More actions
Зв'язування і транспорт кисню в крові
Гемоглобін (Нb) - це білок червоних кров'яних клітин з молекулярною масою 64 500 кДа, що здійснює транспорт O2. Нb бере участь також у транспорті СO2 і є важливим рН-буфером. Нb являє собою тетрамер, що складається з 4 субодиниць (у дорослих: 98%: 2а + 2b = НМ; 2%: 2а + 2d = HbA2), кожна зі своїм гемом. Гем складається з порфірину і Fe(ll). Кожен із чотирьох атомів Fe(ll) (пов'язаний з одним гістидиновим залишком гемоглобіну) оборотно зв'язується з молекулою O2. Цей процес називається оксигенацією (не окисленням!). Нb в оксигемоглобін (Оху-Hb). Кількість O2, зв'язаного з Нb, залежить від парціального тиску O2 (PO2): крива дисоціації кисню (А, червона лінія). Крива має сигмоїдальну форму, оскільки первісно зв'язані молекули O2 змінюють конформацію тетрамера Нb (позитивна кооперативність) і таким чином збільшують афінність гемоглобіну до O2-
При насиченні киснем 1 моль тетрамерного Нb з'єднується з 4 молекулами O2, тобто 64 500 г Нb з'єднується з 4 - 22,4 л O2. Таким чином, 1 г Нb теоретично може транспортувати in vivo 1,39 мл O2, або 1,35 мл (число Хюфнера). Загальна концентрація Нb у крові ([Hb]total) у середньому становить 150 г/л (с. 94), що відповідає максимальній концентрації O2 9,1 ммоль/л або 0,203 л O2А1 крові. Транспортна ємність крові за киснем є функцією [Hb]tote/(A).
Вміст O2 у крові практично еквівалентний кількості O2, зв'язаному з гемоглобіном, оскільки тільки 1,4% O2 перебуває в розчині у вигляді вільних молекул кисню за Pq2 13,3 кПа (А, помаранчева лінія). Коефіцієнт розчинності кисню (аO2) дорівнює 10 мкмоль*л-1-1 - кПа-1, що в 22 рази менше, ніж асог.
Насичення киснем (SO2) - це частка Оху-Hb від [Нb]total, або відношення реальної концентрації O2 до транспортної ємності по O2. У нормі для артеріальної крові (PaO2 = 12,6 кПа або 95 мм рт. ст.) SO2 досягне плато насичення приблизно за 0,97, тоді як для змішаної венозної крові [PvO2 = 5,33 кПа або 40 мм рт. ст.] SO2 все ще тільки 0,73. SO2 для вен у різних органах сильно варіює.
Дисоціація O2 не залежить від загального вмісту гемоглобіну, що видно з графіка (Б). Зміни спорідненості O2 до гемоглобіну можна легко оцінити за зміщенням кривої дисоціації O2. Зміщення кривої праворуч означає зменшення спорідненості, а зміщення ліворуч - її збільшення (плато подовжується, а крива спочатку має більшу крутизну). Зсув ліворуч спричиняється збільшенням pH (зі зниженням/без зниження PСO2) та/або зменшенням PСO2, температури та вмісту 2,3-біс-фосфогліцерату (БФГ; у нормі 1 моль БФГ/моль тетрамеру Нb). Зсув праворуч відбувається через зменшення pH та/або збільшення РСO2, температури та 2,3-БФГ (Б). Тиск напівнасичення 5 або P50) O2 (Б, переривчаста лінія) - це такий тиск PO2, за якого SO2 = 0,5, або 50%. P0.5, що в нормі становить 3,6 кПа або 27 мм рт. ст., є критерієм того, чи станеться зсув кривої праворуч (P0,5↑) або ліворуч (P0,5↓) - Зсув кривої дисоціації O2 через зміни pH і PCO2 називається ефектом Бора. Зсув кривої вправо означає, що з периферичної крові (pH↓, РСO2↑) можуть поглинатися більші кількості O2 без зниження PO2, що є рушійною силою дифузії O2 (Б, переривчаста лінія). Високу спорідненість до O2 в легеневих капілярах потім встановлюють наново (pH ↑, РСO2↓) - Зсув кривої вліво буває корисним, коли знижено PAO2 (наприклад, у разі висотної гіпоксії), тобто в ситуації, коли насичення артерій киснем спостерігається лівіше за плато SO2.
Міоглобін - це м'язовий білок, який містить Fe(II)-вміст, який служить для короткочасного запасання O2. Оскільки це мономер (немає позитивної кооперативної ™), його крива дисоціації O2 за низьких PO2 набагато крутіша, ніж аналогічна крива для Нb (В). Крива дисоціації O2 фетального гемоглобіну (2а + 2у = HbF) також досить крута, і в пупковій вені ембріона можуть бути досягнуті Яд2 від 45 до 70%, незважаючи на низький тиск PO2 (3-4 кПа або 22-30 мм рт. ст.) у материнській плацентарній крові. Це суттєво, оскільки в ембріона концентрація [Нb]total =180 г/л. Крива дисоціації монооксиду вуглецю (СО) має дуже крутий нахил. Таким чином, навіть незначні кількості СО у вдихуваному повітрі спричиняють дисоціацію O2 з Нb. Це може призвести до отруєння СО (В). Метгемоглобін Met-Hb (зазвичай 1% від НЬ утворюється з гемоглобіну під час окислення Fe(ll) у Fe(lll) або спонтанно, або під дією ендогенних оксидантів. Met-Hb не може приєднувати O2 (В). Редуктаза метгемоглобіну відновлює Fe(lll) з Met-Hb у Fe(ll); дефіцит цього ферменту може спричиняти метгемоглобінемію, призводячи до неонатальної аноксії.
Транспортна система крові
З точки зору енергетики, функція крові – перенесення кисню до тканин та вуглекислого газу до легень, доставка субстратів до м'язів, перенесення та утилізація метаболітів. Як відомо, під впливом тривалого тренування витривалості значно (на 1-1,5 л) збільшується об'єм циркулюючої крові. При цьому, як правило, не спостерігається збільшення концентрації еритроцитів та величини гематокриту – показників, що визначають кисневу ємність крові. Навпаки, у період інтенсивних навантажень може спостерігатись навіть падіння цих показників. Зниження концентрації еритроцитів та величини гематокриту пов'язують як з пригніченням кровотворної системи під дією граничних навантажень, так і з адаптаційним зниженням в'язкості крові, що відбувається для полегшення серця. Останнє припущення є сумнівним, оскільки не було знайдено експериментальних робіт, що підтверджують зниження ударного об'єму (УО) та/або СВ унаслідок фізіологічного збільшення гематокриту в ізоволюмічних умовах.
Навпаки, існують дані про те, що зниження концентрації гемоглобіну до нормального рівня (140 г/л, ізоволюмічні умови) у акліматизованих до високогір'я (9 тижнів; 5260 м над ур. моря) фізично активних людей не призводить до збільшення максимального СВ та максимального УО , Як у гіпоксичних, так і в нормоксическіх умовах. Це свідчить про незначну роль змін концентрації гемоглобіну та в'язкості крові як факторів, що визначають показники центральної гемодинаміки.
У дослідженні, виконаному за участю висококваліфікованих бігунів, також було показано, що аутогемотрансфузія, що призводить до збільшення гематокриту з 46 до 51%, призводить до збільшення СО за рахунок збільшення УО. При цьому аутогемотрансфузія не впливає на максимальний артеріальний тиск та електрокардіографічні показники. Це свідчить про те, що еритроцитомія не має негативного впливу на роботу серця при максимальному навантаженні.
Непрямо відсутність негативного впливу фізіологічного збільшення концентрації еритроцитів та величини гематокриту підтверджується широким поширенням кров'яного допінгу у спорті.
Серце та доставка кисню до м'язів
Як зазначалося вище, інтегральним показником, що характеризує продуктивність серця є максимальний СВ. Оскільки максимальна частота серцевих скорочень (ЧСС) у тренованих людей не відрізняється від цього показника звичайних людей, відмінність у величині серцевого викиду у двох контингентів визначається різницею в УО серця. УО серця залежить від величини венозного повернення, об'єму камер серця, сили, що розвивається міокардом, та опору на виході, що визначається діаметром та еластичністю аорти та частково загальним периферичним опором. У висококваліфікованих спортсменів, що тренують витривалість, максимальний УО та СВ практично вдвічі більше, ніж у звичайних людей, і досягають 200 мл та 40 л/хв, відповідно. За даними численних досліджень, СВ, розміри серця та маса лівого шлуночка (розрахунковий показник) пов'язані з величиною МПК та зі спортивним результатом у видах спорту, що потребують прояву витривалості.
В даний час основним методом вимірювання розмірів серця у спокої є ультразвукове дослідження. Для вимірювання УО під час роботи, в тому числі і максимальною, найбільш надійними методами є прямий метод Фіку і вимірювання УО за допомогою дихання газовою сумішшю, що містить розчинний газ в закритому або відкритому дихальному контурі.
У нетренованої людини УО зростає зі збільшенням потужності до ЧСС 140—145 уд./мин. При подальшому збільшенні потужності УО виходить на плато і починає знижуватись при досягненні максимальної аеробної потужності (потужність на рівні МПК). Вихід на плато та зниження УО пов'язують з дефектом діастоли, а також з неадекватним венозним поверненням (механізм ФранкаСтарлінга). Дефект діастоли може виявлятись при високій ЧСС, коли тривалість діастоли стає недостатньою для адекватного кровопостачання міокарда. Наслідком цього буде зниження сили скорочення міокарда та в результаті зниження УО, а можливо, і припинення приросту ЧСС у відповідь на подальший приріст навантаження. Значення величини венозного повернення для УО показано в експериментах на собаках з віддаленою селезінкою. Попереднє збільшення об'єму крові за допомогою введення декстрану також призводить до збільшення СВ на 20-30%. Аналогічні результати були отримані і в експериментах зі збільшенням обсягу плазми у нетренованих людей та високотренованих велосипедистів.
У високотренованих спортсменів зростання УО під час тесту з навантаженням, що підвищується, спостерігається аж до відмови від роботи, що свідчить про унікально високу продуктивність серця, при цьому ЧСС не виходить на плато і також зростає аж до відмови від роботи.
Значимість фактора доставки кисню як лімітуючого пікового споживання кисню робочою м'язовою групою (миш-ци-розгиначі гомілки) у кваліфікованих велосипедистів продемонстрована при зіставленні локальної та глобальної роботи. Розрахункові дані показали, що питома ПК у м'язі при локальної та глобальної роботі відрізняється майже вдвічі. Незважаючи на припущення у методиці вимірювання ПК та розрахунку питомого ПК, цей результат свідчить про значну роль фактора доставки для визначення МПК у м'язі у тренованих людей.
Транспорт кисню з капіляра до мітохондрії
Послідовність транспорту кисню від еритроциту до мітохондрії включає дисоціацію кисню від гемоглобіну, дифузію через ендотелій, інтерстицій та клітинну мембрану, зв'язування з міоглобіном та подальшу дисоціацію та дифузію через мітохондріальну мембрану.
Транспорт кисню з капіляра до мітохондрії характеризується дифузійною здатністю м'язів. Дифузійна здатність м'язів це інтегральний показник, який залежить не тільки від пропускної здатності клітинних мембран, але і від параметрів доставки та утилізації кисню.
Чинники, що визначають дифузійну здатність м'язів. Градієнт парціального тиску кисню між плазмою крові та міоплазмою відіграє важливу роль у процесі перенесення кисню. Парціальний тиск кисню в м'язовій клітині при максимальному аеробному навантаженні у людини становить близько 3 мм рт. ст. Середній парціальний тиск кисню в капілярі, отриманий розрахунковим шляхом, у тренованих людей під час глобальної роботи становить 36-40 мм рт. ст. Тобто градієнт тиску практично повністю визначається середнім парціальним тиском кисню у капілярі. На величину середнього парціального тиску кисню капілярі впливає швидкість доставки крові/кисню, тобто. величина насичення гемоглобіну киснем в артеріальній крові та швидкість кровотоку.
З іншого боку, збільшення швидкості кровотоку неминуче повинне призвести до зниження транзитного часу перебування еритроциту у зоні газообміну (у капілярі). Швидкість дисоціації визначається градієнтом тиску кисню між гемоглобіном та плазмою крові відповідно до кривої дисоціації гемоглобіну. У плазмі крові та інтерстиції немає молекул-переносників кисню (киснезв'язувальних білків), які могли б швидко зв'язувати вільний кисень. Тому процес дисоціації кисню від гемоглобіну щодо повільний. Оскільки розрахункова величина транзитного часу знаходження еритроциту в капілярі при максимальному кровотоку становить лише 100-400 мс, зниження транзитного часу перебування еритроциту в капілярі, що відбувається при збільшенні кровотоку, може бути основною причиною неповної утилізації кисню з крові.
Іншою важливою складовою, яка визначає дифузійну здатність м'язів, є площа дифузійної поверхні. Теоретичні розрахунки показують, що зниження сумарної контактної площі може призвести до зниження дифузії кисню. Сумарна площа поверхні еритроцитів більша, ніж сумарна площа стінок капілярів. На електронно-мікроскопічних знімках видно, що сумарна площа поверхні мітохондрій у «червоному» м'язі (т. gracilis) собаки у 200 разів перевищує сумарну площу капілярних стінок. Це свідчить на користь того, що ключова роль в обмеженні дифузійної площі належить сумарної площі стінок капілярів, що припадають на одне волокно, чи кількості капілярів, що припадають на волокно. Так, досліди з м'язами собаки, що піддалися аеробному тренуванню, гіпокінезії і експериментальним впливам, що не піддавалися, показали, що МПК м'язом залежить від кількості капілярів на волокно і не залежить від дифузійної відстані і від капілярної щільності. Побічно дані результати підтверджуються тісним взаємозв'язком між МПК організмом ссавців та кількістю капілярів, що припадають на волокно.
Підсумовуючи наведені вище відомості, можна сказати, що найбільший опір дифузії кисню від гемоглобіну до мітохондрії знаходиться десь між молекулою гемоглобіну і міоплазмою на відносно короткій відстані (2-3 мкм). Саме на цій ділянці спостерігається найвище співвідношення потік дифузного кисню/площа газообміну. Як зазначалося вище, поява цього функціонального бар'єру обумовлена взаємодією гемодинаміки та хімічних процесів. Ця думка також підтверджується деякими модельними експериментами.
Теорія дифузійного обмеження максимального споживання кисню м'язом. Значимість показника дифузійної здатності м'язів підтверджується як модельними дослідженнями, і експериментальними роботами. В експерименті на м'язах собаки {т. gastrocnemius) in situ намагалися визначити вплив фактора дифузії кисню у м'язі на величину МПК м'язом.
Проводили збільшення градієнта кисню на ділянці капіляр - мітохондрія за допомогою зсуву кривої дисоціації гемоглобіну вправо, при цьому і контрольному досвіді, і в експерименті величина доставки кисню була однаковою. Збільшення градієнта кисню між капіляром та мітохондрією супроводжувалося збільшенням величини екстракції, що призвело до збільшення МПК м'язом з 11,8 до 14,2 мл 02 на 100 г на хвилину. Подібний по організації експеримент був проведений на ізольованому м'язі собаки (т. Gastrocnemius).
Утилізація кисню
Щоб говорити про утилізації кисню мітохондріями, необхідно з'ясувати, чи існують в м'язовому волокні під час роботи аноксичні зони. На початку минулого століття Крогом було висунуто ідею про те, що парціальна напруга кисню всередині м'язового волокна залежить від його розташування щодо капіляра (зони газообміну). Це спричинило створення концепції циліндра Крога із зонами неадекватного забезпечення киснем у центрі волокна.
Однак дані останніх років спростовують цю гіпотезу. Такі дані отримані при вимірі парціального тиску пов'язаного з міоглобіном кисню в червоному м'язі собаки (m. gracilis) за допомогою методу кріоспектроскопії. Середній парціальний тиск кисню в м'язових волокнах під час роботи лише на рівні МПК дорівнює 1-2 мм рт. ст., що у кілька разів вище за критичний рівень (0,1—0,5 мм рт. ст.). Більше того, не вдається виявити значної гетерогенності парціального тиску кисню в різних локусах м'язової клітини при роботі на рівні МПК, як у поперечному розрізі, так і вздовж м'язового волокна. Таким чином, продемонстровано відсутність залежності між діаметром м'язового волокна (27-74 мкм) та градієнтом тиску кисню всередині клітини. Однак у волокнах деяких м'язів під час роботи лише на рівні МПК вдається виявити гіпоксичні зони, у яких парціальний тиск кисню перебуває біля верхньої межі критичного рівня. Загальна кількість таких волокон може становити близько 2% і не впливає ні на динаміку ПК м'язом, ні на силу, що розвивається м'язом.
Подібний результат отримано в дослідах in vivo при оцінці напруги кисню в міоглобіні у тренованих спортсменів та нетренованих людей за допомогою 1Н магніторезонансної спектроскопії під час локальної роботи - розгинання ноги в колінному суглобі. У працюючих лише на рівні МПК m. quadriceps femoris та m. triceps surae середній парціальний тиск, пов'язаний з міоглобіном кисню, становить близько Змм рт. ст., що значно вище за критичний рівень. На жаль, такі дослідження виконані лише при локальній роботі, що не дозволяє безпосередньо екстраполювати результати парціального тиску пов'язаного з міоглобіном кисню на умови глобальної роботи.
ПК клітиною залежить від окисних можливостей, тобто. від об'ємної щільності мітохондрій та активності окисних ферментів у них. Об'ємна щільність мітохондрій та активність окислювальних ферментів у скелетному м'язі внаслідок тривалого тренування можуть збільшитись у 2-3 рази. Об'ємна щільність мітохондрій зростає за рахунок збільшення як їхнього обсягу (до 40%), так і їх кількості. Збільшення активності окисних ферментів (віднесене до м'язової маси) зростає пропорційно до збільшення об'ємної щільності мітохондрій. Активність окисних ферментів, віднесена до мітохондріальної маси, у тренованих та нетренованих індивідуумів не відрізняється. У висококваліфікованих спортсменів об'ємна щільність мітохондрій у кістякових м'язах сягає 7-9%. Однак навіть у цього контингенту об'ємна щільність мітохондрій у скелетному м'язі принципово нижча, ніж у серцевому м'язі. Об'ємна щільність мітохондрій у повністю аеробному серцевому м'язі становить 40%. Між об'ємною щільністю мітохондрій кістякових м'язів і показником МПК організмом/окремим м'язом, нормованим на вагу тіла/вага м'яза, виявлено взаємозв'язок. Цей зв'язок простежується як при внутрішньовидовому порівнянні м'язів ссавців, і при зіставленні м'язів людей різного рівня підготовленості - від нетренованих до спортсменів. З іншого боку, при зіставленні однорідних груп (наприклад, високотренованих спортсменів) не завжди вдається виявити сильний взаємозв'язок між МПК та показниками, що характеризують окисні можливості м'язів.
Як зазначалося вище, зниження доставки кисню до м'яза (мітохондріям) завжди призводить до зниження ПК окремим м'язом та організмом в цілому (в умовах глобальної роботи). Причому зниження величини МПК у випадках прямо пропорційно зниження середнього парціального тиску кисню в капілярної крові. З іншого боку, збільшення доставки кисню який завжди призводить до збільшення МПК, і якщо приріст спостерігається, він, зазвичай, нижче, ніж приріст величини доставки кисню чи середнього парціального тиску кисню в капілярної крові. Звідси виникає питання, яким є характер залежності між ПК мітохондріями і парціальним тиском кисню в цитоплазмі.
У дослідах на культурі клітин нирки показано, що залежність між парціальним тиском кисню в розчині та ПК мітохондріями має вигляд гіперболи (рис. 1, А). Тобто ПК мітохондріями практично перестає зростати, коли парціальний тиск кисню в цитоплазмі досягає деякого порогового рівня (у даному випадку 2 мм рт. ст.). Такий вихід залежності ПК мітохондріями – парціальний тиск кисню на плато пов'язаний із граничними можливостями реакцій окисного фосфорилювання. Подібна залежність отримана у модельних експериментах.
В експериментах за участю добровольців в умовах in vivo продемонстровано подібний результат. У тренованих велосипедистів визначали парціальний тиск кисню, пов'язаного з міоглобіном, і ПК робочим м'язом під час локальної роботи - розгинання ноги в колінному суглобі в максимальному тесті зі зростаючим навантаженням. Досвід проводили в умовах нормоксії, гіпоксії (Fi02=0,12) та гіпероксії (FjC^I). У цьому та інших експериментах показано, що ПК лінійно падає під час використання гіпоксичних сумішей із різним вмістом кисню, тобто. фактично залежить від середнього парціального тиску кисню в капілярі або міоглобіні (ділянка 0,12-0,21 на рис. 1, Б). Використання гіпероксії призвело до того, що ПК м'язом (мітохондріями) збільшився непропорційно менше, ніж збільшився парціальний тиск кисню, пов'язаного з міоглобіном (ділянка 0,21-1 на рис. 1, Б).
Теоретично зниження здатності мітохондрій споживати кисень може бути пов'язане із двома причинами. Перша - це обмеження у використанні кисню, що виникають із боку циклу трикарбонових кислот та/або окисного фосфорилювання. Можливе й альтернативне пояснення: обмеження споживання кисню пов'язане зі зниженням пропускної спроможності мітохондріальних мембран, так званою дифузійною здатністю мітохондрій.
Однак це є малоймовірним, оскільки біологічні мембрани еритроциту, м'язової клітини та мітохондрії мають подібний дифузійний коефіцієнт для кисню. Сумарна площа поверхні мітохондрій у «червоному» м'язі (m. gracilis) собаки в 200 разів більша, ніж сумарна площа капілярних стінок, прилеглих до клітинної мембрани. Тому відношення потік кисню/площа дифузії на ділянці міоплазма – внутрішня мембрана мітохондрії має бути принципово меншою, ніж на ділянці капіляр-міоплазма.
Очевидно, залежність ПК мітохондрією - тиск кисню в міоплазмі змінюватиметься зі збільшенням здатності мітохондрій споживати кисень. Збільшення активності окисних ферментів (швидкості окисних реакцій) та об'ємної щільності мітохондрій (їх розмірів та кількості) призведе до збільшення ПК при заданому парціальному тиску кисню в міоплазмі (зсуву кривої «ПК мітохондрією - тиск кисню в міоплазмі» вгору). Якщо говорити про рівень цілого м'яза, то за умови, що система доставки кисню здатна підтримати необхідний парціальний тиск кисню в міоплазмі, а об'ємна щільність мітохондрій та активність окислювальних ферментів знаходяться на гранично високому рівні, МПК залежатиме від загального обсягу мітохондрій у м'язі, т. .е. Власне від м'язової маси.
У людини, а особливо у тренованих атлетів, на кожному з етапів системи доставки кисню можуть бути виявлені фактори, що прямо або опосередковано обмежують доставку кисню до м'язів. Зрештою продуктивність системи доставки кисню визначається величиною парціального тиску кисню в міоплазмі працюючого м'яза. Якщо парціальний тиск кисню знаходиться ближче до плоскої частини залежності "споживання кисню мітохондрією - тиск кисню в міоплазмі", то подальше збільшення МПК м'язом буде обмежене здатністю мітохондрії поглинати кисень. Збільшення продуктивності системи доставки кисню будь-якому етапі у разі не призведе до значного збільшення МПК м'язом. Якщо парціальний тиск кисню перебуває в зростаючій частині залежності «споживання кисню мітохондрією - тиск кисню в міоплазмі», подальше збільшення МПК м'язом буде обмежено чинниками доставки кисню.