Спорт-вики — википедия научного бодибилдинга
NEWS:

Материал из SportWiki энциклопедия
Перейти к: навигация, поиск

Связывание и транспорт кислорода в крови[править]

А. Кривая диссоциации O2: транспортная емкость по O2

Гемоглобин (Нb) - это белок красных кровяных клеток с молекулярной массой 64 500 кДа, осуществляющий транспорт O2. Нb участвует также в транспорте СO2 и является важным рН-буфером. НЬ представляет собой тетрамер, состоящий из 4 субъединиц (у взрослых: 98%: 2а + 2b = НМ; 2%: 2а + 2d = HbA2), каждая со своим гемом. Гем состоит из порфирина и Fe(ll). Каждый из четырех атомов Fe(ll) (связанный с одним гистидиновым остатком гемоглобина) обратимо связывается с молекулой O2. Этот процесс называется оксигенацией (не окислением!). НЬ в оксигемоглобин (Оху-Hb). Количество O2, связанного с НЬ, зависит от парциального давления O2 (PO2): кривая диссоциации кислорода (А, красная линия). Кривая имеет сигмоидальную форму, поскольку первоначально связанные молекулы O2 меняют конформацию тетрамера НЬ (положительная кооперативность) и таким образом увеличивают аффинность гемоглобина к O2-

При насыщении кислородом 1 моль тетрамерного НЬ соединяется с 4 молекулами O2, т. е. 64 500 г НЬ соединяется с 4 • 22,4 л O2. Таким образом, 1 г НЬ теоретически может транспортировать in vivo 1,39 мл O2, или 1,35 мл (число Хюфнера). Общая концентрация НЬ в крови ([Hb]total) в среднем составляет 150 г/л (с. 94), что соответствует максимальной концентрации O2 9,1 ммоль/л или 0,203 л O2А1 крови. Транспортная емкость крови по кислороду является функцией [Hb]tote/(A).

Содержание O2 в крови практически эквивалентно количеству О2, связанному с гемоглобином, поскольку только 1,4% O2 находится в растворе в виде свободных молекул кислорода при Pq2 13,3 кПа (А, оранжевая линия). Коэффициент растворимости кислорода (аO2) равен 10 мкмоль * л-1 • кПа-1, что в 22 раза меньше, чем асог.

Б. Кривая «диссоциация O2-насыщение O2»

Насыщение кислородом (SO2) - это доля Оху-Hb от [Нb]total, или отношение реальной концентрации O2 к транспортной емкости по O2. В норме для артериальной крови (PaO2 = 12,6 кПа или 95 мм рт. ст.) SO2 достигнет плато насыщения примерно при 0,97, тогда как для смешанной венозной крови [PvO2 = 5,33 кПа или 40 мм рт. ст.) SO2 все еще только 0,73. SO2 для вен в разных органах сильно варьирует.

В. Кривые диссоциации O2 и угарного газа (СО)

Диссоциация O2 не зависит от общего содержания гемоглобина, что видно из графика (Б). Изменения сродства O2 к гемоглобину можно легко оценить по смещению кривой диссоциации O2. Смещение кривой вправо означает уменьшение сродства, а смещение влево - его увеличение (плато удлиняется, а кривая вначале имеет большую крутизну). Смещение влево вызывается увеличением pH (со снижением/без снижения PСO2) и/или уменьшением РСO2, температуры и содержания 2,3-бис-фосфоглицерата (БФГ; в норме 1 моль БФГ/моль тетрамера НЬ). Смещение вправо происходит из-за уменьшения pH и/или увеличения РСO2, температуры и 2,3-БФГ (Б). Давление полунасыщения 5 или P50) O2 (Б, прерывистая линия) - это такое давление PO2, при котором SO2 = 0,5, или 50%. P0.5, в норме составляющее 3,6 кПа или 27 мм рт. ст., является критерием того, произойдет сдвиг кривой вправо (P0,5↑) или влево (P0,5↓)- Смещение кривой диссоциации O2 из-за изменений pH и РСO2 называется эффектом Бора. Сдвиг кривой вправо означает, что из периферической крови (pH↓, РСO2 ↑) могут поглощаться большие количества O2 без снижения PO2, что является движущей силой диффузии O2 (Б, прерывистая линия). Высокое сродство к O2 в легочных капиллярах затем устанавливается заново (pH ↑, РСO2↓) - Сдвиг кривой влево бывает полезен, когда снижено PAO2 (например, при высотной гипоксии), т. е. в ситуации, когда насыщение артерий кислородом наблюдается левее плато SO2.

Миоглобин представляет собой Fe(II)-содержащий мышечный белок, который служит для кратковременного запасания O2. Поскольку это мономер (нет положительной кооперативное™), его кривая диссоциации O2 при низких PO2 гораздо круче, чем аналогичная кривая для НЬ (В). Кривая диссоциации O2 фетального гемоглобина (2а + 2у = HbF) также достаточно крутая, и в пупочной вене эмбриона могут быть достигнуты Яд2 от 45 до 70%, несмотря на низкое давление PO2 (3-4 кПа или 22-30 мм рт. ст.) в материнской плацентарной крови. Это существенно, поскольку у эмбриона концентрация [Нb]total =180 г/л. Кривая диссоциации монооксида углерода (СО) имеет очень крутой наклон. Таким образом, даже незначительные количества СО во вдыхаемом воздухе вызывают диссоциацию O2 из НЬ. Это может привести к отравлению СО (В). Метгемоглобин Met-Hb (обычно 1% от НЫ образуется из гемоглобина при окислении Fe(ll) в Fe(lll) либо спонтанно, либо под действием эндогенных оксидантов. Met-Hb не может присоединять O2 (В). Редуктаза метгемоглобина восстанавливает Fe(lll) из Met-Hb в Fe(ll); дефицит этого фермента может вызывать метгемоглобинемию, приводя к неонатальной аноксии.

Транспортная система крови[править]

Источник:
«Спортивная энциклопедия систем жизнеобеспечения».
Редактор: Жуков А.Д. Изд.: Юнеско, 2011 год.

С точки зрения энергетики, функция крови — перенос кислорода к тканям и углекислого газа к легким, доставка субстратов к мышцам, перенос и утилизация метаболитов. Как известно, под влиянием длительной тренировки выносливости значительно (на 1-1,5 л) увеличивается объем циркулирующей крови. При этом, как правило, не наблюдается увеличения концентрации эритроцитов и величины гематокрита - показателей, определяющих кислородную емкость крови. Наоборот, в период интенсивных нагрузок может наблюдаться даже падение этих показателей. Снижение концентрации эритроцитов и величины гематокрита связывают как с подавлением кроветворной системы под действием предельных нагрузок, так и с адаптационным снижением вязкости крови, происходящим для облегчения работы сердца. Последнее предположение является сомнительным, поскольку не было найдено экспериментальных работ, подтверждающих снижение ударного объема (УО) и/или СВ вследствие физиологического увеличения гематокрита в изоволюмических условиях.

Напротив, существуют данные о том, что снижение концентрации гемоглобина до нормального уровня (140 г/л, изоволюмические условия) у акклиматизированных к высокогорью (9 недель; 5260 м над ур. моря) физически активных людей не приводит к увеличению максимального СВ и максимального УО, как в гипоксических, так и в нормоксических условиях. Это свидетельствует о незначительной роли изменений концентрации гемоглобина и вязкости крови как факторов, определяющих показатели центральной гемодинамики.

В исследовании, выполненном с участием высококвалифицированных бегунов, также было показано, что аутогемотрансфузия, приводящая к увеличению гематокрита с 46 до 51%, приводит к увеличению СВ за счет увеличения УО. При этом аутогемотрансфузия не оказывает влияния на максимальное артериальное давление и электрокардиографические показатели. Это свидетельствует о том, что эритроцитомия не оказывает отрицательного действия на работу сердца при максимальной нагрузке.

Косвенно отсутствие отрицательного влияния физиологического увеличения концентрации эритроцитов и величины гематокрита подтверждается широким распространением кровяного допинга в спорте.

Сердце и доставка кислорода к мышцам[править]

Как отмечалось выше, интегральным показателем, характеризующим производительность сердца, является максимальный СВ. Поскольку максимальная частота сердечных сокращений (ЧСС) у тренированных людей не отличается от этого показателя обычных людей, различие в величине сердечного выброса у двух контингентов определяется различием в УО сердца. УО сердца зависит от величины венозного возврата, объема камер сердца, силы, развиваемой миокардом, и сопротивления на выходе, которое определяется диаметром и эластичностью аорты и частично общим периферическим сопротивлением. У высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость, максимальный УО и СВ практически в два раза больше, чем у обычных людей, и достигают 200 мл и 40 л/мин, соответственно. По данным многочисленных исследований, СВ, размеры сердца и масса левого желудочка (расчетный показатель) связаны с величиной МПК и со спортивным результатом в видах спорта, требующих проявления выносливости.

В настоящее время основным методом измерения размеров сердца в покое является ультразвуковое исследование. Для измерения УО во время работы, в том числе и максимальной, наиболее надежными методами являются прямой метод по Фику и измерение УО с помощью дыхания газовой смесью, содержащей растворимый газ в закрытом или открытом дыхательном контуре.

У нетренированного человека УО растет при увеличении мощности вплоть до ЧСС 140—145 уд./мин. При дальнейшем увеличении мощности УО выходит на плато и начинает снижаться при достижении максимальной аэробной мощности (мощность на уровне МПК). Выход на плато и снижение УО связывают с дефектом диастолы, а также с неадекватным венозным возвратом (механизм ФранкаСтарлинга). Дефект диастолы может проявляться при высокой ЧСС, когда длительность диастолы становится недостаточной для адекватного кровоснабжения миокарда. Следствием этого будет снижение силы сокращения миокарда и в результате снижение УО, а возможно, и прекращение прироста ЧСС в ответ на дальнейший прирост нагрузки. Значимость величины венозного возврата для УО показана в экспериментах на собаках с удаленной селезенкой. Предрабочее увеличение объема крови посредством введения декстрана также приводит к увеличению СВ на 20-30%. Аналогичные результаты были получены и в экспериментах с увеличением объема плазмы у нетренированных людей и высокотренированных велосипедистов.

У высокотренированных спортсменов рост УО во время теста с повышающейся нагрузкой наблюдается вплоть до отказа от работы, что свидетельствует об уникально высокой производительности сердца, при этом ЧСС не выходит на плато и также растет вплоть до отказа от работы.

В литературе описаны многочисленные экспериментальные данные, показывающие, что производительность сердца является одним из ключевых моментов, лимитирующих величину МПК организмом - одного из наиболее часто используемых интегральных показателей аэробной работоспособности. Так, в экспериментах со снижением объема циркулирующей крови, приводящим к снижению УО, наблюдается снижение МПК и максимальной аэробной мощности в вело-эргометрическом тесте. Использование бета-блокаторов перед велоэргометрией снижает максимальный СВ, кровоток в ногах, а также МПК. Увеличение доставляемого кислорода может быть достигнуто без увеличения СВ, посредством дыхания гипероксической газовой смесью. Как правило, дыхание гипероксической газовой смесью (F102 = 1,0) приводит к увеличению МПК на 5-10% у нетренированных людей во время глобальной работы и пикового ПК тканями ноги, измеренного прямым методом во время разгибания ноги в коленном суставе и велоэргометрии.

Целый ряд экспериментов, направленных на изучение лимитирующей роли доставки кислорода сердцем для величины МПК, был проведен при сравнении модели локальной и глобальной мышечной работы. В основу этих экспериментальных работ легло предположение, что при работе локальной мышечной группой (например, сгибание руки в локтевом суставе или разгибание ноги в коленном суставе) возможности организма по доставке кислорода, определяемые СВ, заведомо больше способности данной мышечной группы к утилизации кислорода. После длительной аэробной тренировки мышц-разгибателей коленного сустава одной ноги увеличились общее пиковое ПК и пиковая мощность при работе одной ногой на 16 и 13%, соответственно. Это объясняется, главным образом, увеличением кровотока в ноге и повышением утилизации кислорода. Однако при глобальной работе (велоэргоме-трия) МПК не изменяется, поскольку тренировка в режиме локальной работы не приводит к увеличению максимального Св. Это подтверждает ключевую роль производительности сердца/кровотока как факторов, лимитирующих МПК. Эту же точку зрения подтверждают эксперименты с длительной велоэргометрической тренировкой. В этом случае тренируются не только окислительные возможности мышц ног, но и сердце. После тренировки при работе руками в тесте с возрастающей нагрузкой зарегистрировано сходное увеличение пикового ПК и Св.

Значимость фактора доставки кислорода как лимитирующего пиковое потребление кислорода рабочей мышечной группой (мыш-цы-разгибатели голени) у квалифицированных велосипедистов продемонстрирована при сопоставлении локальной и глобальной работы. Расчетные данные показали, что удельное ПК в мышце при локальной и глобальной работе различается практически в два раза. Несмотря на допущения в методике измерения ПК и расчете удельного ПК, этот результат свидетельствует о значительной роли фактора доставки для определения МПК в мышце у тренированных людей.

Следует отметить, что не все экспериментальные работы однозначно свидетельствуют об увеличении МПК в мышце при увеличении фактора доставки кислорода. После длительной (5 недель) аэробной тренировки мышц-разгибателей голени одной ноги дыхание гипероксическои газовой смесью (F,02 = 0,6) приводит к увеличению доставки кислорода к рабочим мышцам по сравнению с контрольным тестом (после тренировочного цикла). Однако максимальная мощность в тесте с непрерывно возрастающей нагрузкой и МПК тканями рабочей ноги не увеличиваются. Одним из ключевых контраргументов против теории ограничения ПК только факторами доставки кислорода является тот факт, что даже у высокотренированных спортсменов на уровне МПК не наблюдается полной экстракции кислорода из крови. В венозной крови, оттекающей от рабочей мышцы, парциальное давление кислорода у тренированных спортсменов составляет 10—20 мм рт. ст. Можно предполагать, что по крайней мере у высокотренированных спортсменов это не связано с лимитирующей ролью суммарной окислительной способности митохондрий, поскольку, как уже упоминалось выше, увеличение доставки кислорода увеличивает его потребление. Возникает вопрос: почему не происходит полной утилизации кислорода из капиллярной крови и с чем это связано?

Транспорт кислорода из капилляра к митохондрии[править]

Последовательность транспорта кислорода от эритроцита до митохондрии включает диссоциацию кислорода от гемоглобина, диффузию через эндотелий, интерстиций и клеточную мембрану, связывание с миоглобином и последующую диссоциацию и диффузию через митохондриальную мембрану.

Транспорт кислорода из капилляра к митохондрии характеризуется диффузионной способностью мышц. Диффузионная способность мышц п это интегральный показатель, который зависит не только от пропускной способности клеточных мембран, но и от параметров доставки и утилизации кислорода.

Факторы, определяющие диффузионную способность мышц. Градиент парциального давления кислорода между плазмой крови и миоплазмой играет важную роль в процессе переноса кислорода. Парциальное давление кислорода в мышечной клетке при максимальной аэробной нагрузке у человека составляет около 3 мм рт. ст. Среднее парциальное давление кислорода в капилляре, полученное расчетным путем, у тренированных людей во время глобальной работы составляет 36-40 мм рт. ст. То есть градиент давления практически полностью определяется средним парциальным давлением кислорода в капилляре. На величину среднего парциального давления кислорода в капилляре влияет скорость доставки крови/кислорода, т.е. величина насыщения гемоглобина кислородом в артериальной крови и скорость кровотока.

С другой стороны, увеличение скорости кровотока неизбежно должно привести к снижению транзитного времени пребывания эритроцита в зоне газообмена (в капилляре). Скорость диссоциации определяется градиентом давления кислорода между гемоглобином и плазмой крови в соответствии с кривой диссоциации гемоглобина. В плазме крови и интерстиции нет молекул-переносчиков кислорода (кислородсвязывающих белков), которые могли бы быстро связывать свободный кислород. Поэтому процесс диссоциации кислорода от гемоглобина относительно медленный. Поскольку расчетная величина транзитного времени нахождения эритроцита в капилляре при максимальном кровотоке составляет всего 100—400 мс, снижение транзитного времени пребывания эритроцита в капилляре, происходящее при увеличении кровотока, действительно может быть основной причиной неполной утилизации кислорода из крови.

Другой важной составляющей, которая определяет диффузионную способность мышц, является площадь диффузионной поверхности. Теоретические расчеты показывают, что снижение контактной суммарной площади может привести к снижению диффузии кислорода. Суммарная площадь поверхности эритроцитов больше, чем суммарная площадь стенок капилляров. На электронно-микроскопических снимках видно, что суммарная площадь поверхности митохондрий в «красной» мышце (т. gracilis) собаки в 200 раз превосходит суммарную площадь капиллярных стенок. Это свидетельствует в пользу того, что ключевая роль в ограничении диффузионной площади принадлежит суммарной площади стенок капилляров, приходящихся на одно волокно, или количеству капилляров, приходящихся на волокно. Так, опыты с мышцами собаки, подвергшимися аэробной тренировке, гипокинезии и не подвергавшимися экспериментальным воздействиям, показали, что МПК мышцей зависит от количества капилляров на волокно и не зависит от диффузионного расстояния и от капиллярной плотности. Косвенно данные результаты подтверждаются тесной взаимосвязью между МПК организмом млекопитающих и количеством капилляров, приходящихся на волокно.

Роль миоглобина в увеличении диффузионной способности мышц. Известно, что если миоглобин теряет способность к связыванию кислорода, происходит снижение ПК мышцей. В экспериментах in situ на т. gracilis собаки методом криоспектроскопии было измерено парциальное напряжение кислорода, связанного с миоглобином, во время интенсивной работы с постоянной мощностью (-70% от МПК). К 30-й секунде работы среднее парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, достигло минимального значения - 6,7 мм рт. ст. Авторы отмечают, что при этом во всех из 1950 обследованных мышечных клеток парциальное давление кислорода было в несколько раз выше критического (0,5 мм рт. ст.). На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что миоглобин является достаточно емким буфером кислорода. Это играет важную роль в начальный период (первые 20-30 с) высокоинтенсивной работы, когда показатели мышечного кровотока и экстракции кислорода еще не вышли на необходимый уровень. С другой стороны, значительное снижение (на 10 мм рт. ст.) парциального давления, связанного с миоглобином кислорода, в первые 30 с работы приводит к выраженному увеличению градиента кислорода между плазмой крови и миоплазмой и, следовательно, к увеличению скорости диффузии кислорода.

Подытоживая приведенные выше сведения, можно сказать, что наибольшее сопротивление для диффузии кислорода от гемоглобина до митохондрии находится где-то между молекулой гемоглобина и миоплазмой на относительно коротком расстоянии (2-3 мкм). Именно на этом участке наблюдается наиболее высокое соотношение поток диффундирующего кислорода/площадь газообмена. Как отмечалось выше, появление этого функционального барьера обусловлено взаимодействием гемодинамики и химических процессов. Данная точка зрения также подтверждается некоторыми модельными экспериментами.

Теория диффузионного ограничения максимального потребления кислорода мышцей. Значимость показателя диффузионной способности мышц подтверждается как модельными исследованиями, так и экспериментальными работами. В эксперименте на мышцах собаки {т. gastrocnemius) in situ пытались определить влияние фактора диффузии кислорода в мышце на величину МПК мышцей.

Проводили увеличения градиента кислорода на участке капилляр - митохондрия посредством сдвига кривой диссоциации гемоглобина вправо, при этом и в контрольном опыте, и в эксперименте величина доставки кислорода была одинаковой. Увеличение градиента кислорода между капилляром и митохондрией сопровождалось увеличением величины экстракции, что привело к увеличению МПК мышцей с 11,8 до 14,2 мл 02 на 100 г в минуту. Сходный по организации эксперимент был проведен на изолированной мышце собаки (т. gastrocnemius).

В эксперименте с локальной работой - разгибанием ноги в коленном суставе - у тренированных спортсменов можно измерить (in vivo) парциальное давление кислорода в артериальной и венозной крови, кровоток и парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, как в нормоксических, так и в гипоксических условиях. Гипоксия (F102—0,12) привела к снижению максимальной мощности и МПК. При сопоставлении физиологических параметров при одинаковой мощности в гипоксических и нормоксических условиях оказывается, что, несмотря на то, что при гипоксии парциальное давление кислорода в артериальной крови падает (с 115 до 46 мм рт. ст.), доставка кислорода к мышце остается неизменной за счет компенсаторного увеличения кровотока. Парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, при отказе от работы составляет 3,1 и 2,3 мм рт. ст., соответственно. Таким образом, возможность увеличения МПК мышцей в условиях нормоксии теоретически может быть связана с увеличением скорости диффузии кислорода в мышце как за счет увеличения площади газообмена (увеличения количества открытых капилляров), так и за счет увеличения градиента кислорода между капилляром и миоплазмой.

Утилизация кислорода[править]

Рис. 1. А. Зависимость между потреблением кислорода в культуре клеток почки и парциальным давлением кислорода в цитоплазме. Источник: Wilson D.F., Erecinska М., Drown С. et al. (1977). Effect of oxygen tension on cellular energetics. Am. J. Physiol., 233(5):135-140. Б. Зависимость между потреблением кислорода работающими мышцами ноги и парциальным давлением связанного с миоглобином кислорода (m. vastus lateralis человека). Цифрами на графике обозначена доля кислорода во вдыхаемом воздухе (F102).Источник: Richardson R.S., Grassi В., Gavin Т.Р. et al. (1999). Evidence of 02 supply-dependent V02 max in the exercise-trained human quadriceps. J. Appl. Physiol., 86(3):1048-1053

Для того чтобы говорить об утилизации кислорода митохондриями, необходимо выяснить, существуют ли в мышечном волокне во время работы аноксические зоны. В начале прошлого века Крогом была выдвинута идея о том, что парциальное напряжение кислорода внутри мышечного волокна зависит от его расположения относительно капилляра (зоны газообмена). Это привело к созданию концепции цилиндра Крога с зонами неадекватного обеспечения кислородом в центре волокна.

Однако данные последних лет опровергают эту гипотезу. Такие данные получены при измерении парциального давления связанного с миоглобином кислорода в «красной» мышце собаки (m. gracilis) с помощью метода криоспектроскопии. Среднее парциальное давление кислорода в мышечных волокнах при работе на уровне МПК равно 1-2 мм рт. ст., что в несколько раз выше критического уровня (0,1—0,5 мм рт. ст.). Более того, не удается обнаружить значимой гетерогенности парциального давления кислорода в различных локусах мышечной клетки при работе на уровне МПК, как в поперечном разрезе, так и вдоль мышечного волокна. Таким образом, продемонстрировано отсутствие зависимости между диаметром мышечного волокна (27-74 мкм) и градиентом давления кислорода внутри клетки. Однако в волокнах некоторых мышц при работе на уровне МПК удается обнаружить гипоксические зоны, в которых парциальное давление кислорода находится около верхней границы критического уровня. Общее число таких волокон может составлять около 2% и не влияет ни на динамику ПК мышцей, ни на развиваемую мышцей силу.

Сходный результат получен в опытах in vivo при оценке напряжения кислорода в миоглобине у тренированных спортсменов и нетренированных людей с помощью 1Н магниторезонансной спектроскопии во время локальной работы - разгибании ноги в коленном суставе. В работающих на уровне МПК m. quadriceps femoris и m. triceps surae среднее парциальное давление связанного с миоглобином кислорода составляет около Змм рт. ст., что значительно выше критического уровня. К сожалению, такие исследования выполнены лишь при локальной работе, что не позволяет напрямую экстраполировать результаты по парциальному давлению связанного с миоглобином кислорода на условия глобальной работы.

ПК клеткой зависит от окислительных возможностей, т.е. от объемной плотности митохондрий и активности окислительных ферментов в них. Объемная плотность митохондрий и активность окислительных ферментов в скелетной мышце в результате длитель