Глава 4. Система утилизации кислорода — поперечнополосатая скелетная мускулатура

Тканевое дыхание — это механизмы доставки и потребления кислорода, а также образование и выделение СО₂ из ткани. Путь кислорода охватывает три отрезка: транспорт кровью, диффузию из капилляров большого круга кровообращения в клетки и их митохондрии, химические реакции в митохондриях с образованием аденозинтрифосфата (АТФ).

В соответствии с описанным выше методом Фика, потребление кислорода тканями (VO₂) является интегральным показателем, учитывающим как циркуляторный компоненттранспорта кислорода— сердечный выброс,так и его гемический компонент — артериовенозную разницу по кислороду, CaO₂-CvO₂.

Из капилляров кровеносного русла О₂ диффундирует в периферические ткани, поскольку парциальное давление О₂ в капиллярах выше, чем в тканях. РО₂ в интерстициальной жидкости вне капилляров составляет, в среднем, 40 мм рт. ст., тогда как в артериальной крови — 95 мм рт. ст. В венозной крови, покидающей капилляр, РО₂ также составляет около 40 мм рт. ст. При увеличении скорости тканевого кровотока тканям доставляются большие количества О₂, в результате чего растетткане-вое РО₂. Повышение тканевого метаболизма приводит к снижению РО₂ как в периферических тканях, так и в венозной крови.

Поскольку О₂ постоянно используется тканями,внутриклеточное РО₂ всегда остается ниже интерстициального. Со снижением интерстициального РО₂ уменьшается и РО₂ внутри клеток, повышение интерстициального РО₂ ведет к увеличению внутриклеточного РО₂. Важным общим свойством живых организмов является большой запас функциональной прочности систем поддержания жизнедеятельности. Такая особенность характерна и для процессов газообмена. Для полного обеспечения процессов метаболизма достаточно РО₂1-5 мм рт. ст., в то время как внутриклеточное РО₂ может варьировать от 5 до 60 мм рт. ст. Поэтому организм человека способен функционировать при весьма существенном снижении РО₂ в атмосферном воздухе.

Нормальный компенсаторный ответ на снижение кровотока проявляется в виде увеличения поглощения кислорода, достаточного для поддержания VO₂ на нормальном уровне. К примеру, снижение сердечного выброса компенсируется увеличением артериовенозного различия по кислороду, и VO₂ остается неизменным. Уменьшение насыщения венозной крови кислородом отражаетувеличение экстракции кислорода.

Способность компенсировать снижение кровотока повышением поглощения кислорода является характерной особенностью микроциркуляторного русла практически всех органов и тканей, за исключением сердца и диафрагмы. Высокая экстракция кислорода из капиллярного ложа происходит в них уже в норме, поэтому уровень кислорода в тканях этих органов весьма чувствителен даже к незначительным изменениям кровотока.

Парциальное напряжение СО₂ в тканях равно 60 мм рт. ст., парциальное напряжение О₂ в тканях снижается до нуля. Однако в тканевой жидкости напряжение СО₂ составляет 46 мм рт. ст., а кислорода— 20-40 мм рт. ст. В артериальной крови, притекающей к тканям, напряжение СО₂ меньше 40 мм рт. ст., а напряжение О₂ — чуть более 100 мм рт. ст. Происходит газообмен, О₂ переходит в тканевую жидкость и в ткани, СО₂ — в кровь. В результате кровьстано-вится венозной, и напряжение в ней СО₂ равно 46 мм рт. ст., а напряжение О₂ — 40 мм рт. ст.

Кислород, поступивший вткани по градиенту парциального давления из крови тканевых капилляров, достигает митохондрий. На обмен кислорода и углекислого газа в тканях влияют площадь обменной поверхности, количество эритроцитов, протекающих по капиллярам в единицу времени, величина диффузионного расстояния и коэффициенты диффузии тех сред, через которые осуществляется перенос газов.

Поперечнополосатая мышечная ткань является основным потребителем кислорода при возрастающей физической нагрузке. Именно в скелетных мышцах во время выполнения работы газообмен наиболее интенсивный.

Физиология мышечного сокращения. Мышечная ткань осуществляет двигательные функции. Сократительную функцию скелетной мышечной ткани контролирует нервная система. Непроизвольные мышцы имеют вегетативную двигательную иннервацию, а также развитую систему гуморального контроля их сократительной активности.

По морфологическим признакам в организме человека выделяют две группы мышц:

• поперечнополосатые мышцы, к которым относятся скелетные и сердечная мышцы

• гладкие мышцы

Поперечнополосатые мышцы. У человека более 600 скелетных мышц (около 40% массы тела). Скелетная мышечная ткань обеспечивает осознанные и осознаваемые произвольные движения тела и его частей.

Функции поперечнополосатой мускулатуры:

• двигательная (динамическая и статическая)

• обеспечения дыхания

• мимическая

• рецепторная

• депонирующая

• терморегуляторная

• экзо-, пара- и эндокринная

• насосная (миокард сердца)

Поперечства функциональных единиц — мышечных волокон или мышечных клеток (Рисунок 12).

Клетки имеют цилиндрическую форму и расположены параллельно другдругу. Это многоядерные клетки диаметром 0,01-0,1 мми длиной до нескольких сантиметров. Пучки мышечных волокон окружены коллагеновыми волокнами и соединительной тканью. На конце мышцы коллагеновые волокна и соединительная ткань образуют сухожилия. Каждое волокно окружено сарколеммой. Волокна состоят из большого количества миофибрилл, создающих характерную поперечнополосатую исчер-ченность. В каждом мышечном волокне содержится до 1000 и более сократительных элементов, миофибрилл, толщиной 1-3 мкм. Каждая миофибрилла состоит из множества параллельно лежащих толстых и тонких нитей — миофиламентов. Толстые нити состоят из молекул белка миозина, а тонкие — из белка актина.

Морфофункциональные характеристики скелетной мускулатуры. Скелетные мышечные волокна подразделяются на быстрые и медленные в зависимости от максимальной скорости ихукороче-ния. Кроме этого, скелетные мышечные волокна могут быть окислительными, промежуточными и гликолитическими, различающимися по основному источнику энергии, по способу получения АТФ.

Окислительные мышечные волокна: основной источник энергии — жирные кислоты; энергообеспечение — окисление в митохондриях, которых много в мышечном волокне. Промежуточные мышечные волокна: основной источник энергии—жирные кислоты, глюкоза; энергообеспечение — окисление, гликолиз; среднее количество митохондрий. Гликолитические мышечные волокна: основной источник энергии — глюкоза; энергообеспечение — преимущественно анаэробный гликолиз, низкое количество митохондрий.

Быстрые мышечные волокна содержат миозин с высокой скоростью АТФ-азной активности. Напротив, миозин в медленных мышечных волокнах имеет низкую АТФ-азную активность. Поэтому скорость цикла поперечных мостиков в быстрых мышечных волокнах примерно в четыре раза выше, чем таковая в медленных мышечных волокнах, но сила, развиваемая поперечными мостиками в обоих типах мышечных волокон, примерно одна и та же.

Другой подход к классификации мышечных волокон связан с типом образования АТФ. Мышечные волокна, содержащие значительное число митохондрий и поэтому имеющие высокую скорость фосфорилирования, называются окси-дативными волокнами. Поскольку для АТФ необходимо интенсивное кровоснабжение, оксидативные мышечные волокна окружены большим числом капилляров и содержат значительное количество белка миоглобина, связывающего кислород. Оксидативные волокна еще называются красными мышечными волокнами.

Гликолитические мышечные волокна бедны митохондриями, но обладают высокой концентрацией гликолитических ферментов и значительными запасами гликогена. Вокруг таких волокон не выражена сеть капилляров и в них мало миоглобина. Их еще называют белыми мышечными волокнами.

На основе данныххарактеристик выделяюттри типа скелетных мышечных волокон:

• медленные оксидативные (тип I) с низкой миозин-АТФ-азной активностью и высокой окислительной способностью

• быстрые оксидативные волокна (тип На) с высокой миозин-АТФ-азной активностью и высокой окислительной способностью

• быстрые гликолитические волокна (тип ПЬ) с высокой миозин-АТФ-азной и высокой гликолитических активностью

Диаметр гликолитических волокон больше, чем оксидативных, что обусловливает в них большее общее число толстых и тонких филаментов исвязанноесэтимраз-витие значительного мышечного напряжения. Наконец, быстрые гликолитические мышечные волокна быстрее утомляются, а медленные оксидативные волокна устойчивы кутомлению. Быстрые оксидативные мышечные волокна занимают промежуточное положение в отношении утомления (Рисунок 13).

Механизм гликолиза имеет двойное значение. Во-первых, гликолитические реакции могут происходить в отсутствие кислорода, и мышечное сокращение может поддерживаться в течение многих секунд, а иногда более 1 мин, даже если доставка кислорода из крови невозможна. Во-вторых, скорость образования АТФ с помощью гликолиза при-мерновдвасполовиной раза выше,чем при образовании АТФ в реакциях питательных веществ клетки с кислородом. Однако конечных продуктов гликолиза в мышечных клетках накапливается так много, что примерно через 1 мин гликолиз теряет способность поддерживать максимальное мышечное сокращение.

Третьим и решающим источником энергии является окислительный метаболизм, т.е. комбинирование кислорода с конечными продуктами гликолиза и различными другими клеточными питательными веществами с высвобождением энергии. Более 95% всей энергии, используемой мышцей для непрерывного длительного сокращения, извлекается из этого источника. Потребляемыми питательными веществами являются углеводы, жиры и белки. Для длительной максимальной мышечной активности, продолжающейся в течение многих часов, основная часть энергии поступает из жиров, а при мышечной активности длительностью 2-4 ч до 50% энергии может поступать из накопленныхуглеводов.

Кровоток в мышцах. Главным в функции сердечно-сосудистой системы при физической нагрузке является обеспечение доставки необходимого количества кислорода и других питательных веществ к работающим мышцам.

Сильные тонические мышечные сокращения могут вызвать быстрое утомление мышцы из-за отсутствия доставки достаточного количества кислорода и других питательных веществ во время непрерывного мышечного сокращения, поэтому в промежутках между сокращениями кровоток к мышцам заметно возрастает.

Таким образом, при самой энергичной физической нагрузке кровоток в мышцах может вырасти примерно в 25 раз. Почти 50% увеличения связано с расширением внутримышечных сосудов в результате прямого влияния возросшего мышечного метаболизма. Остальное увеличение становится результатом действия многих факторов, наиболее важным из которых, вероятно, является умеренное увеличение артериального давления (приблизительно на 30%), происходящее при физической нагрузке. Повышение давления способствует большему кровотоку через кровеносные сосуды и растягивает стенки артериол, что дополнительно снижает сосудистое сопротивление.

Повышение кровяного давления на 30% часто может увеличить кровоток более чемвдвараза; при этом повышение кровотока, вызванное метаболическим расширением сосудов, возрастает по крайней мере еще в два раза.

Работоспособность отражает потенциальные возможности человека совершить работу в определенный отрезок времени. Утомление мышцы — это временное снижение ее работоспособности, наступающее после работы и исчезающее после отдыха. Степень мышечного утомления измеряется при помощи эргометрии. Длительное напряжение мышцы приводит к ее утомлению и неспособности совершать дальнейшую работу. Причинами утомления могут быть истощение депо гликогена и ослабление процесса АТФ, накопление протонов водорода в мышечном волокне, истощение депо кальция и утомление нервных центров, регулирующих сокращение отдельных групп мышц. Субъективно утомление ощущается в виде усталости. Поступление нервных импульсов к мышце может быть нормальным, однако механическое сокращение мышцы в ответ на импуль-сацию может бытьугнетено вследствие накопления в мышечном волокне основного медиатора утомления — протона водорода, и истощения основного источника энергии — АТФ.

Пороговые изменения при физической нагрузке. Определение пороговых изменений при физической нагрузке необходимо для оценки воспроизводимости методики и возможности сравнения показателей КРИТ каку разных исследуемых, так и у одного исследуемого от теста к тесту.

Каждый из нас, будьте элитный спортсмен, здоровый нетренированный человек или пациент с сердечной недостаточностью, при выполнении физической нагрузки нарастающей мощности проходит через определенные этапы приспособления к ней. Это последовательные этапы истощения различных приспособительных резервов.

При ФН малой интенсивности в крови исследуемого поддерживается относительно постоянное содержание лактата. В этот период в мышечных волокнах происходит расщепление глюкозы как аэробно, так и анаэробно. И если конечными продуктами аэробного окисления являются АТФ, СО₂ и вода, то при анаэробном расщеплении конечным продуктом будет пируват, который затем может быть утилизирован в митохондриях. Если митохондрий мало, пировиноградная кислота превратится в молочную, которая, в свою очередь, может быть захвачена митохондриями или, в противном случае, диссоциирует на ион лактата и протон.

Лактат может быть использован митохондриями своего мышечного волокна или митохондриями соседних мышечных волокон. Если этого не произошло, лактат выходит в кровь и оттуда может быть захвачен печенью, другими мышцами, миокардом. Когда резервные возможности данных структур — митохон-дрий мышечных волокон, печени, миокарда — по утилизации лактата исчерпываются, лактат начинает накапливаться в крови, его содержание растет— это «лактатный порог» (ЛП) ФН (Рисунок14). Нейтрализация метаболического ацидоза с помощью бикарбо-натной буферной системы организма способствует увеличению выработки VCO₂ и последующему увеличению вентиляции.

Как уже было сказано, молочная кислота диссоциирует на ион лактата и протон. Накопление протонов свидетельствует о развитии метаболического ацидоза. Первое время изменение кислотности нейтрализуется приучастии внутриклеточных буферных механизмов, при исчерпании их ресурсов протоны начинают выходить в межклеточное пространство, а затем и в кровь. pH крови при этом снижается не сразу, т.к. в крови также действуют буферные системы, в частности бикарбо-натная. При достижении лимита буферных систем pH крови начнет снижаться — это «pH-порог» ФН (Рисунок 15). Данный порог не регистрируется на графиках КРИТ, поэтому в дальнейшем в нашем руководстве он не упоминается.

Тем не менее, именно снижение pH закономерно приводит к наступлению следующего порога ФН. Дело в том, что при снижении pH повышается чувствительность периферических хеморецепторов синокаротидной зоны. Вследствие этого начинает расти минутная вентиляция по отношению к СО2. До этого момента кривая графика интенсивности минутной вентиляции совпадала с кривой выделения СО2, изолированно отражая работу центральных хеморецепторов (дыхательный центр продолговатого мозга). С присоединением усиленной импульсации периферических хеморецепторов вентиляция усиливается по отношению к СО2 — это третий порог ФН—точка респираторной компенсации (Рисунок 16). ТРИ хорошо видна на графике КРИТ, отражающем изменения вентиляторного эквивалента по углекислоте (VE/VCO2) (см. часть II. Методология кардиореспираторного нагрузочного тестирования).

Если ТРИ зарегистрирована на графике VE/VCO2, это означает, что исследуемый достиг субмаксимального усилия. Следовательно, результаты КРИТ можно считать достоверными, и на их основании врач вправе принимать клинические решения относительно тактики ведения пациента.

Четвертого порога ФН достигают не все исследуемые,т.к. при этом необходимо выполнение нагрузки, максимальной для данного субъекта мощности. При выполнении нагрузки такой мощности митохондрии человека работают в полную силу и не в состоянии утилизировать дополнительное количество кислорода. В этот период на графике КРИТ, отражающем поглощение кислорода (VO₂), появляется ровная линия, \/О₂-плато, или leveling-off, свидетельствующая о достижения лимита по поглощению кислорода. Плато может длиться 2-3 мин, при этом исследуемый продолжает выполнять ФН нарастающей мощности за счетусиления интенсивности анаэробного метаболизма, т.к. интенсивность аэробного метаболизма повысить уже нельзя, он достиг своего предела.

Этот порог ФН так и называется — «аэробный максимум», или «аэробный лимит», он хорошо виден на графике поглощения кислорода (Рисунок 16).

Резервные возможности организма человека по утилизации лактата (количество митохондрий), нейтрализации протонов буферными системами, аэробную мощность(количество митохондрий) можноувеличитьс помощью персонализированных тренировок. Этому будет посвящена отдельная глава нашего руководства.

Мышечный эргорефлекс. Двигательная активность поперечнополосатой мускулатуры была бы невозможна без мышечного эргорефлекса.

Поперечнополосатая мышечная ткань не смогла бы выполнять свою функцию по осуществлению движения и перемещения тела в пространстве, если гемодинамика и вентиляция не модулировались в соответствии с интенсивностью физической нагрузки. Подобная модуляция возможна благодаря трем высокоинтегрированным рефлексам: барорефлексу, хеморефлексу и эргорефлексу—от греческого слова «эргон», что означает «работа».

Активность эргорефлекса можно пер-сонализированно и точно оценить при помощи КРИТ. Между скелетной мускулатурой с одной стороны и сосудодвигательным и дыхательным центрами продолговатого мозга с другой существуют нейрогенные связи, которые опосредуются эргорецепторами(Рисунок 17). Эргорецепторы — это миелиновые и безмиелиновые афферентные нервные волокна, расположенные в скелетной мускулатуре и чувствительные ко всем механическим и метаболическим изменениям, возникающим в мышечном волокне в связи с выполнением работы, т.е. в ответ на физическую нагрузку.

Реагируя на метаболическое состояние поперечнополосатой мускулатуры, эргорецепторы модулируют интенсивность кровотока в мышцах и кардиореспиратор-ный ответ на физическое упражнение с целью обеспечения метаболических потребностей сокращающихся мышц. При этом происходитусиление вентиляции легких и ряд циркуляторных изменений, обусловленных повышением активности симпатической нервной системы (СНС) (Рисунок 17): увеличение ЧСС, АД, сокращение резистивных сосудов неработающих мышц. Активность эргорефлекса оценивается при помощи КРИТ, которая патологически повышается при митохондриальных миопатиях, хронической сердечной недостаточности (ХСН), хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ), легочной гипертензии (ЛГ). По изменению активности эргорефлекса в динамике можно судить об эффективности терапевтических вмешательств.