贫血时，患者体内会发生一系列病理生理变化，有些是贫血造成组织缺氧的直接结果，有些则是对缺氧的生理性代偿反应。
(1)组织缺氧 红细胞是携氧和运氧的工具，每1克血红蛋白能与1.34毫升氧结合。它的主要功能是将氧从肺输送到全身组织，并将组织中的二氧化碳输送到肺，由肺排出。贫血时，血液总的携氧能力降低，输送至组织的氧因而减少，直接造成组织缺氧。这时毛细血管内的氧扩散压力过低，以致对距离较远的组织供氧不足，影响其正常的代谢活动。在正常情况下，靠近动脉一侧的毛细血管内的氧压力约为100毫米汞柱(mmHg)，而靠近静脉一侧的氧压力大约是80mmHg(肾)至0mmHg(心肌)。由于贫血而携氧能力降低，造成靠近静脉一侧毛细血管内的氧饱和度比正常要低。如果这时机体没有代偿作用或代偿功能不足，必然会使部分组织缺氧，从而影响各器官、组织的正常功能，随之产生许多系统的症状、体征，如最早出现疲倦、软弱、精神萎靡、四肢无力等症状。各器官、组织功能障碍的程度主要决定于它们需氧量的程度，心脏、中枢神经系统和全身骨骼肌肉需氧都比较高，缺氧的症状也就特别明显。
(2)生理性代偿反应 即使在组织缺氧的情况下，血红蛋白中的氧实际上并未完全被释放和利用。身体能发挥多种代偿机制以便充分利用血红蛋白中的氧，使组织尽量获得更多的氧气。
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