有两大类：低分子自由基清除剂及酶性自由基清除剂。
（1）低分子清除剂：
①存在于细胞脂质部分的自由基清除剂，如维生素E（α生育酚）、维生素A（β胡萝卜素）等；②存在于细胞内外水相中的自由基清除剂，如半胱氨酸、维生素C（抗坏血酸）、还原型谷甘肽（GSH）和还原型辅酶Ⅱ（NADPH）等。这些自由基清除剂，能提供电子使自由基还原，如维生素E能还原O 2 ·、 1 O 2 及脂性自由基等；维生素C具有相同的作用，而且可协助维持维生素E处于有活性的还原状态；维生素A是 1 O 2 的有效清除剂并能抑制脂质过氧化，与维生素E有协同作用；细胞质中的GSH与NADPH在CAT、GSH-PX等抗氧化酶的协同作用下，能还原H 2 O 2 、过氧化脂质、二硫化物及某些自由基。
（2）酶性清除剂：
主要有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化氢酶（catalase，CAT）、谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH-PX）及铜蓝蛋白（ceruloplasmin）等。
以往的实验证明：在再灌注前或再灌注即刻使用钙通道阻滞剂（如维拉帕米等），可减轻再灌注期间细胞内钙超载和维持细胞的钙稳态，可根据病情适当选用。近年来，研究表明，应用Na + -H + 交换蛋白及Na + -Ca 2+ 交换蛋白抑制剂可以更有效地防止钙超载的发生。
采用中性粒细胞抗血清或抗中性粒细胞代谢药羟基脲，可明显缩小缺血再灌注后心肌的梗死面积。进一步研究表明，非甾体抗炎药物、脂氧化酶和环氧化酶抑制剂、前列环素及抑制中性粒细胞黏附的单克隆抗体均有减轻缺血再灌注损伤的作用。
有学者提出了细胞保护的概念，即某些因素或药物，不是通过改变器官组织的血流量，而是直接增强组织、细胞对内环境紊乱的耐受力而产生细胞保护作用。许多内、外源性细胞保护剂应用于缺血再灌注损伤，收到了良好的效果，如牛磺酸、金属硫蛋白等，具有抗脂质过氧化、调节Ca 2+ 及溶酶体膜的作用。
以往研究表明，缺血预处理（ischemic preconditioning，IPreC）对缺血再灌注损伤脏器有一定的保护作用，而且它的保护作用具有器官普遍性，其机制可能与其对“触发因子-调节介质-终末效应器”通路的影响有关。近年来，动物实验结果显示，缺血后处理（ischemic postconditioning，IPostC）对心肌及其他脏器缺血再灌注损伤也有较好的防治作用，其作用机制尚不清楚。另外，细胞间黏附分子单克隆抗体、肿瘤坏死因子单克隆抗体、甘露醇，前列腺素E及L-精氨酸等均有一定的抗缺血再灌注损伤作用。
对于一些可能遭受缺血再灌注损伤的患者，可提前采用高压氧治疗，在治疗出舱后的短时间内，产生一种相对缺氧状态，可能具有缺氧预适应的效果。
缺氧时机体的功能、代谢变化，包括机体对缺氧的代偿性反应和由缺氧引起的代谢与功能障碍。轻度缺氧主要引起机体代偿性反应，严重缺氧而机体代偿不全时出现的变化以代谢功能障碍为主。机体在急性缺氧与慢性缺氧时的代偿反应有区别，急性缺氧时机体的代偿以呼吸与循环系统代偿为主，慢性缺氧时，血液系统的改变在代偿中发挥重要作用。
（1）PaO 2 降低：
当动脉血氧分压低于60mmHg（8kPa）时，可刺激颈动脉体和主动脉体化学感受器，反射性地引起呼吸加深加快，从而使肺泡通气量增加，肺泡气氧分压升高，PaO 2 也随之升高。胸廓呼吸运动的增强使胸内负压增大，还可促进静脉回流，增加心输出量和肺血流量，有利于氧的摄取和运输。但过度通气使PaCO 2 降低，减低了CO 2 对延髓中枢化学感受器的刺激，可限制肺通气的增强。
（2）缺氧性缺氧所引起的肺通气变化与缺氧持续的时间有关：
肺通气量增加是对急性缺氧最重要的代偿性反应。此反应的强弱存在显著的个体差异，代偿良好者肺通气增加较多，PaO 2 比代偿不良者高，PaCO 2 也较低。贫血性缺氧和组织中毒性缺氧因PaO 2 不降低，故呼吸一般不增强；循环停滞性缺氧如累及肺循环（如心力衰竭引起肺淤血和肺水肿时），可使呼吸加快。
急性高空缺氧，如快速登上4000m以上的高原时，可在1～4d内发生肺水肿，表现为呼吸困难、咳嗽、血性泡沫痰、肺部有湿性啰音、皮肤黏膜发绀等。肺水肿影响肺的换气功能，可使PaO 2 进一步下降。PaO 2 过低可直接抑制呼吸中枢，使呼吸抑制，肺通气量减少，导致中枢性呼吸衰竭。
缺氧性缺氧引起的代偿性心血管反应主要表现为心输出量增加，血流分布改变，肺血管收缩与毛细血管增生。
（1）心输出血量增加：
可提高全身组织的供氧量，故对急性缺氧有一定的代偿意义。心输出量增加主要是由于：
1）心率加快：
缺氧时心率加快很可能是通气增加、肺膨胀对肺牵张感受器的刺激，反射性地兴奋交感神经引起的。
2）心肌收缩性增强：
缺氧作为一种应激原，可引起交感神经兴奋，作用于心脏β-肾上腺素受体，使心肌收缩性增强。
3）静脉回流量增加：
胸廓呼吸运动及心脏活动增强，可导致静脉回流量增加和心输出量增多。
（2）血流重新分布：
急性缺氧时，皮肤、腹腔器官因交感神经兴奋，缩血管作用占优势，使血管收缩；而心、脑血管因局部组织代谢产物的扩血管作用而出现血流量增加。这种血流分布的改变显然对于保证重要器官氧的供应是有利的。
（3）肺血管收缩：
肺血管对缺氧的反应与体血管相反。肺泡缺氧及混合静脉血的氧分压降低都引起肺小动脉收缩，从而使缺氧的肺泡血流量减少。由肺泡通气量减少引起的局部肺血管收缩反应有利于维持肺泡通气与血流的适当比例，使流经这部分肺泡的血液仍能获得较充分的氧，从而可维持较高的PaO 2 。
（4）毛细血管增生：
长期缺氧时，HIF-1α可促使血管内皮生长因子（VEGF）等基因表达增加，使毛细血管增生，尤其是脑、心和骨骼肌的毛细血管增生更显著。毛细血管的密度增加可缩短血氧弥散至细胞的距离，增加对细胞的供氧量。
严重的全身性缺氧时，心脏可受累，如高原性心脏病、肺源性心脏病、贫血性心脏病等，甚而发生心力衰竭。
缺氧可使骨髓造血增强及氧合血红蛋白解离曲线右移，从而增加氧的运输和Hb释放氧。
（1）红细胞增多：
慢性缺氧所致红细胞增多主要是骨髓造血增强所致。当低氧血流经肾时，能刺激肾小管旁间质细胞生成并释放促红细胞生成素，促使干细胞分化为原红细胞并促进其分化、增殖和成熟，加速Hb的合成，使骨髓内的网织红细胞和红细胞释放入血液。红细胞增多可增加血液的氧容量和氧含量，从而增加组织的供氧量。
（2）氧合血红蛋白解离曲线右移：
缺氧时，红细胞内2，3-DPG增加，导致氧解离曲线右移，即血红蛋白与氧的亲和力降低，易于将结合氧释出供组织利用。
脑重仅为体重的2%左右，而脑血流量约占心输出量的15%，脑耗氧量约为总耗氧量的23%，所以脑对缺氧十分敏感。脑灰质比白质的耗氧量多5倍，对缺氧的耐受性更差。急性缺氧可引起头痛，情绪激动，思维力、记忆力、判断力降低或丧失，运动不协调等。慢性缺氧者则有易疲劳、嗜睡、注意力不集中及抑郁等症状。严重缺氧可导致烦躁不安、惊厥、昏迷，甚至死亡。
在供氧不足的情况下，组织细胞可通过增强利用氧的能力和增强无氧酵解过程以获取维持生命活动所必需的能量。
（1）细胞利用氧的能力增强：
慢性缺氧时，细胞内线粒体的数目和膜的表面积均增加，呼吸链中的酶，如琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶可增加，使细胞的内呼吸功能增强。
（2）无氧酵解增强：
缺氧时，ATP生成减少，ATP/ADP比值下降，以致磷酸果糖激酶活性增强，该酶是控制糖酵解过程最主要的限速酶，其活性增强可促使糖酵解过程加强，在一定程度上可补偿能量的不足。
（3）肌红蛋白增加：
慢性缺氧可使肌肉中肌红蛋白含量增多。肌红蛋白和氧的亲和力较大。肌红蛋白的增加可能具有储存氧的作用。
（4）低代谢状态：
缺氧可使细胞耗能过程减弱，如蛋白质合成、葡萄糖合成、尿素合成、离子泵功能等均降低，使细胞处于低代谢状态，有利于在缺氧环境下生存。细胞内酸中毒可能是合成代谢降低的原因之一。
急性缺氧时以呼吸系统和循环系统的代偿反应为主。慢性缺氧者，主要靠增加组织利用氧的能力和血液运送氧的能力以适应慢性缺氧。
缺氧性细胞损伤主要为细胞膜、线粒体及溶酶体的变化。
（1）细胞膜的变化：
在细胞内ATP含量减少以前，细胞膜电位已开始下降，其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。
1）钠离子内流：
细胞内Na + 的增多促使水进入细胞，导致细胞水肿。
2）钾离子外流：
细胞内缺钾将导致合成代谢障碍，酶的生成减少，将进一步影响ATP的生成和离子泵的功能。
3）钙离子内流：
当严重缺氧使细胞膜对Ca 2+ 的通透性增高时，Ca 2+ 内流将增加。Ca 2+ 增多可抑制线粒体的呼吸功能；可激活磷脂酶，使膜磷脂分解，引起溶酶体的损伤及其水解酶的释出，从而增加自由基的生成，加重细胞的损伤。
（2）线粒体的变化：
严重缺氧首先影响线粒体外的氧利用，使神经递质的生成和生物转化过程等降低，当线粒体部位氧分压降到临界点＜1mmHg（0.1kPa）时，可降低线粒体的呼吸功能，使ATP生成更减少。
（3）溶酶体的变化：
缺氧时因糖酵解增强使乳酸生成增多、脂肪氧化不全，其中间代谢产物酮体增多，导致酸中毒。
除以上所述的神经、呼吸与循环系统功能障碍外，肝、肾、消化、内分泌等系统的功能均可因严重缺氧而受损害。
（余志斌）