ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩЕЕ АЭРОБНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЧЕЛОВЕКА ГНЦ РФ – Институт медико-биологических проблем РАН Москва Д.В. Попов

Аэробная работоспособность – способность совершать мышечную работу предельной интенсивности, энергообеспечение которой идет преимущественно за счет реакций окисления (предельная по интенсивности нагрузка продолжительностью более 3-4 мин). Что ограничивает аэробную работоспособность ? - Система доставки О 2 - Система утилизации О 2 - Утомление работающих мышц - Доступность субстратов - Центральное утомление - Другие факторы … ?

Аэробная работоспособность – способность совершать мышечную работу предельной интенсивности, энергообеспечение которой идет преимущественно за счет реакций окисления (предельная по интенсивности нагрузка продолжительностью более 3-4 мин). Что ограничивает аэробную работоспособность ? - Система доставки О 2 - Система утилизации О 2 - Утомление работающих мышц - Доступность субстратов - Центральное утомление - Другие факторы … ?

Что ограничивает аэробную работоспособность ? - Что ограничивает пиковые возможности системы доставки О 2 ? - Каковы предельные возможности системы утилизации О 2 ? - Связанно ли накопление метаболитов в работающих мышцах с недостаточной доставкой О 2 к ним ?

Критерии аэробной работоспособности Тест с повышающейся нагрузкой до отказа. Уровень целого организма. Время Мощность Потребление кислорода [Лактат] в крови Максимальная аэробная мощность Максимальное потребление кислорода организмом (Vo 2max ) Аэробно-анаэробный переход

Критерии аэробной работоспособности Тест с повышающейся нагрузкой до отказа. Уровень целого организма. -Максимальное потребление кислорода (Vo 2max ) тканями ноги и руки. -Максимальная скорость доставки кислорода к тканям. (Van Hall et al., 2003)

Пиковое удельное VO 2 при разгибании ноги в коленном суставе значительно выше, чем при велоэргометрии. (Richardson et al., 1999) Разгибание ноги в коленном суставе Вело- эргометрия

Роль кислородно-транспортной системы. - На каком этапе кислородно-транспортная система ограничивает доставку О 2 к работающей мышце ? - Действительно ли только кислородно-транспортная система ограничивает VO 2 мах ? СО 2 Митохондрия Легкие Мышца Сердце и кровь АТФ O2O2 CO 2 О2О2

Морфология человеческого легкого. Альвеолярный капилляр с эритроцитами внутри. Стрелками обозначены диффузионные барьеры для газообмена: -стенка капилляра и плазма крови (Db) и -мембрана эритроцита (De) Диффузионная способность легких (D L O 2 ) зависит от: - скорости диффузии через De и Db - суммарной площади газообмена - градиента концентрации O 2 между альвеолярным воздухом и эритроцитом - времени нахождения эритроцита в зоне газообмена Артериальная гипоксемия: S O 2 < 94% D L O 2 = VO 2 / (APO 2 – aPO 2 ) VO 2 = D L O 2 х (APO 2 – aPO 2 )

Насыщение артериальной крови кислородам и ПК в тесте с возрастающей нагрузкой при нормоксии (F I O 2 0,21) и гипероксии (F I O 2 0,26) у тренированных женщин Артериальная гипоксемия есть у трети высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость * * (Dempsey et al., 1999)

Метаборефлекс с дыхательных мышц создает конкурентные взаимоотношения между работающими мышцами и дыхательной мускулатурой.

(Sheel et al., 2001) Интенсивная работа дыхательных мышц в покое приводит к увеличению симпатической нервной активности, адресованной сосудам мышц (МСНА), что ведет к увеличению сосудистого сопротивления (ССН) и к снижению кровотока в ногах (Q L ).

(Sheel et al., 2001) Интенсивная работа дыхательных мышц в покое приводит к увеличению симпатической нервной активности, адресованной сосудам мышц (МСНА), что ведет к увеличению сосудистого сопротивления (ССН) и к снижению кровотока в ногах (Q L ). При велоэргометрии изменение нагрузки дыхательных мышц слабо влияет на общее VO 2 и сильно влияет на VO 2 мышц ног. (Harms et al., 1997) МПК

Влияние дыхательной системы на доставку кислорода при максимальной нагрузке - респираторная система в некоторых случаях может косвенным образом ограничивать доставку O 2 к рабочим мышцам во время работы на уровне Vо 2max, как за счет развития артериальной гипоксемии, так и за счет рефлекторного перераспределения кровотока между дыхательными и работающими локомоторными мышцами.

Региональный кровоток, сосудистая пропускная способность и потребление кислорода у тренированных мужчин при велоэргометрии. (Mortensen et al., 2008) Весь организм Обе ноги Кроме ног

Региональный кровоток, сосудистая пропускная способность и потребление кислорода у тренированных мужчин при велоэргометрии. (Mortensen et al., 2008) Весь организм Обе ноги Кроме ног Снижение прироста VO 2 в мышцах ног связан с увеличением сосудистого сопротивления в ногах и снижением сердечного выброса

Почему при субмаксимальной нагрузке сердечный выброс выходит на плато? Весь организм Обе ноги Кроме ног - Дефект диастолы - Снижение венозного возврата

(Munch et al., 2014)

Почему при субмаксимальной нагрузке сердечный выброс выходит на плато? - Сердце способно достигать более высокой ЧСС, чем ЧССпик, регистрируемая при работе большой мышечной массы. - При работе большой мышечной массы венозный возврат ограничивает преднагрузку на сердце, ударный объем и сердечный выброс на около максимальных нагрузках (нагрузках близких к Vo 2max ).

Соотношение между доставкой кислорода к работающей скелетной мышце и потреблением кислорода. Парциальное давление кислорода в миоплазме зависит от скорости доставки кислород и скорости его потребления. СО 2 Митохондрия Легкие Мышца Сердце и кровь АТФ O2O2 CO 2 О2О2

Парциальное давление O 2 в миоглобине (mPO 2 ) во время разгибания ноги в коленном суставе у спортсменов (H 1 ЯМР спектроскопия). (Richardson et al., 1995, 2001) Даже при работе на максимальном уровне mPO 2 не снижается ниже критического уровня (mPO 2 ~ 0.5 мм рт.ст.).

(Richardson et al., 1995, 2001) Кислородный каскад от атмосферного воздуха до миоплазмы при нагрузке на уровне VO 2 max (разгибание ноги в коленном суставе) при нормоксии (21% O 2 ) и гипоксии (12% O 2 ).

Диффузионная способность мышц (DmO 2 ; мл О 2 /мин/мм рт.ст.) зависит от: - разности между средним капиллярным PO 2 и PO 2 в миоплазме - суммарной площади газообмена (площадь капиллярных стенок) - времени нахождения эритроцита в зоне газообмена Кислородный каскад от атмосферного воздуха до миоплазмы при нагрузке на уровне VO 2 max (разгибание ноги в коленном суставе) при нормоксии (21% O 2 ) и гипоксии (12% O 2 ). (Richardson et al., 1995, 2001) Капиллярная сеть в скелетной мышце. Видны отдельные эритроциты. Капилляр с эритроцитом, саркомеры и митохондрии DmO 2 = VO 2 / (cPO 2 – m PO 2 )

Доставка и потребление кислорода в красной мышце собаки in situ, работающей на уровне VO 2 max. (Hogan et al., 1989, Richardson et al., 1998) низкий кровоток + высокое Pa O 2 высокий кровоток + низкое Pa O 2 При одинаковой скорости доставки O 2 к работающей мышце VO 2 max может различаться.

Влияние отдельных показателей кислорода-транспортной системы на VO 2 max. Модельное исследование. (Wagner et al., 2006) Моделирование показывает: - все показатели оказывают примерно сходное влияние на изменение VO 2 max - зависимость «скорость доставки О 2 – VO 2 » нелинейная - сердечный выброс - диффузионная способность легких - диффузионная способность мышц - концентрация гемоглобина - альвеолярная вентиляция

(Roca et al., 1989) VO 2 max мышцами, скорость доставки кислорода к мышцам у спортсменов при нормоксии (F I O ) и гипоксии (F I O и 0.12).

VO 2 max мышцами, скорость доставки кислорода к мышцам у спортсменов до (Hct 46%) и после (Hct 49% и 51%) гемотрансфузии. VO 2 max мышцами, скорость доставки кислорода к мышцам у спортсменов при нормоксии (F I O ) и гипоксии (F I O и 0.12). Почему при увеличении скорости доставки кислорода к мышцам не происходит пропорционального увеличения VO 2 max мышцами ? (Roca et al., 1989) (Spriet et al., 1986)

(Wilson et al., 1977) (Richardson et al., 1999) Зависимость между потреблением кислорода в культуре почечных клеток и парциальным давлением кислорода в цитоплазме.

(Wilson et al., 1977) (Richardson et al., 1999) Зависимость между потреблением кислорода в культуре почечных клеток и парциальным давлением кислорода в цитоплазме. Зависимость между VO 2 мышцами и содержанием кислорода в миоглобине m. quadriceps. (H 1 ЯМР спектроскопия). FIO

Роль системы утилизации О 2 (Hoppeler et.al., 2004) Микрофотографии сердечной (1) и скелетной мышцы (2) 1) 2) Vv mito = 30-40% Vv mito = 3-9% При работе на уровне VO 2 max утилизация O 2 мышцей составляет около 90 % даже у высококвалифицированных спортсменов.

Увеличится ли утилизация кислорода мышцей при увеличении активной митохондриальной / мышечной массы ? muscle VO 2 = VO 2 / kg × muscle mass

Vv mito muscle VO 2 = VO 2 / kg × muscle mass Dm O 2 VO 2 max Увеличится ли утилизация кислорода мышцей при увеличении активной митохондриальной / мышечной массы ?

Vv mito muscle VO 2 = VO 2 / kg × muscle mass Dm O 2 При неизменной капиллярной плотности и Vv_mito VO 2 max Dm O 2 Площадь газообмена, Транзитное время Чем выше аэробные возможности спортсмена, тем меньше потенциал для увеличения VO 2 max за счет увеличения окислительных возможностей мышц Увеличится ли утилизация кислорода мышцей при увеличении активной митохондриальной / мышечной массы ?

Скорость восстановления фосфокреатина после нагрузки (маркер, характеризующий скорость окислительно- восстановительных реакций) в скелетной мышце тренированных и нетренированных людей.

При физической нагрузке Vo 2max у тренированных людей в большей степени лимитируется доставкой О2 к мышце, а у нетренированных – метаболическими возможностями мышц. (Richardson et al., 1999) Haseler et al., 1999 and 2007 FIO

Ааэробный метаболизм и гликолиз.

(Wasserman et.al., 1964, 1986) Ааэробный метаболизм и гликолиз.

Анаэробный порог и аэробная работоспособность - Увеличение аэробной работоспособности высококвалифицированного спортсмена тесно связано с величиной анаэробного порога (со скоростью потребления кислорода на анаэробном пороге). - Потребление кислорода на уровне анаэробного порога можно будет увеличивать до тех пор, пока не будут исчерпаны резервы сердечно-сосудистой системы по доставке кислорода к работающим мышцам, то есть пока потребление кислорода на анаэробном пороге не приблизится к Vо 2 max. Какова взаимосвязь аэробного метаболизма и гликолиза?

Снижение рН уменьшает сократительные возможности мышцы (Marcinek et.al., 2010) (Fitts, 2007) Концентрация протонов и лактата в мышце при ишемии. (Р 31 ЯМР спектроскопия).

Снижение рН уменьшает сократительные возможности мышцы (Marcinek et.al., 2010) (Fitts, 2007) Концентрация протонов и лактата в мышце при ишемии. (Р 31 ЯМР спектроскопия).

Снижение рН уменьшает сократительные возможности мышцы (Marcinek et.al., 2010) (Fitts, 2007) Концентрация протонов и лактата в мышце при ишемии. (Р 31 ЯМР спектроскопия).

(Connett et al., 1986) Концентрация лактата в мышце не связано с парциальным давлением O 2 в цитоплазме мышцы во время электрической стимуляции in situ.

(Connett et al., 1986) Концентрация лактата в мышце не связано с парциальным давлением O 2 в цитоплазме мышцы во время электрической стимуляции in situ.

(Richardson et al., 1998) Выход лактата из работающей мышцы (разгибание ноги в коленном суставе) не связан с напряжением кислорода в миоплазме (H 1 ЯМР спектроскопия) как при нормоксии (O 2 21%), так и при гипоксии (O 2 12%).

(Richardson et al., 1998) Выход лактата из работающей мышцы (разгибание ноги в коленном суставе) не связан с напряжением кислорода в миоплазме (H 1 ЯМР спектроскопия) как при нормоксии (O 2 21%), так и при гипоксии (O 2 12%).

Регулирование гликолиза и аэробных реакций. ОКИСЛЕНИЕ ПИРУВАТА Глюкоза/ гликоген Пируват Лактат Ацетил СоА Н 2 О СО 2 +АТФ О2О2 АТФ ГЛИКОЛИЗ pH АМФ, АДФ катехоламины NADH / NAD PO 2 [Ca 2+ ]

Скорость гликолитических реакций не различается при стимулировании мышц предплечья в аэробных и ишемических условиях (P 31 ЯМР спектроскопия). Скорость гликолиза зависит от мышечной активности. (Conley et al., 1998)

Глюкоза/ гликоген НЭЖК Пируват Лактат Ацетил СоА Н 2 О СО 2 +АТФ О2О2 (Gollnick et al.,1972; Costill et al., 1976; Henriksson et al., 1986) Длительная аэробная тренировка приводит к увеличению активности окислительных ферментов и не изменяет активность гликолитических ферментов. АТФ ГЛИКОЛИЗ

Потребление кислорода на уровне ПАНО (слева) и концентрация лактата в капиллярной крови (справа) при отказе от работы в тесте с повышающейся нагрузкой в зависимости от суммарного объема волокон типа I в m. quadriceps femoris у конькобежцев-многоборцев (n=15; КМС-МС). y = x r = Суммарный объем волокон типа I, мл ПК на ПАНО, л/мин y = x r = Концентрация лактата, ммоль/л Суммарный объем волокон типа I, мл (Попов и др., 2010)

У наиболее подготовленных спортсменов, тренирующих аэробные возможности, при отказе от работы в тесте с повышающейся нагрузкой наблюдается более низкая концентрация лактата в крови, что может быть как следствием многолетней адаптации к тренировочным нагрузкам, так и следствием спортивного отбора. Можно предположить, что у спортсменов, тренирующих аэробные возможности, значение закисления мышц / накопления метаболитов гликолиза в мышцах как фактора, ограничивающего аэробную работоспособность, с ростом квалификации снижается.

Выводы: - Производительность системы доставки кислорода и диффузионная способность мышц определяют величину парциального давления кислорода (Pо 2 ) в миоплазме работающей мышцы. - Если Pо 2 в миоплазме находится на возрастающей части зависимости V'о 2 митохондрией – Pо 2 в миоплазме, то увеличение V'о 2 в значительной степени ограничено факторами доставки кислорода к работающей мышце. - При увеличении Po 2 и приближении к плоской части зависимости V'о 2 митохондрией – Pо 2 в миоплазме увеличение V'о 2 в мышце ограничено способностью митохондрий поглощать кислород, а увеличение производительности системы доставки кислорода в этом случае не приведет к значимому увеличению V'о 2 мышцей. - Значительное накопление метаболитов гликолиза в работающей мышце приводит к снижению ее сократительных способностей, что также может ограничивать аэробную работоспособность. Следует отметить, что между активностью гликолиза и Pо 2 в миоплазме работающей мышцы нет жесткой зависимости.

Спасибо за внимание

(Viru & Viru, 2000) Скорость на уровне ПАНО и концентрация лактата в крови после теста с возрастающей нагрузкой до отказа у высококвалифицированных легкоатлетов различной специализации ?

Коэффициент корреляции между величиной ПАНО и концентрацией лактата в капиллярной крови при отказе от работы в тесте с возрастающей нагрузкой полn Финально е значение [лактат], ммоль/л r Физически активные (ФА-группа) м ±0.4 ( ) 0.24 Конькобежцы-многоборцы (КМС-МС) м ±0.8 ( ) Триатлонисты (МС-МСМК) м ±0.5 ( ) Лыжники (МС-МСМК-ЗМС) м ±0.3* ( )

Коэффициент корреляции между величиной ПАНО и концентрацией лактата в капиллярной крови при отказе от работы в тесте с возрастающей нагрузкой полn Финальное значение [лактат], ммоль/л r Физически активные (ФА-группа) м ±0.4 ( ) 0.24 Конькобежцы-многоборцы (КМС-МС) м ±0.8 ( ) Триатлонисты (МС-МСМК) м ±0.5 ( ) Лыжники (МС-МСМК-ЗМС) м ±0.3 * ( ) Выделены статистически значимые коэффициенты корреляции (r). – статистически значимое отличие от ФА-группы. * Концентрация лактата крови отказе от работы, ммоль/л ПАНО

Физиологический показатель M ± SEM rp МПК, л/мин 5.0± ПК при точке респираторной компенсации, л/мин 4.4± ПК ПАНО (4 ммоль/л), л/мин 4.2± ПК при вентиляторном пороге, л/мин 4.0± Мощность при точке респираторной компенсации, Вт 368± Мощность при ПАНО (4 моль/л), Вт 355± Мощность при вентиляторном пороге, Вт 330± Мощность при аэробном пороге, Вт 291± Корреляция между спортивным результатом (время 5000 м) и показателями, характеризующими аэробную работоспособность высококвалифицированных конькобежцев (Попов и др., 2008) y = -26x r=-0.93 p=0.002 R 2 = ПК на ПАНО, л/мин время 5 км, с

Какое парциальное давление O 2 в миоплазме при работе большой мышечной массы? Какова разность парциального давления O 2 в миоплазме и в митохондрии во время нагрузки? Отличается ли уровень накопления метаболитов в мышце, работающей на уровне VO 2 max, у людей с разным уровнем аэробной работоспособности? Как определить оптимальное соотношение между производительностью кислорода-транспортной системы, окислительными возможностями мышц и объемом активной мышечной массы? Как уменьшить скорость гликолиза / увеличить скорость аэробных реакций при высокоинтенсивной нагрузке? Перспективы: