700
правок
Изменения
Нет описания правки
== Связывание и транспорт кислорода в крови ==
[[Image:Naglydnay_fiziologiya126.jpg|250px|thumb|right|А. Кривая диссоциации O<sub>2</sub>: транспортная емкость по O<sub>2</sub>]]
'''Гемоглобин (Нb)''' - это белок красных кровяных клеток с молекулярной массой 64 500 кДа, осуществляющий транспорт O<sub>2</sub>. Нb участвует также в транспорте СO<sub>2</sub> 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 O<sub>2</sub>. Этот процесс называется оксигенацией (не окислением!). НЬ в оксигемоглобин (Оху-Hb). Количество O<sub>2</sub>, связанного с НЬ, зависит от парциального давления O<sub>2</sub> (PO<sub>2</sub>): кривая диссоциации кислорода (А, красная линия). Кривая имеет сигмоидальную форму, поскольку первоначально связанные молекулы O<sub>2</sub> меняют конформацию тетрамера НЬ (положительная кооперативность) и таким образом увеличивают аффинность гемоглобина к O<sub>2</sub>-
При насыщении кислородом 1 моль тетрамерного НЬ соединяется с 4 молекулами O<sub>2</sub>, т. е. 64 500 г НЬ соединяется с 4 • 22,4 л O<sub>2</sub>. Таким образом, 1 г НЬ теоретически может транспортировать in vivo 1,39 мл O<sub>2</sub>, 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 O<sub>2</sub> 9,1 ммоль/л или 0,203 л O<sub>2</sub>А1 крови. Транспортная емкость крови по кислороду является функцией [Hb]tote/(A).
Содержание O<sub>2</sub> в крови практически эквивалентно количеству О2, связанному с гемоглобином, поскольку только 1,4% O<sub>2</sub> находится в растворе в виде свободных молекул кислорода при Pq2 13,3 кПа (А, оранжевая линия). Коэффициент растворимости кислорода (аO<sub>2</sub>) равен 10 мкмоль * л<sup>-1</sup> • кПа<sup>-1</sup>, что в 22 раза меньше, чем асог.
[[Image:Naglydnay_fiziologiya127.jpg|250px|thumb|right|Б. Кривая «диссоциация O<sub>2</sub>-насыщение O<sub>2</sub>»]]
'''Насыщение кислородом (SO<sub>2</sub>)''' - это доля Оху-Hb от [Нb]total, или отношение реальной концентрации O<sub>2</sub> к транспортной емкости по O<sub>2</sub>. В норме для артериальной крови (PaO<sub>2</sub> = 12,6 кПа или 95 мм рт. ст.) SO<sub>2</sub> достигнет плато насыщения примерно при 0,97, тогда как для смешанной венозной крови [PvO<sub>2</sub> = 5,33 кПа или 40 мм рт. ст.) SO<sub>2</sub> все еще только 0,73. SO<sub>2</sub> для вен в разных органах сильно варьирует.
[[Image:Naglydnay_fiziologiya128.jpg|250px|thumb|right|В. Кривые диссоциации O<sub>2</sub> и угарного газа (СО)]]
Диссоциация O<sub>2</sub> не зависит от общего содержания гемоглобина, что видно из графика (Б). Изменения сродства O<sub>2</sub> к гемоглобину можно легко оценить по смещению кривой диссоциации O<sub>2</sub>. 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 PСO<sub>2</sub>) и/или уменьшением РСO<sub>2</sub>, 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 РСO<sub>2</sub>, температуры и 2,3-БФГ (Б). Давление полунасыщения 5 или P50) O<sub>2</sub> (Б, прерывистая линия) - это такое давление PO<sub>2</sub>, при котором SO<sub>2</sub> = 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 O<sub>2</sub> из-за изменений pH и РСO<sub>2</sub> называется эффектом Бора. Сдвиг кривой вправо означает, что из периферической крови (pH↓, РСO<sub>2</sub> ↑) могут поглощаться большие количества O<sub>2</sub> без снижения PO<sub>2</sub>, что является движущей силой диффузии O<sub>2</sub> (Б, прерывистая линия). Высокое сродство к O<sub>2</sub> в легочных капиллярах затем устанавливается заново (pH ↑, РСO<sub>2</sub>↓) - Сдвиг кривой влево бывает полезен, когда снижено PAO<sub>2</sub> (например, при высотной гипоксии), т. е. в ситуации, когда насыщение артерий кислородом наблюдается левее плато SO<sub>2</sub>.
Миоглобин представляет собой Fe(II)-содержащий мышечный белок, который служит для кратковременного запасания O<sub>2</sub>. Поскольку это мономер (нет положительной кооперативное™), его кривая диссоциации O<sub>2</sub> при низких PO<sub>2</sub> гораздо круче, чем аналогичная кривая для НЬ (В). Кривая диссоциации O<sub>2</sub> 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 PO<sub>2</sub> (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 O<sub>2</sub> 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 O<sub>2</sub> (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 ==
{{Sportnauka}}
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.
== Утилизация кислорода ==
[[Image:Sportnauka29.jpg|250px|thumb|right|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 пар-циальное 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 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.
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(m. 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.