Редактирование: Транспорт кислорода

{{Sportnauka}}
== Транспортная система крови ==

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 ==

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 ==

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 ==

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 пар-циальное 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 длительной тренировки могут увеличиться в 2-3 раза. Объемная плотность митохондрий возрастает за счет увеличения как их объема (до 40%), так и их количества. Увеличение активности окислительных ферментов (отнесенное к мышечной массе) возрастает пропорционально увеличению объемной плотности митохондрий. Активность окислительных ферментов, отнесенная к митохондриальной массе, у тренированных и нетренированных индивидуумов не различается. У высококвалифицированных спортсменов объемная плотность митохондрий в скелетных мышцах достигает 7-9%. Однако даже у этого контингента объемная плотность митохондрий в скелетной мышце принципиально ниже, чем в сердечной мышце. Объемная плотность митохондрий в полностью аэробной сердечной мышце составляет 40%. Между объемной плотностью митохондрий скелетных мышц и показателем МПК организмом/отдельной мышцей, нормированным на вес тела/вес мышцы, обнаружена взаимосвязь. Эта связь прослеживается как при внутривидовом сравнении мышц млекопитающих, так и при сопоставлении мышц людей различного уровня подготовленности - от нетренированных до спортсменов. С другой стороны, при сопоставлении однородных групп (например, высокотренированных спортсменов) не всегда удается обнаружить сильную взаимосвязь между МПК и показателями, характеризующими окислительные возможности мышц.

Как отмечалось выше, снижение доставки кислорода к мышце (митохондриям) всегда приводит к снижению ПК отдельной мышцей и организмом в целом (в условиях глобальной работы). Причем снижение величины МПК в этих случаях прямо пропорционально снижению среднего парциального давления кислорода в капиллярной крови. С другой стороны, увеличение доставки кислорода не всегда приводит к увеличению МПК, а если прирост наблюдается, то он, как правило, ниже, чем прирост величины доставки кислорода или среднего парциального давления кислорода в капиллярной крови. Отсюда возникает вопрос, каков характер зависимости между ПК митохондриями и парциальным давлением кислорода в цитоплазме.

В опытах на культуре клеток почки показано, что зависимость между парциальным давлением кислорода в растворе и ПК митохондриями имеет вид гиперболы (рис. 1, А). То есть ПК митохондриями практически перестает расти, когда парциальное давление кислорода в цитоплазме достигает некоторого порогового уровня (в данном случае 2 мм рт. ст.). Такой выход зависимости ПК митохондриями - парциальное давление кислорода на плато связан с предельными возможностями реакций окислительного фосфорилирования. Сходная зависимость получена в модельных экспериментах.

В экспериментах с участием добровольцев в условиях in vivo продемонстрирован сходный результат. У тренированных велосипедистов определяли парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином, и ПК рабочей мышцей во время локальной работы - разгибания ноги в коленном суставе в максимальном тесте с возрастающей нагрузкой. Опыт проводили в условиях нормоксии, гипоксии (Fi02=0,12) и гипероксии (FjC^I). В этом и других экспериментах показано, что ПК линейно падает при использовании гипоксических смесей с различным содержанием кислорода, т.е. фактически зависит от среднего парциального давления кислорода в капилляре или в миоглобине (участок 0,12—0,21 на рис. 1, Б). Использование гипероксии привело к тому, что ПК мышцей (митохондриями) увеличилось непропорционально меньше, чем увеличилось парциальное давление кислорода, связанного с миоглобином (участок 0,21 -1 на рис. 1, Б).

Теоретически снижение способности митохондрий потреблять кислород может быть связано с двумя причинами. Первая - это ограничения в использовании кислорода, возникающие со стороны цикла трикарбоновых кислот и/или окислительного фосфорилирования. Возможно и альтернативное объяснение: ограничение потребления кислорода связано со снижением пропускной способности митохондриальных мембран, так называемой диффузионной способностью митохондрий.

Однако это представляется маловероятным, поскольку биологические мембраны эритроцита, мышечной клетки и митохондрии имеют сходный диффузионный коэффициент для кислорода. Суммарная площадь поверхности митохондрий в «красной» мышце {т. gracilis) собаки в 200 раз больше, чем суммарная площадь капиллярных стенок, прилегающих к клеточной мембране. Поэтому отношение поток кислорода/площадь диффузии на участке миоплазма - внутренняя мембрана митохондрии должно быть принципиально меньше, чем на участке капилляр-миоплазма.

Очевидно, зависимость ПК митохондрией - давление кислорода в миоплазме будет меняться с увеличением способности митохондрий потреблять кислород. Увеличение активности окислительных ферментов (скорости окислительных реакций) и объемной плотности митохондрий (их размеров и количества) приведет к увеличению ПК при заданном парциальном давлении кислорода в миоплазме (сдвигу кривой «ПК митохондрией - давление кислорода в миоплазме» вверх). Если говорить об уровне целой мышцы, то при условии, что система доставки кислорода способна поддержать необходимое парциальное давление кислорода в миоплазме, а объемная плотность митохондрий и активность окислительных ферментов находятся на предельно высоком уровне, МПК мышцей будет зависеть от общего объема митохондрий в мышце, т.е. фактически от мышечной массы.

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 (F,02).

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

У человека, а особенно у тренированных атлетов, на каждом из этапов системы доставки кислорода могут быть обнаружены факторы, прямым или косвенным образом ограничивающие доставку кислорода к мышцам. В конечном итоге производительность системы доставки кислорода определяется величиной парциального давления кислорода в миоплазме работающей мышцы. Если парциальное давление кислорода находится ближе к плоской части зависимости «потребление кислорода митохондрией — давление кислорода в миоплазме», то дальнейшее увеличение МПК мышцей будет ограничено способностью митохондрий поглощать кислород. Увеличение производительности системы доставки кислорода на любом этапе в этом случае не приведет к значимому увеличению МПК мышцей. Если парциальное давление кислорода находится на возрастающей части зависимости «потребление кислорода митохондрией - давление кислорода в миоплазме», то дальнейшее увеличение МПК мышцей будет ограничено факторами доставки кислорода.