Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор литературы 9
1. Методы измерения аэробных возможностей 9
2. Нагрузочные тесты, используемые для изучения аэробных возможностей 12
3. Этапы доставки кислорода из атмосферного воздуха к митохондриям 14
3.1. Респираторная система 14
3.1.1. Артериальная гипоксемия 16
3.1.2. Рефлекторные взаимоотношения между дыхательной и сердечнососудистой системой 18
3.2. Система крови 20
3.3. Сердце и доставка кислорода к мышцам 21
3.4. Транспорт кислорода из капилляра к митохондрии 25
3.4.1. Факторы, определяющие диффузионную способность мышц 25
3.4.2. Теория диффузионного ограничения максимального потребления кислорода мышцей 28
4. Утилизация кислорода 31
5. Показатели, характеризующие аэробные возможности организма 36
5.1. Показатели, характеризующие максимальную производительность кислородотранспортной системы 37
5.2. Показатель максимального устойчивого состояния, определяемый по лактату крови 39
5.3. Показатели, косвенно оценивающие аэробно-анаэробный переход 43
6. Взаимосвязь анаэробного гликолиза и аэробных реакций 50
7. Резюме 54
CLASS ГЛАВА II. Организация и методы исследований 5 CLASS 5
1. Методы исследований 55
2. Протоколы нагрузочных тестов 59
3. Организация исследований 61
ГЛАВА III. Потребление кислорода организмом во время теста с повышающейся нагрузкой до отказа при работе большой и малой мышечной массы 65
Глава IV. Роль аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения мышечной деятельности в ограничении максимальной аэробной работоспособности у людей с
Различным уровнем тренированности 71
Глава V. Концентрация лактата при максимальной аэробной нагрузке и рост тренированности у высококвалифицированных спортсменов. Сопоставление Пано с морфометрическими характеристиками мышцы 77
Глава VI. Преимущественная гипертрофия мышечных волокон i типа при силовой тренировке с низкой нагрузкой без расслабления мышц 90
Заключение 101
Выводы по
Список литературы 111
- Методы измерения аэробных возможностей
- Рефлекторные взаимоотношения между дыхательной и сердечнососудистой системой
- Теория диффузионного ограничения максимального потребления кислорода мышцей
- Показатель максимального устойчивого состояния, определяемый по лактату крови
Введение к работе
Как известно, для мышечного сокращения требуется энергия, выделяемая при гидролизе молекулы АТФ. Запасов АТФ в мышечной клетке хватает всего лишь на 1-2 секунды максимальных сокращений, причем даже при многолетней физической тренировке концентрация АТФ в мышце практически не меняется (Ньюсхолм, Старт, 1977; Brooks и др., 1999а). Во время работы АТФ ресинтезируется в мышце за счет анаэробных реакций (расщепления креатинфосфата и анаэробного гликолиза) или за счет реакций окисления. Энергообеспечение работы продолжительностью более 3-4 минут происходит главным образом за счет аэробных реакций (Maughan, Gleeson, Greenhaff, 1997). Можно утверждать, что человек при прочих равных условиях (одинаковых морфо-антропометрических параметрах, одинаковой технике выполнения упражнения и одинаковой мотивации) будет развивать и поддерживать тем большую мощность работы, чем больше молекул АТФ будет гидролизировано и ресинтезировано за данный промежуток времени. Поэтому оценка интенсивности аэробных процессов во время работы представляет большой прогностический интерес для определения работоспособности организма.
Ограничение аэробной работоспособности связывают с низкой скоростью доставки кислорода к мышцам (Saltin, Calbet, 2006), недостаточными диффузионной способностью (Wagner, 2006) и окислительным потенциалом мышц (Hoppeler, Weibel, 1998) или чрезмерным накоплением метаболитов анаэробного гликолиза (Renaud, Allard, Mainwood, 1986). Система доставки и утилизации кислорода достаточно сложна и включает несколько этапов. Неудивительно, что не удается выделить единственную, "главную" причину, ограничивающую аэробную работоспособность людей разного уровня функциональной подготовленности. Проблема выявления факторов, ограничивающих аэробную работоспособность, становится особенно актуальной, когда речь идет о высоко тренированных спортсменах, работающих с предельным напряжением систем вегетативного обеспечения мышечной деятельности. Для правильной организации тренировочного процесса у этого контингента необходимо четко представлять
физиологические механизмы, ограничивающие рост аэробной работоспособности и иметь обоснованный алгоритм выбора методик тренировок, направленных на ее увеличение.
Цель работы.
Изучить факторы, ограничивающие аэробную работоспособность человека на уровне целого организма и отдельной мышцы.
Задачи исследования.
1. Изучить динамику потребления кислорода целым организмом и отдельной
мышцей во время теста с повышающейся нагрузкой при работе мышечных групп
различной массы (велоэргометрия и разгибание ноги в коленном суставе).
Оценить вклад аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения мышечной деятельности у людей с различным уровнем тренированности, в том числе у высококвалифицированных спортсменов. Выявить факторы, ограничивающие дальнейший рост аэробной работоспособности.
Исследовать возможность использования низкоинтенсивной силовой тренировки без расслабления мышц для преимущественной гипертрофии волокон I типа с целью увеличения аэробной работоспособности.
Объект исследования.
Скелетные мышцы и кардиореспираторная система у людей с различным уровнем тренированности при мышечной работе различной интенсивности.
Научная новизна.
1. Впервые продемонстрировано, что у тренированных людей во время
работы большой мышечной массы при достижении уровня порог анаэробного
обмена может происходить интенсификация анаэробного гликолиза без снижения
кровенаполнения работающей мышцы.
2. Впервые показано, что у высококвалифицированных спортсменов,
тренирующих выносливость, с ростом тренированности происходит снижение
концентрации лактата в крови при максимальной аэробной нагрузке, при этом потребление кислорода на уровне порога анаэробного обмена (ПАНО) может практически совпадать с максимальным потреблением кислорода..
3. У спортсменов, тренирующих выносливость, найдена корреляционная связь между аэробной работоспособностью и объемом волокон I типа в работающей мышце. Впервые показано, что преимущественной гипертрофии волокон I типа можно добиться с помощью низкоинтенсивной силовой тренировки без расслабления.
Теоретическая значимость.
Результаты данного исследования значительно расширяют современные представления о физиологических факторах, ограничивающих аэробную работоспособность людей с различным уровнем адаптации к физической нагрузке.
Практическая значимость.
Предложен основанный на методе инфракрасной спектрометрии способ оценки эффективности утилизации кислорода работающей мышцей.
Разработана методика специальной силовой тренировки для преимущественного увеличения размеров волокон I типа.
Предложен алгоритм выбора методик тренировок, направленных на увеличение аэробной работоспособности.
Основные положения, выносимые на защиту.
При работе большой мышечной массы рост потребления кислорода организмом и кровенаполнения отдельной работающей мышцы при увеличении мощности не ограничивается периферическими механизмами, а, по-видимому, определяется производительностью сердца.
У тренированных людей интенсификация анаэробного гликолиза, может происходить независимо от процесса доставки кислорода к мышце. У высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость,
концентрация лактата в крови при максимальной аэробной нагрузке снижается с ростом тренированности.
3. У спортсменов, тренирующих выносливость, аэробная работоспособность, оцениваемая по потреблению кислорода на уровне порога анаэробного обмена (ПАНО), связана с суммарным объемом мышечных волокон I типа в работающей мышце. Силовая тренировка с низкой нагрузкой без расслабления мышц приводит к преимущественной гипертрофии этих волокон.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях молодых ученых ГНЦ РФ - ИМБП РАН (Москва 2005, 2006, 2007); на XIX и XX съездах физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург 2004, Москва 2007); на III и IV Всероссийских с международным участием школах-конференциях по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва 2005, 2007); на 10-ом, 11-ом и 12-ом Ежегодных конгрессах Европейского колледжа спортивных наук (Белград, Сербия 2005, Лозанна, Швейцария 2006, Юваскуля, Финляндия 2007).
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая физиология и биология» Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН 28 мая 2007 года.
Методы измерения аэробных возможностей
Прямое измерение потребления кислорода по Фику. Потребление кислорода (ПК) равно произведению кровотока на артериовенозную разницу по кислороду в данной области. Локальный кровоток в исследуемой области определяют методами термоделюции, разведения метки (Andersen, Saltin, 1985; Knight и др., 1993) или с помощью ультразвуковых методик (DeLorey и др., 2004; Wray и др., 2005). Как правило, метод Фика используют для определения ПК в отдельной рабочей мышце (например, в изолированном препарате) или в отдельной области (например, в тканях ноги). Это является преимуществом данного метода. Недостатки метода это инвазивность и значительная методическая сложность проведения измерений, связанная как с процедурой катеризации артерии и вены, так и с методическими сложностями в определении локального кровотока и напряжения газа в пробах крови. К тому же если измерения проводятся не на изолированном препарате, то следует учитывать, что анализируемая венозная кровь поступает не только от рабочей мышцы, но и от неактивных тканей, что может искажать реальные результаты. Тем не менее, определение ПК по Фику активно используют в максимальных тестах при локальной (Richardson и др., 1995; Richardson и др., 1998а) работе (например, при разгибании ноги в коленном суставе) и при глобальной работе (велоэргометрия) (Knight и др., 1993).
Непрямая калориметрия (газоанализ вдыхаемого и выдыхаемого воздуха). Общее ПК пропорционально суммарному количеству АТФ, ресинтезированному за счет реакций окисления в организме. ПК рассчитывают как произведение показателя легочной вентиляции, приведенного к стандартным условиям, на разницу между долей кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе. Рассчитывая дыхательный коэффициент (отношение выделяемого углекислого газа к потребленному кислороду), можно определить какой субстрат используется в окислении. Затем, используя калорический эквивалент кислорода можно рассчитать количество энергии, полученной организмом за счет окисления данного субстрата (Beaver, Lamarra, Wasserman, 1981; Welch, Pedersen, 1981).
Достоинством этого метода является неинвазивность, простота в использовании и возможность проводить измерения практически при любом виде мышечной деятельности. Возможности использования метода существенно расширились с появлением портативных газоанализаторов. К недостаткам газоанализа следует отнести следующее. С помощью непрямой калориметрии можно оценить ПК и энерготраты только для целого организма. Это значит, что невозможно определить какая часть кислорода используется для обеспечения работы активных мышц, сердца, дыхательных мышц и остальных тканей. Это задача становится особенно актуальной при работе, в которой задействована небольшая мышечная масса. В этом случае потребление кислорода сердцем и дыхательными мышцами может вносить значительный вклад в величину общего потребления кислорода.
Ни Рмагниторезонансная спектроскопия позволяет неинвазивно оценить изменения в концентрации ионов водорода, неорганического фосфора, креатин фосфата и АТФ в конкретной области исследуемой ткани. Данный метод является эталоном для оценки изменений в энергетике макроэргов как в условиях покоя, так и при физической нагрузке. При некоторых условиях изменение концентрации креатин фосфата прямо пропорционально аэробному ресинтезу АТФ. Поэтому данный метод активно используют для оценки аэробного метаболизма (Taylor и др., 1983; Arnold, Matthews, Radda, 1984; Chance и др., 1985; McCully, Kent, Chance, 1989;Ноттаидр.,2005).
В настоящее время с помощью этого метода также выделяют сигнал, пропорциональный концентрации деоксигенированного миоглобина. Используя 6-10 минутную артериальную окклюзию в покое можно полностью исчерпать запасы кислорода в тканях. Это позволяет откалибровать нулевой уровень и рассчитать величину насыщения миоглобина кислородом и его парциальное давление, то есть парциальное давление кислорода в цитоплазме мышечной клетки (Richardson и др., 1999b). Изменение парциального давления кислорода и абсолютное значение этого показателя в цитоплазме (около митохондрии) являются характеристикой изменения соотношения доставка кислорода к митохондрии/утилизация кислорода митохондрией и критерием адекватности работы системы доставки кислорода к митохондрии (Richardson, Newcomer, Noyszewski, 2001; Chung и др., 2005). На фоне несомненных достоинств метода существенно ограничивают его применение очень большая стоимость оборудования и громоздкость прибора, а также сильное магнитное поле, создаваемое во время измерения.
Инфракрасная спектрометрия - это метод, основанный на том, что биологическая ткань проницаема для света в области, близкой к инфракрасной. Источник и приемник света располагаются на поверхности тела на расстоянии 3-5 см. Средняя глубина проникновения света будет равна половине расстояния между ними. Рассчитать изменения в концентрации кислорода в области измерения можно, используя различные длины волн в инфракрасной области (600-900 нм), при которых свет преимущественно поглощается при соединении некоторых белков (гемоглобин, миоглобин) с кислородом (Chance и др., 1992; Mancini и др., 1994; Grassi и др., 1999). Поскольку концентрация гемоглобина в несколько раз (в 4-5 раз) выше, чем миоглобина, то основные изменения, регистрируемые с помощью этого метода, будут связаны, прежде всего, с изменениями в оксигенации гемоглобина (Iran, Kreutzer, Jue, 1998). Регистрируемый сигнал будет содержать информацию о суммарном изменении оксигенации всех тканей, находящихся в области измерения.
При условии постоянной линейной скорости кровотока или при отсутствии тока крови (окклюзия) изменения в концентрации деоксигенированного гемоглобина будут прямо пропорциональны изменениям в ПК в измеряемой области. Суммируя изменения в концентрации оксигенированного и деоксигенированного гемоглобина, можно рассчитать изменения концентрации гемоглобина. Данный показатель отражает кровонаполнение измеряемой области (Binzoni и др., 1999; McCully, Hamaoka, 2000; Sako и др., 2001).
К достоинствам инфракрасной спектрометрии следует отнести неинвазивность, простоту в использовании и возможность проводить измерения практически при любом виде двигательной активности в лабораторных условиях. Недостаток метода - интегральность оценки оксигенации тканей, находящихся в области измерения. Например, значительная кожно-жировая прослойка может сильно искажать сигнал с активной мышечной ткани.
Рефлекторные взаимоотношения между дыхательной и сердечнососудистой системой
В экспериментах с моделированием рабочего дыхательного паттерна в покое было показано, что потребление кислорода дыхательными мышцами во время максимальной работы составляет 10% от максимального потребления кислорода (МПК) всем организмом. У тренированных атлетов потребление кислорода дыхательными мышцами достигает 15% от общего потребления кислорода (McParland, Mink, Gallagher, 1991; Johnson, Saupe, Dempsey, 1992; Aaron и др., 1992a; Aaron и др., 1992b). Сходные данные были получены при изучении распределения кровотока при максимальной нагрузке: на долю дыхательных мышц приходилось около 14-16 % от общего кровотока (Harms и др., 1998; Harms, Dempsey, 1999). Логично предположить, что конкурентные взаимоотношения при доставке кислорода могут возникнуть между дыхательными и рабочими скелетными мышцами только при работе максимальной или супрамаксимальной аэробной мощности. Действительно, снижение сопротивления на вдохе при субмаксимальной аэробной нагрузке (50% и 75% от МПК) не влияло на время работы до отказа. В то же время при мощности работы 90-100% от МПК уменьшение сопротивления на вдохе приводило к увеличению предельного времени работы у тренированных велосипедистов (Johnson и др., 1996; Harms и др., 1998; Wetter и др., 1999; Harms и др., 2000). Увеличение сопротивления на вдохе, напротив, снижало предельное время работы. Полученный результат авторы связывают, прежде всего, с перераспределением кровотока, возникающим во время максимальной легочной вентиляции.
В велоэгрометрическом тесте с возрастающей нагрузкой до отказа у квалифицированных велосипедистов во время максимальной нагрузки (90-100% от МПК) было продемонстрировано снижение кровотока в ногах за счет повышения периферического сопротивления (Harms и др., 1997). Увеличение сопротивления на вдохе во время максимальной аэробной работы приводило к дальнейшему увеличению периферического сопротивления мышц ног и к снижению кровотока и потребления кислорода (ПК) рабочими мышцами. Важно отметить, что при этом общее потребление кислорода всем организмом (МПК) не изменилось относительно контрольного теста. Снижение сопротивления, напротив, вызывало увеличение кровотока и ПК в мышцах ног. При этом общее потребление кислорода (МПК) даже несколько снизилось. Таким образом, была показана достоверная отрицательная корреляция (г= -0,77 - -0,84) между работой дыхательных мышц и кровотоком/потреблением кислорода в мышцах ног (Harms и др., 1997).
Повышение периферического сопротивления (снижение кровотока) в рабочих мышцах ног во время максимальной аэробной нагрузки связывают с перераспределением СВ за счет метаборефлекса, возникающего при накоплении метаболитов в диафрагме и других дыхательных мышцах при их утомлении (Harms и др., 1997; Виноградова и др., 2002). Механизм действия метаборефлекса представляется следующим: метаболиты (предположительно ионы водорода и лактат) раздражают свободные нервные окончания (афференты III и IV), расположенные в мышечном интерстиции. Это ведет к дополнительной активации симпатического отдела вегетативной нервной системы и увеличению симпатической нервной активности, адресованной сосудам мышц, что и приводит к прекращению дилятации и даже к констрикции сосудов рабочих мышц (Hussain и др., 1990; Rowell, O Leary, 1990; Hussain и др., 1991; Hill, 2000).
Гипотеза получила подтверждение в экспериментах с имитацией рабочего паттерна дыхания в покое. Имитация максимальной легочной вентиляции в покое или дыхание в покое против сопротивления вызывало констрикцию сосудов и увеличение периферического сопротивления мышц ног и снижение кровотока. Одновременно используя метод игольчатой микронейрографии удалось зарегистрировать увеличение симпатической нервной активности в п. peroneus (St Croix и др., 2000; Sheel и др., 2001; Sheel и др., 2002; Dempsey и др., 2002).
Прямое подтверждение работы метаборефлекса было продемонстрировано в исследованиях на собаках в условиях покоя и при работе. Введение в диафрагму молочной кислоты (через a. pherenica) привело к увеличению переферического сопротивления сосудов задней конечности и снижению кровотока. Данные изменения были вызваны изменением симпатической посылки. Это подтвердилось тем, что при фармакологической блокаде адренергических рецепторов не наблюдалось изменения сосудистого сопротивления и кровотока в задних конечностях в ответ на впрыскивание молочной кислоты в a. pherenica (Rodman и др., 2003).
Исходя из результатов экспериментальных работ, можно заключить, что респираторная система в некоторых случаях может косвенным образам ограничивать доставку кислорода к рабочим мышцам во время максимальной или супрамаксимальной аэробной работы, как за счет развития артериальной гипоксемии, так и за счет рефлекторного перераспределения кровотока между дыхательными и рабочими мышцами.
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 (Astrand и др., 2003). Наоборот, в период интенсивных нагрузок может наблюдаться даже падение этих показателей. Снижение концентрации эритроцитов и величины гематокрита связывают как с суппрессией кроветворного звена иммунной 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 УО и/или СВ вследствие физиологического увеличения гематокрита в изоволюмических условиях.
Теория диффузионного ограничения максимального потребления кислорода мышцей
Значимость показателя диффузионной способностьи мышц подтверждается модельными экспериментами (Wagner, 1996а; Wagner, 1996b). Авторы предположили, что максимальная способность митохондрий потреблять кислород больше максимального количества кислорода, доставляемого к мышцам. Это означает, что увеличение производительности на любом этапе кислородтранспортной системы должно привести к увеличению МПК мышцей. С помощью математической модели, описывающей основные этапы системы доставки кислорода, было показано, что во время максимальной аэробной нагрузки увеличение на 20% в отдельности альвеолярной вентиляции, скорости диффузии в легких, концентрации гемоглобина в крови, сердечного выброса и диффузионной способностьи мышц приводит к приросту потребления кислорода мышцей на 1,3%, 2,9%, 3,9%, 2,6%, 5%, соответственно. Наиболее значимая величина для прироста общего потребления кислорода - это диффузионная способность мышц. Этот вывод авторы объясняют тем, что при увеличении циркуляции помимо увеличения транспорта кислорода происходит снижение транзитного времени, как в легочных, так и в мышечных капиллярах. Это может привести к снижению оксигенации и деоксигенации гемоглобина, соответственно (Wagner, 2006).
Теоретические предположения подтвердились в ряде экспериментальных работ, проведенных как в условиях in situ на животных, так и in vivo с участием тренированных добровольцев.
В эксперименте на мышцах собаки (т. gastrocnemius) in situ пытались определить влияние фактора диффузии кислорода в мышце на величину МПК мышцей. Авторы увеличили градиент кислорода на участке капилляр -митохондрия посредством сдвига кривой диссоциации гемоглобина вправо. Сдвиг осуществлялся за счет введения в кровь метилпропионовой кислоты. Это привело к тому, что величина Р50 О2 изменилась с 33 до 53 мм рт.ст. При этом и в контрольном опыте, и в эксперименте величина доставки кислорода была одинаковой 19,1 и 19,6 млО2/100 гр/мин, соответственно. Увеличение градиента кислорода между капилляром и митохондрией сопровождалось увеличением величины экстракции, что привело к увеличению МПК мышцей с 11,8 до 14,2 млО2/100 гр/мин (Richardson и др., 1998b).
Сходный по организации эксперимент был проведен на изолированной мышце собаки (т. gastrocnemius). Определенный уровень доставки кислорода к мышце достигали двумя способами: в одном случае за счет высокого кровотока и низкого содержания кислорода в артериальной крови, а в другом - за счет низкого кровотока и высокого содержания кислорода в артериальной крови. Величина МПК мышцей во втором случае оказалась выше. Авторы объясняют это как увеличением градиента кислорода между капилляром и митохондрией, так и увеличением транзитного времени нахождения эритроцита в зоне газообмена (в капилляре) (Hogan и др., 1989; Roca и др., 1989).
В эксперименте с локальной работой - разгибанием ноги в коленном суставе у тренированных спортсменов измеряли (in vivo) парциальное давление кислорода в артериальной и венозной крови и кровоток с помощью прямого метода в максимальном тесте с возрастающей нагрузкой. На основании полученных данных рассчитывали среднее парциальное давление кислорода в капилляре, доставку кислорода к тканям рабочей ноги и его потребление. Парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, оценивали с помощью метода !Н магниторезонансной спектроскопии. Тест проводился в нормоксических и гипоксических условиях. Гипоксия (F[O2=0,12) привела к снижению максимальной мощности и МПК. При сопоставлении физиологических параметров при одинаковой мощности в гипоксических и нормоксических условиях оказалось, что, несмотря на то, что при гипоксии падает парциальное давление кислорода в артериальной крови (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 составило 3,1 и 2,3 мм рт.ст., соответственно.
В этом исследовании в условиях in vivo было впервые измерено парциальное давление кислорода на всех этапах системы доставки кислорода от атмосферного воздуха к митохондрии. Наибольший градиент снижения давления кислорода (т.е. наибольшее сопротивление) был обнаружен на участке «капилляр-сарколемма». Авторы связывают это с ограничением со стороны диффузионной способности мышц. К моменту отказа от работы в нормоксических условиях скорость диффузии кислорода в мышце достигает 35 мл СУмин/мм рт.ст. В гипоксических условиях отказ от работе происходит при сходном значении - 36 мл 02/мин/мм рт.ст., однако на значительно меньшей мощности работы. По мнению авторов, 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 (Richardson и др., 1995).
Показатель максимального устойчивого состояния, определяемый по лактату крови
При работе низкой интенсивности ресинтез АТФ в активных мышцах идет практически полностью за счет аэробных реакций. Конечными продуктами окисления являются углекислый газ и вода. Углекислый газ диффундирует в кровь, связывается с гемоглобином и удаляется из организма через легкие. Начиная с какой-то мощности, ресинтез АТФ обеспечивается не только за счет окисления, но и за счет анаэробного гликолиза. Конечный продукт анаэробного гликолиза -пируват и водород. Пируват под действием фермента пируватдегидрогеназы может превращаться в ацетил-КоА и вступать в цикл трикарбоновых кислот. Если в мышечном волокне высокая активность лактатдегидрогиназы мышечного типа, то пируват превращается в лактат. Если в мышечной клетке высокая активность фермента лактатдегидрогиназы сердечного типа, то лактат превращается в пируват и далее используется, как субстрат для цикла трикарбоновых кислот (Dawson, GOODFRIEND, Kaplan, 1964; Tesch, Sjodin, Karlsson, 1978).
Накапливающийся в цитоплазме лактат может выходить в интерстиций путем диффузии или с помощью специальных переносчиков (Juel, 1997). Из межклеточного пространства лактат попадает в соседние волокна, где может вступить в цикл трикарботовых кислот, по крайней мере, при низкой концентрации лактата в интерстиций, то есть при низкоинтенсивной работе (Tesch, Sjodin, Karlsson, 1978; Pagliassotti, Donovan, 1990), либо в кровь. С кровью лактат переносится к активным скелетным мышцам и другим тканям (например, сердце, печень, скелетные мышцы), в которых может утилизироваться (Richter и др., 1988; Bangsbo и др., 1995). Если продукция ионов лактата и водорода (молочной кислоты) в клетке больше, чем их утилизация и удаление, то в мышечном волокне начинает возрастать концентрация лактата и падать рН. Повышение концентрации лактата способствует повышению осмотического давления внутри клетки (один из механизмов рабочей гемоконцентрации) (Juel, 1997). По мнению некоторых авторов, лактат не оказывает прямого негативного влияния на сократительные возможности мышечного волокна (Chase, Kushmerick, 1988; Posterino, Dutka, Lamb, 2001; Karelis и др., 2004). Однако лактат, косвенно, может способствовать снижению рН, влияя на Na+/H+ и Na+/Ca2+ обмен в клетке (Allen, Lee, Westerblad, 1989). На мышцах животных показано, что ионы лактата способны ингибировать работу кальциевых каналов и активировать АТФ-зависимые калиевые каналы в саркоплазматическом ретикулуме и клеточной мембране, что также может опосредственно влиять на сократительные способности мышечного волокна (МсКШеп и др., 1994; Favero и др., 1995).
С другой стороны практически общепризнано, что повышение внутриклеточной концентрации ионов водорода, негативно влияет на сократительные способности мышечного волокна. Как известно, при выраженном мышечном утомлении рН внутри волокна может снижаться до 6,17-6,7 (Wilson и др., 1988; Sullivan и др., 1994). Предполагается, что в этом случае, ионы водорода могут влиять на процесс отделения поперечных мостиков миозина от актина за счет снижения чувствительности тропонина к кальцию. Это приводит к снижению силы сокращения мышечного волокна, а, в крайнем случае, при выраженом снижении рН, к значительной потере сократительной способности (Donaldson, Hermansen, Bolles, 1978; Renaud, Allard, Mainwood, 1986; Мак-Комас, 2001). Кроме того снижение рН оказывает тормозное влияние на активность некоторых ферментов анаэробного метаболизма, в частности на ключевое звено гликолиза фосфофруктокиназу (Ramaiah, 1976; Kemp, Foe, 1983).
Не следует связывать утомление, возникающее при мышечной работе только с накоплением ионов водорода и лактата. Скорее всего, развитие утомления имеет комплексную природу, обусловленную изменением концентрации различных метаболитов и ионов, изменением величины мембранных потенциалов и возбудимости. Тем не менее эти изменения прямым или косвенным образом связанных с выраженной интенсификацией анаэробного гликолиза (Lamb, Stephenson, 2006; Bangsbo, Juel, 2006).
Косвенно степень активности анаэробного гликолиза можно оценить, определяя концентрацию лактата или рН крови, поскольку транспорт протонов и лактата из мышечного волокна пропорционален их образованию (Juel, 1991; Richardson и др., 1998а). Более того, между концентрацией лактата в мышечной ткани и в крови после динамических упражнений найдена достоверная связь (Tesch, Daniels, Sharp, 1982). Оценка активности анаэробного гликолиза по изменениям рН и концентрации лактата в крови будет давать валидные результаты только при активации во время работы большой мышечной массы (Poole, Richardson, 1997). В противном случае, изменения концентрации лактата в крови малы. Конечно, нельзя ставить знак равенства между концентрацией лактата в крови или рН крови и активностью анаэробного гликолиза, поскольку часть лактата может утилизироваться другими тканями (печенью, сердцем и др.) (Donovan, Brooks, 1983; Carlson и др., 1985). Поэтому наиболее объективным методом для оценки активности анаэробного гликолиза является расчет суммарного выхода лактата из клеток как произведения кровотока на вено-артериальную разницу по лактату (Juel, 1991; Juel, 1997; Richardson и др., 1998а).
Изменения концентрации лактата и/или ионов водорода во время работы оценивают также непосредственно в интерстиции или в самом мышечном волокне, используя методы микродиализа или игольчатой биопсии и неинвазивный метод Ни Р магниторезонансной спектроскопии. Современная техника микродиализа позволяет оценить динамику химизма интерстиция непосредственно во время статической и динамической работе. В исследовании с параллельным измерением лактата в интерстиции и венозной крови во время теста с возрастающей нагрузкой показана сходная динамика этих показателей. Причем концентрация лактата в венозной крови во второй половине теста не отличалась от концентрации лактата в интерстиции (MacLean, Bangsbo, Saltin, 1999). Ни Р магниторезонансная спектроскопия также позволяет оценить изменение рН непосредственно во время работы, но из-за методических ограничений измерения возможны только при локальной работе (Zanconato и др., 1993; Chilibeck и др., 1998).
