Свойства мембран эритроцитов и дыхание человека при физических нагрузках в горных условиях Иванов, Александр Сергеевич

Введение к работе

Актуальность. Адаптация к гипоксии, вне зависимости от ее происхождения, представляет одну из центральных проблем современной физиологии (Агаджанян и соавт., 1972, 1986, 198?; Миррахимов, 1974, 1981, 1984; 1994; Малкин, Гиппенрейтер, 1977; Зима и соавт., 1979, 1990). На этой проблеме фокусируется внимание специалистов в области экологической, авиационной и космической, спортивной и профессиональной физиологии, геронтологии (Гиппенрейтер, 1991). Причина подобного интереса обусловлена тем, что развитие тканевой гипоксии, сопровождающей, например, подъем на высоту и выполнение человеком мышечной работы, представляет универсальный феномен, который характерен для многих физиологических и патологических процессов (Агаджанян, 1984, 1994). С этой точки зрения изучение механизма адаптации к высотной и двигательной гипоксии имеет как теоретическое, так и практическое значение. И хотя проблема приспособления организма к дефициту кислорода издавна привлекала к себе внимание, однако до сих пор, несмотря на усилия нескольких поколений исследователей, вопрос о механизме адаптации к высотной и двигательной гипоксии во многом остается открытым (Бреслав, Глебовский, 1981; Агаджанян, 1983; Газенко, 1987; Исаев, 1990). Менее всего пока исследованы имеющие ключевое значение клеточные, мембранные и молекулярные уровни организации адаптационного процесса. Полагают, что ведущая роль мембран и их липидов в этом процессе определяется тем, что они оказываются исходным звеном в сложной цепи приспособительных модификаций структуры и функции клеток, тканей, систем и организма в целом (Крепе, 1981; Яковлев и соавт., 1994).

Адаптационная реакция клеточных мембран в ответ на изменение условий окружающей среды реализуется благодаря огромному разнообразию физических и химических свойств фосфолипидов. Они в свою очередь определяются большим числом различных жирных кислот, входящих в состав их молекул (Черницкий, Воробей, 1981; Меерсон, 1986; Болдырев, 1990; Яковлев и соавт., 1994). Модификация фосфо-липидной композиции клеточных мембран сказывается на активности мембраносвязанных ферментов, белковые молекулы которых чувствительны к изменению липвдного микроокружения. К ним относятся транспортные АТФазы и в их числе Са²⁺-АТФаза (АТФ-фосфогидролаза КФ 3.6.1.3) эритроцитарных мембран, которая обеспечивает более чем 10000-кратный градиент ионов кальция между их концентрацией внутри клеток и в плазме крови. Поддержание указанного градиента имеет важное значение для эритроцита, так как даже небольшое повышение

концентрации Ca^L+ модифицирует реологические свойства и затрудняет выполнение газотранспортной функции красных клеток (Ля Седле и со-авт., 1980; Sarkadi, 1980; Чернух и соавт., 1984; Галенок и со-авт., 1987).

Изучение регуляторних процессов, связанных с поддержанием кальциевого гомеостаза клеток, имеет существенное значение, поскольку без оценки роли вторичных внутриклеточных посредников (мес-сенджеров), среди которых особое место занимает ионы кальция, не может быть раскрыта сущность адаптивных реакций организма в гипок-сических условиях (Roumy, Leitner, 1977; Carafoli, Zurlni, 1982; Берридж, 1986; Самойлов, Пономаренко, 1991; Яковлев и соавт., 1994).

Решение проблем высокогорной акклиматизации осложняет однобокий подход, связанный с тем, что адаптивные реакции в горной местности рассматриваются исключительно с точки зрения приспособления к гипоксии без учета других факторов, например, высотной гипокап-нии. Ее роль в адаптационном процессе пока не изучена и поэтому однозначная оценка гипокапнии как негативного фактора горной акклиматизации не может быть признана достаточно убедительной (Берн-штейн, 1967; Бреслав и соавт.,1990). До сих пор вне поля зрения исследователей остается вопрос об участии клеточных механизмов в регуляции напряжения двуокиси углерода в крови, хотя хорошо известно, что подобный механизм может быть связан с модификацией активности карбоангидразы эритроцитов. В этом отношении представляются весьма актуальными детальные исследования карбоангидразнои активности в процессе высотной акклиматизации и выполнении мышечной работы.

Увеличение вентиляции легких в горной местности, а также при физических нагрузках является важнейшим фактором компенсации гипоксии, однако механизмы стойкого увеличения минутного объема дыхания на высоте, а также гиперпноэ при переходных и стационарных режимах мышечной работы до сих пор полностью не раскрыты (Мадкин, Гиппенрейтер, 1977; Бреслав и соавт., 1981, 1990; Уэст, 1988; Исаев, 1990). Не исключено, однако, что определенный вклад в решение этого важного в теоретическом и практическом отношении вопроса может внести изучение механизма регуляции кальциевого гомеостаза клеток в условиях дефицита кислорода, поскольку установлена существенная роль ионов кальция в модификации состояния гломусных клеток, от активности которых зависит уровень вентиляции легких (Roumy, Leitner, 1977; Самойлов, Пономаренко, 1991).

К числу недостаточно разработанных относятся вопросы коррекции гипоксических и гипокапнических состояний, условий оптимизации

\J

активной акклиматизации на высоте, а такие использования горного климата в оздоровительных целях, повышения физической работоспособности и расширения функциональных возможностей организма человека (Айдаралиев, Максимов, 1988; Березовский, Дейнега, 1988; Малкин и соавт., 1989).

Все перечисленные выше вопросы свидетельствуют об актуальности проблемы, а ее решение будет способствовать углублению фундаментальных представлений о механизмах адаптации организма к гипоксии, что имеет особенно важное значение для развития экологической физиологии, а также физиологии мышечной деятельности человека.

Цель работы. Изучить влияние физических нагрузок и горных условий на свойства мембран эритроцитов, выяснить роль высотной и двигательной гипокапнии в адаптационном процессе, определить работоспособность и аэробные возможности человека в динамике активной акклиматизации в горной местности и последующей реакклиматизации в обычных условиях жизни.

Исходя из поставленной цели определены следующие задачи:

1.Изучить влияние физических нагрузок в условиях высокогорья на фосфолипидную композицию и состояние антиоксидантной защиты мембран эритроцитов человека.

2.Исследовать влияние физических нагрузок и условий высокогорья на активность Са²⁺-АТФазы и эффективность функционирования Са-насоса эритроцитарных мембран.

3.Проследить Елияние изменений состава крови, сопровождающих мышечную работу, на Са²⁺-АГФазу мембран эритроцитов человека.

4.Определить количественный вклад гипоксического и гиперкап-нического стимулов в регуляции дыхания человека при мышечной работе в горных условиях.

5.Изучить механизм развития высотной и двигательной гипокапнии, а также влияние горных условий и мышечной работы на активность карбоангидразы эритроцитов человека.

6.Исследовать физиологические и биохимические эффекты коррекции высотной и двигательной гипокапнии, оценить влияние дефицита двуокиси углерода на физическую работоспособность и функциональные возможности организма человека.

7.Изучить особенности влияния активной акклиматизации в горной местности на адаптационные возможности людей, занимающихся к не занимающихся спортом, в зависимости от ее продолжительности .(3-20 дней).

Научная новизна. Установлено, что кумулятивный эффект систематических занятий физическими упражнениями при нормальном атмосферном давлении проявляется в модификации фосфолипидной композиции

эритроцитарных мембран, связанной с повышением соотношения межд фосфатидилхолинсм и фосфатидилэтаноламином, а также увеличение: доли промежуточных продуктов обмена фссфолипидов.

Реакция на физическую нагрузку умеренной интенсивности и про дслжительностью уже около одного часа в условиях высокогорья ха растеризуется резким повышением отношения фосфатидилхолина к фофа тидилэтаноламину (от 1,2 в покое до 1,9 после нагрузки), а тага существенным увеличением доли лизофосфатидилхолина, фосфатидны кислот, &- глицерофосфатидов. Выполнение аналогичной мышечной наг рузки в обычных равнинных условиях практически не отражается н фосфолипидной композиции мембран эритроцитов.

В результате исследований, проведенных на уровне моря, впер вые установлено, что активность Са²⁺-АТФазы мембран эритроцитов здоровых молодых людей варьирует в диапазоне от 2,2 до 7,8 мкмол АТФ на мг белка препарата эритроцигарных мембран в час. Причем ин дивидуальная активность этого фермента поддерживается на стабиль ном уровне на протяжении нескольких месяцев. Подъем на высоту 334 м не отражается на активности Са²⁺-АТФазы мембран эритроцитов вместе с тем установлено, что в горных условиях возрастает рол кальмодулина как фактора стимуляции активности фермента.

Выяснилось, что влияние мышечной работы на Са²⁺~АТфазу мемб ран эритроцитов зависит от ее интенсивности, продолжительности условий выполнения. Физические упрачснения в режиме максимальног потребления кислорода стимулируют активность фермента, а длитель ные нагрузки средней и малой аэробной мощности оказывают отчетли вый ингибируэдий эффект, который проявляется на равнине поел 5-часового бега, а в высокогорье (3340 м) после 50-60 минут аналс гичной мышечной работы. Длительная физическая нагрузка в горах на равнине вызывает ухудшение эффективности работы Са-насоса зрит роцитарных мембран, судя по снижению коэффициента Са/АТФ.

Установлено, что во время физических нагрузок Са²⁺-АТФас мембран эритроцитов испытывает влияние как факторов стимулирующи> так и тормозящих ее активность. К первым относятся смещение і крови в сторону ацидоза и повышение температуры, ко вторым - уве личение концентрации свободных жирных кислот, мочевины, 2,3-ДФГ эритроцитах.

Показано, что изменение вязкости крови не всегда совпадает количественной динамикой эритроцитов в горных условиях. В частное ти, опережающий рост вязкости крови по сравнению с числом красні клеток является одним из свидетельств увеличения доли деформирс ванных эритроцитов (эхино- и сфероцитов), обладающих менее плас тичной , чем дискоциты, мембраной.

5.

Разработана классификация гипокапнических состояний, сопровождающих подъем в горы и выполнение человеком мышечной работы в нормальных и гипобарическкх условиях.

Установлено, что активная акклиматизация в горных условиях способствует мобилизации механизмов, противодействующих вымыванию двуокиси углерода из крови вследствие гипервентиляции легких. Этот эффект реализуется посредством торможения активности карбоангидра-зы эритроцитов, причем ингибирование фермента усиливается по мере увеличения высоты местности.

Показано, что кратковременное (от 3 до 5 дней) пребывание человека в горах оказывает положительное влияние преимущественно на резервные возможности сердечно-сосудистой системы и физическую работоспособность человека. Благоприятный эффект более продолжительной (от 10 до 20 дней) высотной адаптации усиливается стимуляцией механизмов аэробного метаболизма, о чем свидетельствует увеличение максимального потребления кислорода после спуска с гор как у лиц занимающихся, так и не занимающихся спортом на 10-20.

Теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Результаты проведенных исследований расширяют представление о реакции мембранных структур на физические нагрузки и гипоксическую гипоксию, раскрывают роль высотной и двигательной гипокапнии в адаптационном процессе, позволяют научно обосновать условия, необходимые для оптимального использования факторов горной среды с целью расширения приспособительных возможностей человека.

Систематические занятия физическими упражнениями в обычных (равниных) условиях жизни приводят к модификации фосфолипидной композиции мембран эритроцитов, связанной с увеличением отношения фосфатидилхолина к фосфатидилэтаноламину, а также повышением концентрации промежуточных продуктов обмена фосфолипидов, что создает предпосылки расширения адаптационных возможностей красных клеток.

Мышечная работа в нормальных и гипобарических условиях в зависимости от ее продолжительности и интенсивности может оказывать стимулирующее или тормозящее влияние на активность Са²⁺-АТФазы мембран эритроцитов. Следовательно, физические нагрузки могут использоваться в качестве средства физиологической регуляции активности и эффективности работы мембранного механизма, обеспечивающего кальциевый гомеостаз клеток. Значение обнаруженного Феномена выходит далеко за рамки характеристики локальной реакции эритроцитов на физические нагрузки, поскольку мембраны красных клеток способны отражать функциональные особенности плазматических мембран клеток внуренней среды организма и в частности гладкомышечных клеток кровеносных сосудов (Постное, 1978; Постное, Орлов, 19S7). Е

этой связи вполне допустимо, что модификация активности Са²⁺-АТ& зы мембран эритроцитов и плазматических мембран клеток васкулярнс гладкой мускулатуры, обусловленная мышечной работой, имеет одиш ковую направленность и что благоприятное влияние физических упрач нений на механизмы регуляции тонуса кровеносных сосудов опосред¹; ется стимуляцией Са-насоса плазматических мембран гладкомышечнь клеток.

Активная акклиматизация к горным условиям, как установлене стимулирует механизмы регуляции обмена СОг, противодействующие вь мыванию двуокиси углерода из сосудистого русла, вследствие высот ной гипервентиляции. Реализация этого механизма осуществляете посредством торможения активности карбоангидразы эритроцитов в гс pax.

Показана роль и значение гипокапнии как фактора высокогорнс адаптации в формировании вентиляторного ответа, обмене респиратор ных газов, кислотно-щелочном состоянии крови, реакциях сердеч но-сосудистой системы. Определено влияние дефицита двуокиси угле рода на уровень физической работоспособности и аэробных возможное тей человека. Важное практическое значение имеют экспериментальнь данные о том, что активная акклиматизация в горной местности спс собствует улучшению переносимости гипокапнических состояний челе века в период реакклиматизации в обычных условиях жизни.

На основе результатов изучения процессов высокогорной аккли матизации, оценке физической работоспособности, функциональны возможностей спортсменов, а также людей, ведущих малоподвижный об раз жизни, разработаны и внедрены в практику рекомендации по орга низации двигательного режима человека в горных условиях, определе ны оптимальные высоты и продолжительность пребывания в горах точки зрения получения наибольшего оздоровительного эффекта и рас ширения адаптационных возможностей организма.

Теоретический материал, методические разработки, основании на материалах экспериментальных исследований, включенных в диссер тацию, используются в лекционных курсах по медико-биологически дисциплинам в КазГУ им.Аль-Фараби, Казахском, Волгоградском, Киев ском, Санкт-Петербургском институтах физической культуры. Получен 56 актов внедрения в практику.

Положения диссертации, выносимые на защиту

1. Систематические занятия физическими упражнениями обуслав ливают приспособительные изменения фосфолипиднои композиции мемб ран эритроцитов, которые проявляются увеличением содержания фосфа тидилхолина и промежуточных продуктов обмена фосфолипидов и сниже нием доли фосфатидилзтанолашша.

1. Активная акклиматизация к условиям высокогорья сопровождается изменением локализации каталазы в эритроцитах в пользу увеличения ее мембраносвязаннои формы, что усиливает антиоксидантную завдту мембран красных клеток.

2. Физические нагрузки в нормальных барометрических условиях в зависимости от их интенсивности и продолжительности могут оказывать стимулирующее или обратимое ингибирующее влияние на активность Са²⁺-АТФазы мембран эритроцитов человека. В условиях высокогорья отчетливый эффект торможения активности Са²⁺-АТФазы наблюдается при менее продолжительных физических нагрузках, чем на равнине.

3. Развитие гипокапнии способствует сдвигу рН в сторону алкалоза и снижению щелочного разерва крови, усилению процессов гликолиза, повышению ЧСС и уменьшению систолического объема сердца, что оказывает отрицательное влияние на адаптационные возможности организма, но вместе с тем гипокапния сдерживает компенсаторный рост вентиляции легких и тем самым стимулирует тканевые механизмы приспособления к гипоксии. Адаптация к дефициту двуокиси углерода повышает переносимость гипокапнических состояний у человека.

4. Гштокапничесие состояния, которые испытывает человек в горных условиях и во время напряженной мышечной работы, различаются по выраженности дефицита двуокиси углерода. Увеличение высоты местности сопровождается последовательным развитием компенсированной, субкомпенсированной и декомпенсированной гипокапнии, а повышение мощности физической нагрузки (сверх уровня анаэробного порога) приводит к умеренной, субмаксимальной и максимальной гипокапнии.

5. Снижение активности карбоангидразы эритроцитов является одним из факторов стабилизации напряжения двуокиси углерода в крови в условиях высокогорья.

6. Кратковременное (от 3 до 5 дней) активное пребывание человека в горных условиях оказывает существенное положительное влия-їиє преимущественно на резервные возможности сердечно-сосудистой системы. Благоприятный эффект более длительной (от 10 до 20 дней) активной акклиматизации в горной местности усиливается стимуляцией аэробных возможностей организма.

Апробация работы. Результаты исследований, включенные в дис-;ертацию, были представлены на: IV,V-й конференциях Физиологое республик Средней Азии и Казахстана, Алма-Ата, 1969; Ашхабад, .972; Международном сипозиуме "Адаптация организма человека и жи-іотньіх к экстремальным природным факторам среды", Новосибирск, .970; ХІ,ХІІ,ХІУ,ХІХ-й Всесоюзных научных конференциях по физиоло-

гии, морфологии, биохимии и биомеханике мышечной деятельности, Свердловск, 1970; Львов, 1972; Ереван, 1976; Волгоград, 1988; Всесоюзном симпозиуме "Проблемы использования условий гор в системе подготовки спортсменов высшей квалификации", Алма-Ата, 1974; XI-П-м съезде физиологов СССР, Алма-Ата, 1979; VI 1-м объединенном симпозиуме биохимических обществ ГДР и СССР "Окислительный метаболизм, гликолиз и АТФ", Лейпциг, 1983; научной конференции специалистов СССР и Народной республики Болгарии по проблеме "Тренировка в условиях высокогорья и среднегорья с целью повышения спортивных достижений", Фрунзе, 1986; Всесоюзном рабочем совещании "Транспортные и рецепторные функции биологических мембран", Алма-Ата, 1988; Всесоюзном симпозиуме "Зколого-физиологические проблемы адаптации", Москва, 1988; 1,11 и III-м съездах физиологов Казахстана, Алма-Ата, 1988; Караганда, 1992; Алматы, 1995; Всесоюзной школе-семинаре "Фундаментальные и прикладные аспекты функционирования биологических мембран и повышения адаптационных возможностей организма", Алма-Ата, 1989; заседании Ленинградского общества физиологов, биохимиков и фармакологов им. И.М.Сеченова, Ленинград, 1989; Всесоюзном рабочем совещании "Пути оптимизации функции дыхания", Волгоград 1989; Всесоюзном совещании по проблеме "Гипоксия нагрузки, моделирование, прогнозирование, коррекция", Киев, 1990; 1-м съезде физиологов Средней Азии и Казахстана, Душанбе, 1991; Всесоюзной школе-семинаре "Мембранный и клеточный гомеостаз", Алма-Ата, 1991; VII Всероссийском симпозиуме "Эколого-физиологичес-кие проблемы адаптации", Москва, 1994; международном симпозиуме по горной медицине, Бишкек, 1994.

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 56 работ, включая 8 учебных пособий и монографий.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, двух глав обзора литературы и шести глав с описанием методов и анализом результатов собственных исследований, заключения, выводов и списка использованных источников. Объем диссертации 406 страниц машинописного текста.

Список использованных источников содержит ссылки на 687 работ. Иллюстрации представлены в 49 таблицах и 49 рисунках.