Приспособление системы транспорта кислорода к возросшим потребностям организма в кислороде

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Гипоксия

Гипоксия - кислородная недостаточность - состояние, возникающее при недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его использования в процессе биологического окисления. Компенсаторной реакцией организма является увеличение уровня гемоглобина в крови. Пусковой механизм развития гипоксии связан с гипоксемией - снижением содержания кислорода в артериальной крови.

Здоровый организм может оказаться в состоянии гипоксии, если потребность в кислороде (кислородный запрос) выше, чем возможность ее удовлетворить. Наиболее распространенными причинами возникновения такого состояния являются:

1. низкое содержание кислорода во вдыхаемом воздухе в условиях высокогорья;

2. временное прекращение или ослабление легочной вентиляции при нырянии на различную глубину;

3. возрастание потребности в кислороде при выполнении мышечной работы.

В первых двух ситуациях при сохраненной или даже сниженной потребности в кислороде уменьшается возможность его получения, тогда как при выполнении мышечной работы возможности обеспечения кислородом отстают от растущей потребности, связанной с повышенным расходом энергии. Пребывание на высоте, выполнение физической работы, ныряние на различную глубину - нормальный элемент существования многих высших организмов, что свидетельствует о возможности адаптации к возникающим в этих случаях гипоксическим состояниям.

2. Свободные радикалы

По современным представлениям, около 2% всего поступившего в организм кислорода превращается в свободные радикалы - агрессивные обрывки молекул, которые разрушают организм. Установлено в огромном количестве экспериментов, что свободные радикалы отнимают у нас не один десяток лет жизни и провоцируют наиболее опасные заболевания, как-то рак, болезни сердца, мозга и др. Из всех разрушающих организм факторов, повреждение его свободными радикалами ставится обычно на первое место. Свободные радикалы окисляют организм, иначе говоря, способствуют его прокисанию. (Ещё Ломоносов и Лавуазье сравнивали дыхание с горением.) Некоторые учёные так и формулируют: старение - это прокисание. Как будто всё логично: чем меньше поступает кислорода в организм, тем меньше свободных радикалов, тем медленнее прокисание, тем дольше жизнь. С помощью наиболее мощных веществ, обезвреживающих свободные радикалы, удавалось продлевать жизнь животных на 60%.

3. Адаптация

Главная задача Жизни - приспособиться, иначе говоря, адаптироваться к окружающей среде. Очевидно, что природа должна была позаботиться об этом и наделить организмы соответствующими механизмами. И такой универсальный механизм имеется. Заключается он в следующем.

Предположим на организм совершено какое-то вредное разрушительное воздействие и в организме произошли разрушительные изменения. В ответ на это в нём запускаются восстановительные процессы. Но мудрость природы заключается в том, что вслед за полным восстановлением разрушенной функции происходит так называемое сверхвосстановление. То есть, организм на какое-то время становится ещё более стойким, чем был ранее.

Именно на этом принципе основаны, например, физические тренировки спортсменов. Физическая нагрузка приводит к определённому разрушению структур мышечных или иных клеток, после чего, за время отдыха, разрушенные структуры восстанавливаются сперва до нормы, а затем и сверх нормы. Если каждую последующую тренировку совершать в момент сверхвосстановления, то спортсмен будет постоянно прогрессировать. Очень важно заметить, что каждая функция организма реагирует на нагрузку по-разному. Так, спортсменам обычно требуется тренироваться по несколько раз в неделю; высоко-тренированным ежедневно и не по разу. Крайне важна и интенсивность нагрузки. Если она будет малой, достаточных разрушений в организме не произойдёт, то и сверхвосстановления и увеличения стойкости организма не произойдёт также. Если нагрузка будет слишком высокой, то наступит так называемый срыв адаптации с тяжёлыми для организма последствиями.

Примечательно, что принципу сверхвосстановления подвержены все функции организма. Сторонникам долголетия, например, может быть интересен такой факт. Учёные-физики из центра «Пущино» проводили единоразовое облучение молодых мышек определённой дозой радиации. В ответ на облучение, у мышек наблюдался некоторый всплеск мутаций в молекулах ДНК. Однако со временем состояние животных приходило в норму. Затем они становились здоровей обычного: меньше болели, в частности раком, а их продолжительность жизни заметно увеличивалась.

Итак, наш организм в ответ на вредное разрушительное воздействие отвечает приспособительной реакцией, которая делает его более стойким по отношению к этому воздействию, а иногда не только к нему но и некоторым другим. В первом случае, мы имеем дело со специфической адаптацией, во втором с неспецифической или общей адаптацией.

Грамотно используя способность организма к адаптации мы можем сделать наш организм более сильным, выносливым, здоровым, и заметно увеличить продолжительность жизни! Возможность адаптации к гипоксии (нехватке кислорода) занимает здесь одно из первых мест.

4. Адаптивные стратегии

Основные адаптивные стратегии для всех трех рассматриваемых случаев возникновения гипоксии являются общими:

1. пытаться поддерживать энергообеспечение организма, то есть синтез АТФ, на необходимом уровне путем борьбы за кислород;

2. снизить потребность организма в энергии, то есть уменьшить активность и уровень метаболизма;

3. использовать анаэробные процессы синтеза АТФ, но повысить толерантность, то есть способность переносить сдвиги кислотно-щелочного равновесия.

Однако при принципиальной общности адаптивных механизмов происхождение гипоксического состояния накладывает определенный отпечаток на структуру адаптации. Например, в условиях высокогорья в борьбе за кислород основная нагрузка ложится на системы транспорта (дыхание и кровообращение), что приводит к адаптивному увеличению их мощности. А при нырянии эта стратегия бесперспективна и обеспечение снабжения тканей кислородом достигается путем увеличения его запасов в организме. Очевидно также, что уменьшение активности и соответственно уровня метаболизма - хорошая стратегия адаптации к нырянию или пребыванию в высокогорье, но при выполнении мышечной работы она неприемлема.

Тем не менее, общих черт в адаптации к гипоксиям разного происхождения гораздо больше, чем различий, поэтому рассмотрим подробно картину адаптации к высотной гипоксии, а затем обратимся к особенностям адаптивных изменений при мышечной работе и нырянии.

5. Адаптация к гипоксии при мышечной работе

Реакция целого организма при выполнении мышечной работы направлена как на обеспечение мышечной деятельности, так и на поддержание при этом основных гомеостатических параметров. Причиной возникновения гипоксии являются повышенный расход энергии АТФ и, следовательно, резко возрастающая потребность мышц в кислороде, активно расходуемом на процессы окислительного фосфорилирования в митохондриях. При краткосрочной адаптации происходит нейроэндокринная стимуляция транспортных систем: увеличивается объем легочной вентиляции, минутный объем сердца. Перераспределяется кровоток в пользу работающей мускулатуры, сердца, мозга за счет внутренних органов и кожи (так что при высокой интенсивности работы может даже наблюдаться анемизация внутренних органов). При этом активация систем дыхания и кровообращения ограничена как их структурно-функциональными возможностями, так и функциональными возможностями центрального аппарата их регуляции. У нетренированного организма эти возможности меньше, чем у тренированного. Возрастает частота, а не глубина дыхания, наблюдается дискоординация между вентиляцией и кровотоком в легких, а также между дыханием и движениями, минутный объем сердца возрастает в основном за счет увеличения частоты сердечных сокращений. Таким образом, как и при высотной гипоксии, наблюдается максимальная по уровню и неэкономичная гиперфункция систем, ответственных за адаптацию, утрата функционального резерва. В результате двигательные реакции оказываются неадекватными по интенсивности, длительности и точности. При длительных тренировках, как и при адаптации к горной гипоксии, происходит перенос основной тяжести с процессов транспорта на процессы утилизации кислорода, на повышение их экономичности. На единицу выполненной работы потребляется меньшее количество кислорода. Все это подкрепляется изменениями на молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевом уровнях. Одновременно увеличиваются мощность и экономичность функционирования двигательного аппарата, совершенствуется межмышечная координация.

Особенности адаптации к гипоксии при мышечной работе проявляются в характере изменений, наблюдаемых в самих мышцах в зависимости от тяжести и длительности физической нагрузки. При умеренных, но длительных нагрузках степень возникающей гипоксии ниже, чем при интенсивной работе, которая не может выполняться продолжительно.

В связи с этим при постоянной тренировке к умеренной работе разрастание сосудистой сети в мышцах, сердце, легких, увеличение числа митохондрий и изменение их характеристик, возрастание синтеза окислительных ферментов, усиление эритропоэза, ведущее к увеличению кислородной емкости крови, позволяют снизить уровень гипоксии или предотвратить ее. Выполнение интенсивной работы приводит к возникновению гипоксии при любой длительности тренировок. Специфика такой работы состоит в том, что расход кислорода и субстратов окисления в мышцах в единицу времени столь велик, что быстро восполнить их запасы усилением работы транспортных систем нереально. Мышцы, способные к выполнению такой нагрузки, фактически работают при этом в автономном режиме, рассчитывая на собственные ресурсы. На первые роли выходят процессы анаэробного гликолиза - малоэффективные, сопровождающиеся накоплением нежелательного метаболита - молочной кислоты и соответственно сдвигом pH, но единственно надежные в этой ситуации.

Поэтому в процессе адаптации к интенсивной (как правило, кратковременной) работе в мышцах развивается иной спектр адаптивных приспособлений, чем к длительной умеренной работе. Увеличивается мощность системы анаэробного гликолиза за счет повышенного синтеза гликолитических ферментов, повышаются запасы гликогена и креатинфосфата - источников энергии для синтеза АТФ. Увеличены мощность эндоплазматической сети в мышечных волокнах и количество хранящегося в ней Са2 +, играющего одну из главных ролей в сокращении. Это позволяет отвечать мощным залповым выбросом кальция из цистерн сети в ответ на приходящий к мышцам импульс возбуждения и тем самым увеличивать мощность сокращения. Усилен биосинтез сократительных белков, повышена активность АТФазы - фермента, расщепляющего АТФ, необходимую для сокращения.

Все эти реакции не устраняют развития тканевой гипоксии и приводят к накоплению больших количеств недоокисленных продуктов. Поэтому важным аспектом адаптивных реакций в этом случае является формирование толерантности, то есть устойчивости к сдвигу рН. Это обеспечивается увеличением мощности буферных систем крови и тканей, возрастанием так называемого щелочного резерва крови. Увеличивается также мощность системы антиоксидантов в мышцах, что ослабляет или предотвращает перекисное окисление липидов клеточных мембран - один из основных повреждающих эффектов стресс-реакции.

При тренировке к интенсивной работе чувствительность дыхательного центра к углекислому газу снижена, что защищает дыхательную систему от ненужного перенапряжения. При систематическом выполнении умеренных физических нагрузок, сопровождающихся усилением легочной вентиляции, дыхательный центр, напротив, повышает чувствительность к СО2 , что обусловлено понижением его содержания вследствие вымывания из крови при усиленном дыхании.

6. Адаптация организмов к гипоксии при нырянии

Если организм, дышащий воздухом с помощью легких, вынужден опускаться под воду, гипоксия возникает из-за невозможности извлечь кислород из воды или принести его с собой под воду в неограниченных количествах. При исчерпании энергоресурсов и недостатке кислорода организм включает анаэробный гликолиз, что ведет к таким же последствиям, как при высотной гипоксии. Диапазон длительности пребывания под водой составляет от 1-4 мин у человека. При соблюдении общих стратегий адаптации к гипоксии при нырянии выражены и ее специфические черты. В связи с необходимостью задержки дыхания при нахождении под водой невозможной становится активация внешнего дыхания, типичного для краткосрочной адаптации к высотной гипоксии или гипоксии при мышечной работе. Поэтому борьба за поддержание кислородного гомеостаза наиболее ярко проявляется в увеличении запасов кислорода, уносимого под воду. Основной запас кислорода у ныряльщиков находится не в легких, а в крови и мышцах, в комплексе с Hb и Mb (миоглобином). Высокая концентрация Hb в сочетании с разрастанием сосудистого русла приводит к существенному увеличению кислородной емкости крови. При нырянии особенно ярко проявляется снижение общего обмена веществ и энергетических потребностей большинства органов и тканей. Это обусловлено расслаблением большей части мускулатуры и снижением функциональной активности большинства органов, включая сердце. Кислород крови используется в основном для обеспечения сердца и мозга. Кровоснабжение остальных частей тела при погружении отключается от общего кровотока благодаря наличию специальных сфинктеров. Использовав запас кислорода, связанного с миоглобином, скелетные мышцы и другие лишенные кровоснабжения органы переходят на анаэробный режим энергообеспечения. Мощность анаэробного гликолиза велика и позволяет снабжать организм энергией достаточно долго. Накапливающиеся в больших количествах метаболиты - активаторы дыхания - не способны достичь главных рецепторных зон, посылающих сигналы в дыхательный центр. Только после всплытия к поверхности молочная кислота поступает в основной кровоток, и интенсивность дыхания значительно возрастает. Поскольку CO2 и кислые метаболиты снижают прочность связывания Hb с кислородом, при их накоплении происходит более полная отдача кислорода тканям.

7. Различия адаптивных стратегий

Во всех рассмотренных примерах адаптации к гипоксии используются одни и те же основные адаптивные стратегии, сочетающие процессы, направленные на поддержание кислородного гомеостаза с повышением устойчивости к недостатку кислорода, в том числе и путем снижения потребности в нем. Имеющиеся различия в большинстве случаев носят количественный характер (например, в уровне снижения основного обмена или в концентрации миоглобина), но иногда они весьма принципиальны (например, снижение чувствительности дыхательного центра к CO2 у ныряющих организмов и ее адаптивное повышение у обитателей высокогорья). Универсальные пусковые механизмы адаптивных процессов проявляются на всех уровнях регуляции.

8. Гипоксическая тренировка

Организм хранит генетическую память о жизни при низком содержании кислорода в окружающей среде и, при необходимости, относительно легко адаптируется к гипоксии. Например, любой специалист спорта знает, что из всех физических качеств (быстрота, сила и др.), именно выносливость, которая связанна с развитием адаптации к дефициту кислорода тренируется легче других. Это же касается и гипоксической тренировки.

Как и во время любой тренировки или нагрузки во время гипоксической тренировки происходит ряд разрушительных процессов, которые так нужны для последующего сверхвосстановления.

9. Изменения в организме

По мере развития адаптации к гипоксии в организме начинают происходить те изменения, которые и делают наш организм более стойким к кислородному голоданию - такие изменения, которые делают организм более здоровым и позволяют ему дольше жить! Происходят глубокие биохимические и структурные изменения. Речь идет об адаптации клеточных структур в новых условиях функционирования.

Причинами реакций биохимической адаптации при гипоксическом воздействии, видимо, являются изменения внутриклеточного метаболизма, замедление обновления биомембран. Частичное разрушение компонентов биомембран освобождает протеолитические ферменты, что, в свою очередь, ведет к деградации некоторых белков и образованию полицептидов. Последним отводится роль регуляторов синтеза ДНК, РНК.

Активация синтеза белков, протекающая в условиях накопления недоокисленных продуктов, приводит к модификации структуры и свойств макромолекул, создает запас прочности биохимических реакций и возможность их полноценного протекания в условиях пониженного содержания кислорода.

Одновременно с перестройкой структуры в цепи окислительного фосфорилирования идет процесс активизации анаэробного гликолиза, что вносит свой вклад в энергообеспечение организма.

Возникают структурные изменения в клетках, особенно в клеточных мембранах. Меняется в лучшую сторону состав ферментов и др. Вообще, клетки приобретают способность лучше утилизировать и использовать кислород.

Улучшается микроциркуляция в органах и тканях за счет раскрытия, резервных капилляров, а также - образования новых сосудов. Повышается кислород-транспортная функция крови и стимуляция красного ростка костного мозга, а также повышается содержание гемоглобина. При клинических исследованиях на уровне органов и систем по мере адаптации к гипоксическим нагрузкам наблюдается ряд эффектов:

1. Улучшение микроциркуляции в органах и тканях за счет раскрытия, резервных капилляров, а также - образования новых, ранее не существовавших сосудов. Повышение кислородотранспортной функции крови за счет выброса форменных элементов крови из депо и стимуляция красного ростка костного мозга, а также повышение содержания гемоглобина.

2. Иммуномодулирующее действие, которое выражается подавлением патологических звеньев иммунитета и активизацией депрессивных звеньев. Отмечается повышение количества антителпродуцирующих клеток и синтеза иммуноглобулинов, активизации фагоцитоза. Снижается активность аллергических реакции.

3. Повышение активности антиоксидантной системы - системы защиты клеточных мембран. Снижается активность перекисного окисления липидов в клеточных мембранах.

4. Мобилизация эндокринных механизмов функциональной регуляции "гипоталамус- гипофиз- кора надпочечников", что реализуется повышением уровня обшей сопротивляемости организма по отношению к различным экстремальным факторам внешней среды.

5. Повышение устойчивости к химическим интоксикациям (в том числе лекарственным, например, при проведении химиотерапии), к физическим факторам внешней среды.

6. Антистрессовое действие. Состояние хронического стресса характеризуется наличием доминантного застойного очага в центральной нервной системе, характерными сдвигами в формуле и биохимии крови.

7. Повышение работоспособности, снижение утомляемости, регрессию тех заболеваний, с которыми они обратились. На фоне улучшения самочувствия представляется возможным снизить суточные дозы медикаментозной поддерживающей терапии.

8. Радиозащитное действие. Во-первых, хронологически - это первая серьезная проверка метода в клинике (1975 г.). Было показано, что применение гипоксических тренировок при пpeдoперaциoннoй лучевой терапии злокачественных новообразований позволяет увеличить суммарную очаговую дозу облучения на 25%. Если учесть, что эта группа больных весьма многочисленна, то становится очевидной перспектива применения гипоксирадиотерапии. Во-вторых, радиозащитное действие гипоксии принято называть специфическим, поскольку оно непосредственно связано с патогенезом лучевой болезни, предотвращая повышение концентрации кислородных радикалов. В-третьих, методический подход при проведении гипоксирадиотерапии несколько иной: на протяжении всего времени лучевою воздействия (например, сеанса гамма-терапии) больной непрерывно находится в состоянии дозированной гипоксии, постоянно вдыхая ГГС-10.

Однако кроме специфической адаптации, то есть адаптации именно к гипоксии, развивается и неспецифическая - организм в целом становится более стойким. Происходит это из-за усиления эндокринных механизмов - гипоталамус/гипофиз/кора надпочечников и др.

Под воздействием гипоксической тренировки наш организм приобретает способность более качественно обеспечивать себя меньшим количеством кислорода. Теперь наши клетки, ткани и органы лучше защищены от кислородного голодания.

А кроме того, раз кислорода в организм поступает меньше, то меньше образуется и свободных радикалов.

10. Гипокситерапия

гипоксический адаптивный нормобарический

Гипокситерапия - методика улучшения функционального состояния, работоспособности, жизнеспособности и качества жизни больного человека путем дозированных гипоксических воздействий.

Даже при незначительной гипоксической нагрузке, человеческий организм бурно реагирует, включая большое количество защитных механизмов саморегуляции. Использование этих мощных механизмов легло в основу метода лечения, предложенного в 1970-х годах проф. Р.Б. Стрелковым (ныне президентом Академии проблем гипоксии) -- метода «Прерывистой нормобарической гипокситерапии».

В последние годы мы являемся свидетелями повышения интереса к натуральным методам профилактики и лечения. К ним можно отнести фитотерапию, магнито-лазеротерапию, соляные пещеры, ряд других методов и подходов, включая гомеопатические. В этот круг естественно вписывается и Прерывистая нормобарическая гипокситерапия (ПНГ) как природный стимул неспецифической резистентности организма человека (метод "Горный воздух").

Сегодня множество клиник применяет гипокситерапию в лечении нейроциркуляторной дистонии, ишемической болезни сердца, гипертонической болезни, органических и функциональных расстройств центральной нервной системы, бронхиальной астмы, анемии, астеноневротических и психастенических состояний.

Физиологические, психофизиологические, биохимические и иммунологические механизмы оздоравливающего действия гипокситерапии используются для повышения физической, умственной и операторской работоспособности, переносимости температурных, шумовых, гравитационных и вестибулярных воздействий.

У пациентов на фоне лечения происходит улучшение общего самочувствия, повышается устойчивость к стрессовым ситуациям, снижается общее психоэмоциональное напряжение, проходят головные боли, связанные с переутомлением, улучшается сон, уменьшается раздражительность, утомляемость, повышается работоспособность. Исследования последних лет показали, что гипокситерапия оказывает глубокое нормализующее действие на весь организм, улучшаются показатели углеводного, жирового, белкового, электролитного обмена, восстанавливается микроциркуляция, возрастают энергетические процессы на уровне клетки. Это позволило успешно применить метод для лечения серьезных заболеваний. В результате научных исследований получены хорошие результаты в лечении и профилатике ишемической болезни сердца, гипертонической болезни, бронхиальной астмы, ревматоидного артрита, отмечается значительное снижение смертности после инфаркта миокарда. Гипокситерапия обладает свойством повышать иммунитет. После окончания курса отмечается повышение сопротивляемости организма к инфекциям в 3-5 раз. Для практически здоровых людей гипокситерапия показана для повышения физической (особенно для спортсменов) и умственной работоспособности.

В результате метод нормобарической гипокситерапии показан:

I. Практически здоровым людям:

* для повышения физической работоспособности и устойчивости к эмоциональным перегрузкам;

* с целью повышения устойчивости к побочному действию фармакологических средств (химиотерапевтические препараты и др.) и к действию ядов минерального и животного происхождения;

* для повышения устойчивости к инфекционным заболеваниям;

* в качестве профилактики осложнений при родах;

* с целью увеличения продолжительности физической и интеллектуальной жизни.

II. Для лечения и реабилитации больных:

* при хронических заболеваниях кардиореспираторной системы (гипертоническая болезнь 1-11 стадии, ишемическая болезнь сердца, постинфарктный кардиосклероз, хронический бронхит, бронхиальная астма);

* при болезнях кроветворных органов (гипопластическая и железодефицитная анемии, пострадиационные нарушения кроветворения);

* при болезнях желудочно-кишечного тракта (вне стадии обострения);

* при хронических воспалительных процессах половой сферы, при токсикозах 2-й половины беременности;

* при нарушениях обмена веществ (сахарный диабет и др.);

* при астенических и депрессивных состояниях, неврозах, соматизированных психопатологических синдромах);

* при сниженной устойчивости организма к неблагоприятным условиям внешней среды (экологические, климатические и метеорологические факторы, стрессы и т.п.).

Размещено на Allbest.ru