Факторы, ограничивающие аэробную работоспособность на уровне отдельной мышцы у людей с различным уровнем тренированности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Попов Даниил Викторович

ФАКТОРЫ, ОГРАНИЧИВАЮЩИЕ АЭРОБНУЮ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ НА УРОВНЕ ОТДЕЛЬНОЙ МЫШЦЫ У ЛЮДЕЙ С РАЗЛИЧНЫМ УРОВНЕМ ТРЕНИРОВАННОСТИ

03.00.13. - физиология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Москва 2007

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации - Институте медико-биологических проблем Российской академии наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор ВИНОГРАДОВА Ольга Леонидовна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор, ВОЛКОВ Николай Иванович

доктор медицинских наук, КАТУНЦЕВ Владимир Петрович

Ведущая организация: Институт возрастной физиологии Российской академии образования

Защита диссертации состоится «02» ноября 2007 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета К 002.111.01 в ГНЦ РФ - Институте медико-биологических проблем РАН по адресу: 123007, г. Москва, Хорошевское ш., 76а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ - ИМБП РАН

Автореферат разослан «01» октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Пономарева Ирина Павловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

кислород мышечый нагрузка аэробный

Актуальность проблемы

Как известно, для мышечного сокращения требуется энергия, выделяемая при гидролизе молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Запасов АТФ в мышечной клетке хватает всего лишь на 1-2 секунды максимальных сокращений, причем даже при многолетней физической тренировке концентрация АТФ в мышце практически не меняется (Нюсхолм, 1977; Brooks et al., 1999). Во время работы АТФ ресинтезируется в мышце за счет анаэробных реакций (расщепления креатинфосфата и анаэробного гликолиза) или за счет реакций окисления. Энергообеспечение работы продолжительностью более 3-4 минут происходит главным образом за счет аэробных реакций (Maughan et al., 1997). Можно утверждать, что человек при прочих равных условиях (одинаковых морфо-антропометрических параметрах, одинаковой технике выполнения упражнения и одинаковой мотивации) будет развивать и поддерживать тем большую мощность работы, чем больше молекул АТФ будет гидролизировано и ресинтезировано за данный промежуток времени. Поэтому оценка интенсивности аэробных процессов во время работы представляет большой прогностический интерес для определения работоспособности организма.

Ограничение аэробной работоспособности связывают с низкой скоростью доставки кислорода к мышцам (Saltin et al., 2006), недостаточными диффузионной способностью (Wagner et al., 2006) и окислительным потенциалом мышц (Hoppeler et al., 1998), или чрезмерным накоплением метаболитов анаэробного гликолиза (Renaud et al., 1986). Система доставки и утилизации кислорода достаточно сложна и включает несколько этапов. Неудивительно, что не удается выделить единственную, “главную” причину, ограничивающую аэробную работоспособность людей разного уровня функциональной подготовленности. Проблема выявления факторов, ограничивающих аэробную работоспособность, становится особенно актуальной, когда речь идет о высоко тренированных спортсменах, работающих с предельным напряжением систем вегетативного обеспечения мышечной деятельности. Для правильной организации тренировочного процесса у этого контингента необходимо четко представлять физиологические механизмы, ограничивающие рост аэробной работоспособности и иметь обоснованный алгоритм выбора методик тренировок, направленных на ее увеличение.

Цель работы. Изучить факторы, ограничивающие аэробную работоспособность человека на уровне целого организма и отдельной мышцы.

Задачи исследования:

1. Изучить динамику потребления кислорода целым организмом и отдельной мышцей во время теста с повышающейся нагрузкой при работе мышечных групп различной массы (велоэргометрия и разгибание ноги в коленном суставе).

2. Оценить вклад аэробных и анаэробных процессов в энергообеспечение мышечной деятельности у людей с различным уровнем тренированности, в том числе у высококвалифицированных спортсменов. Выявить факторы, ограничивающие дальнейший рост аэробной работоспособности.

3. Исследовать возможность использования низкоинтенсивной силовой тренировки без расслабления мышц для преимущественной гипертрофии волокон I типа с целью увеличения аэробной работоспособности.

Научная новизна.

1. Впервые продемонстрировано, что у тренированных людей во время работы большой мышечной массы при достижении уровня порога анаэробного обмена может происходить интенсификация анаэробного гликолиза без снижения кровенаполнения работающей мышцы.

2. Впервые показано, что у высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость, с ростом тренированности происходит снижение концентрации лактата в крови при максимальной аэробной нагрузке, при этом потребление кислорода на уровне порога анаэробного обмена (ПАНО) может практически совпадать с максимальным потреблением кислорода.

3. У спортсменов, тренирующих выносливость, найдена корреляционная связь между аэробной работоспособностью и объемом волокон I типа в работающей мышце. Впервые показано, что преимущественной гипертрофии волокон I типа можно добиться с помощью низкоинтенсивной силовой тренировки без расслабления.

Научно-практическая значимость.

1. Предложен основанный на методе инфракрасной спектрометрии способ оценки эффективности утилизации кислорода работающей мышцей.

2. Разработана методика специальной силовой тренировки для преимущественного увеличения размеров волокон I типа.

3. Предложен алгоритм выбора методик тренировок, направленных на увеличение аэробной работоспособности.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При работе большой мышечной массы рост потребления кислорода организмом и кровенаполнения отдельной работающей мышцы при увеличении мощности не ограничивается периферическими механизмами, а, по-видимому, определяется производительностью сердца.

2. У тренированных людей интенсификация анаэробного гликолиза может происходить независимо от процесса доставки кислорода к мышце. У высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость, концентрация лактата в крови при максимальной аэробной нагрузке снижается с ростом тренированности.

3. У спортсменов, тренирующих выносливость, аэробная работоспособность, оцениваемая по потреблению кислорода на уровне порога анаэробного обмена (ПАНО), связана с суммарным объемом мышечных волокон I типа в работающей мышце. Силовая тренировка с низкой нагрузкой без расслабления мышц приводит к преимущественной гипертрофии этих волокон.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях молодых ученых ГНЦ РФ - ИМБП РАН (Москва 2005, 2006, 2007); на XIX и XX съездах физиологического общества им. И.П. Павлова (Екатеринбург 2004, Москва 2007); на III и IV Всероссийских с международным участием школах-конференциях по физиологии мышц и мышечной деятельности (Москва 2005, 2007); на 10-ом, 11-ом и 12-ом Ежегодных конгрессах Европейского колледжа спортивных наук (Белград, Сербия 2005, Лозанна, Швейцария 2006, Юваскуля, Финляндия 2007).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.

Диссертация апробирована на заседании секции «Космическая физиология и биология» Ученого совета ГНЦ РФ - ИМБП РАН 28 мая 2007 года.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 134 страницах машинописного текста и состоит из введения, литературного обзора, описания методов исследования, 4-х глав собственных исследований, итогового заключения, выводов и списка цитируемой литературы. Последний включает 318 источников, 32 из которых опубликованы в отечественных изданиях, 286 - в иностранных. Диссертация иллюстрирована 15 рисунками и одной таблицей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Организация исследования

В экспериментах участвовал 151 человек: физически активные добровольцы и высококвалифицированные спортсмены, тренирующие выносливость. Все обследуемые были заблаговременно проинформированы о характере и возможных неблагоприятных последствиях экспериментальных воздействий и дали письменное согласие на участие в исследованиях. Программы экспериментов были одобрены Комиссией по биомедицинской этике ГНЦ РФ - ИМБП РАН.

Таблица 1. Структура и объем экспериментального материала. Расшифровка сокращений приведена в тексте.

Эксперимент	Воздействие	Количество обследуемых
Оценка потребления кислорода организмом при работе большой и малой мышечной массы.	Тест с возрастающей нагрузкой до отказа: на велоэргометре и при разгибании ноги в коленном суставе.	7 физически активных мужчин.
Оценка роли аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения в ограничении максимальной аэробной работоспособности.	Тест с возрастающей нагрузкой до отказа.	6 физически активных мужчин, 9 регулярно тренирующихся спортсменов.
Определение концентрации лактата при максимальной аэробной нагрузке.	Тест с возрастающей нагрузкой до отказа.	74 высококвалифицированных спортсмена, тренирующих выносливость (КМС-ЗМС).
Сопоставление ПАНО с морфологическими характеристиками мышцы.	Биопсия m. vastus lateralis. Тест с возрастающей нагрузкой.	21 высококвалифицированный спортсмен, тренирующий выносливость (КМС-МС). 16 физически активных мужчин.
Стимуляция гипертрофии мышечных волокон I типа (тренировка без расслабления).	8-нед. силовая тренировка. Биопсия m. vastus lateralis. Тестирование МПС.	18 физически активных мужчин.
Общее количество обследуемых - 151 человек

Потребление кислорода организмом во время теста с повышающейся нагрузкой до отказа при работе большой и малой мышечной массы. 7 молодых физически активных мужчин (вес 71±2 кг, максимальное потребление кислорода (МПК) 50±2 мл/мин/кг) в случайном порядке выполняли два теста с непрерывно возрастающей нагрузкой до отказа: тест на велоэргометре и тест с разгибанием ноги в коленном суставе на специально сконструированном эргометре. Условия работы для основных рабочих мышц разгибателей коленного сустава были уравнены: частота движений была 60 циклов/мин, работа начиналась с нулевой мощности, скорость прироста мощности в тесте с разгибанием ноги в коленном суставе подбиралась таким образом, чтобы время работы до отказа в обоих тестах было примерно одинаковым. Во время тестов регистрировали потребление кислорода (ПК) организмом (газоанализ), насыщение артериальной крови кислородом (пульсоксиметрия), изменения концентрации гемоглобина и дезоксигемоглобина в m. vastus lateralis (инфракрасная спектрометрия); каждые две минуты во время теста и сразу после отказа от работы измеряли концентрацию лактата в капиллярной крови для определения порога анаэробного обмена (ПАНО).

Роль аэробных и анаэробных процессов в ограничении максимальной аэробной работоспособности у людей с различным уровнем тренированности. 6 физически активных мужчины (ФА-группа, вес 77±7 кг, МПК 45±1 мл/мин/кг) и 9 регулярно тренирующихся спортсменов (С-группа, вес 77±3 кг, МПК 55±1 мл/мин/кг) выполняли тест с непрерывно возрастающей нагрузкой до отказа на велоэргометре. Во время теста регистрировали показатели насыщения артериальной крови кислородом (пульсоксиметрия), изменения концентрации гемоглобина и дезоксигемоглобина в m. vastus lateralis (инфракрасная спектрометрия), каждые две минуты во время теста и сразу после отказа от работы измеряли концентрацию лактата капиллярной крови для определения ПАНО.

Изменение активности анаэробного гликолиза при максимальной аэробной нагрузке с ростом тренированности у высококвалифицированных спортсменов. В первой серии обследовали спортсменов из юношеской (n=13) и молодежной (n=8) сборных команд России по скоростному бегу на коньках (спортивная квалификация: кандидат в мастера спорта (КМС) - мастер спорта (МС)). Тестирование проходило в начале подготовительного сезона. Через три месяца было проведено повторное тестирование молодежной команды (n=8). Спортсмены выполняли тест с повышающейся нагрузкой до отказа на велоэргометре.

Во второй серии обследовали 53 высококвалифицированных спортсмена (КМС - заслуженный мастер спорта (ЗМС)) - членов юношеской, молодежной и основной сборных команд страны по скоростному бегу на коньках (31 мужчина и 10 женщин), лыжным гонкам (6 мужчин) и биатлону (6 женщин). Спортсмены выполняли тест с повышающейся нагрузкой до отказа на велоэргометре, бегущей дороге или лыжероллерах, соответственно. Во время теста регистрировали концентрацию лактата в капиллярной крови и ПК организмом, затем рассчитывали ПК на уровне ПАНО.

Сопоставление ПАНО с морфологическими характеристиками мышцы. 21 спортсмен-конькобежец (КМС-МС; вес 75±1 кг, МПК 4,2±0,1 л/мин) и 16 молодых физически активных мужчин (вес 73±2 кг, МПК 3,4±0,1 л/мин) проходили антропометрическое обследование и выполняли тест с повышающейся нагрузкой на велоэргометре. Во время теста регистрировали концентрацию лактата в капиллярной крови и ПК организмом, определяли МПК. Через 2 суток после велоэргометрического теста брали мышечную биопсию из m. vastus laterelis. Рассчитывали объем m. quadriceps femoris (антропометрия). В биопсических пробах определяли процент волокон I и II типа, площадь поперечного сечения (ППС) мышечных волокон, площадь, занимаемую волокнами каждого типа, на поперечнике мышцы, рассчитывали объем, занимаемый волокнами каждого типа в m. quadriceps femoris.

Преимущественная гипертрофия мышечных волокон I типа при силовой тренировке с низкой нагрузкой без расслабления мышц. 18 молодых физически активных мужчин (вес 75±3 кг, МПК 45±2 мл/мин/кг) трижды в неделю на протяжении 8-ми недель тренировали разгибатели коленного и тазобедренного суставов на силовом тренажере “жим ногами сидя” в многосуставном движении - разгибании ног. 9 из них (К-группа) тренировались по обычной схеме силовой тренировки (нагрузка - 80% от максимальной произвольной силы (МПС)), а остальные 9 человек (Н-группа) по схеме низкоинтенсивной (нагрузка - 50% от МПС) силовой тренировки без расслабления. При выполнении упражнения участники второй группы не доводили платформу тренажера до крайних точек, что обеспечивало постоянное напряжение мышц в течение всего упражнения. До и после тренировочного цикла определяли МПС, объем m. quadriceps femoris и m. gluteus maximus (МР-томография). В биопсических пробах мышечной ткани определяли площадь, занимаемую волокнами I и II типа на поперечнике m. vastus lateralis. На 2-й и 7-й неделях тренировочного цикла до и через 18 ч после занятия в крови определяли активность мышечной креатинфосфокиназы (М КФК).

Материалы и методы исследования

Непрямая калориметрия (газоанализ). В режиме breath-by-breath определяли потребление кислорода организмом с использованием портативного газоанализатора MetaMax 3B, Cortex, Германия (Beaver et al., 1981).

Инфракрасная спектроскопия. Измеряли оксигенацию срединной части m. vastus lateralis (спектрометр NIRO-200, Hamamatsu Photonics K.K., Япония). Определяли изменения концентрации гемоглобина и дезоксигемоглобина - показателей, связанных с доставкой кислорода и его потреблением тканью (Mancini et al., 1994).

Максимальная произвольная сила. МПС мышц разгибателей ног определяли на силовом тренажере “жим ногами сидя”.

Объем мышц m. quadriceps femoris и m. gluteus maximus (эксперимент с силовой тренировкой) рассчитывали на основании данных МР-томографии. Сканирование бедра проводили с шагом 2 см на томографе Magnetom 63SP (Siemens, Германия). Измерения были проведены Д.В. Устюжаниным в Институте клинической кардиологии им. А.Л. Мясникова РКНПК МЗ РФ.

Объем m. quadriceps femoris рассчитывали с помощью регрессионных уравнений (Воронов, 2003) по антропометрическим данным. Антропометрические измерения были выполнены сотрудницей Лаборатории физиологии мышечной деятельности ИМБП Ю.Б. Лемешевой.

Морфологические показатели в мышечных пробах. Методом игольчатой биопсии брали пробы ткани из m. vastus lateralis (Bergstrom et al., 1967). Для выявления изоформ тяжелых цепей миозина применяли иммунофлуоресцентную методику с использованием антител против медленных (MHCs) и быстрых (MHCf) цепей миозина (Novocastra Laboratories LTD, Великобритания). Анализ срезов проводили с помощью системы анализа изображений (Quantimet-500, Leica, Германия). Взятие биопсических проб и измерение морфологических показателей были выполнены сотрудницей Лаборатории физиологии мышечной деятельности ИМБП Е.В. Любаевой.

Определяли мышечную композицию и площадь поперечного сечения (ППС) мышечных волокон (>100 волокон на анализ). Площадь, занимаемую мышечными волокнами I и II типов на поперечном срезе m. vastus lateralis, рассчитывали как произведение процентного содержания волокон данного типа в мышце на среднюю ППС волокон данного типа. На основании предположения о равномерном распределении мышечных волокон в m. quadriceps femoris рассчитывали объем, занимаемый волокнами I и II типов в m. quadriceps femoris как произведение относительной площади занимаемой волокнами данного типа на объем m. quadriceps femoris.

Биохимические показатели в крови.

Концентрацию лактата в крови определяли электрохимическим методом (анализатор Super GL easy, Dr. Mueller, Германия).

Активность КФК в крови определяли иммуноферментным методом (DSL, США) до и через 18 ч после физической нагрузки (анализатор Stat Fax 2100, США). Оценивали активность общей КФК и ее сердечного изофермента (С КФК). Вычисляли активность мышечной М КФК, как разницу между КФК и С КФК. Измерение активности КФК в крови было выполнено сотрудницей Лаборатории физиологии мышечной деятельности ИМБП Д.В. Цвиркун.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В настоящее время наиболее употребимым параметром, характеризующим аэробную работоспособность, является МПК. В то же время многократно показано, что спортивный результат на длинных дистанциях (работа длительностью более 3-4 мин) зависит от мощности, развиваемой на уровне ПАНО (Farrell et al., 1979; Komi et al., 1981; Svedenhag et al., 1984; Rusko et al., 1986; Wasserman et al., 1990; Mader et al., 1991; Loat et al., 1993; Dekerle et al., 2003; Волков и др., 2004; Попов и др., 2007). Поэтому для ответа на вопрос, что ограничивает аэробную работоспособность, следует понимать, что ограничивает увеличение мощности на ПАНО или ПК на уровне ПАНО.

Потребление кислорода организмом во время теста с повышающейся нагрузкой до отказа при работе большой и малой мышечной массы. Для определения МПК используют тест со ступенчато повышающейся нагрузкой до отказа при работе с участием большой мышечной массы - велоэргометрия, бег, гребля. Как правило, при достижении околомаксимальной мощности в этом тесте ПК организмом выходит на плато или даже снижается. При использовании тестов с непрерывно повышающейся нагрузкой, данный феномен проявляется не всегда (Sue et al., 1994; Sietsema et al., 1994; Roca et al., 1997; Day et al., 2003; Rossiter et al., 2006; Lacour et al., 2007). Отсутствие выхода ПК на плато связывают с тем, что при максимальной аэробной нагрузке в работу могут включаться дополнительные мышечные группы, которые потребляют кислород и увеличивают ПК организмом вплоть до отказа от работы. Кроме того, во время максимальной работы происходит выраженное увеличение легочной вентиляции и, соответственно, увеличивается ПК дыхательными мышцами (Aaron et al., 1992; Harms et al., 1998).

Предполагается, что при работе большой мышечной массы рост потребления кислорода организмом при увеличении мощности не ограничивается периферическими механизмами, а, по-видимому, определяется производительностью сердца.

Для проверки этой гипотезы был проведен эксперимент с участием 7-и молодых физически активных добровольцев. Испытуемые выполняли два теста с непрерывно возрастающей нагрузкой до отказа: на велоэргометре и с разгибанием ноги в коленном суставе на специально сконструированном эргометре. В первом случае в работе участвует большая мышечная масса, во втором - малая. Во время тестов непрерывно измерялось ПК организмом, насыщение артериальной крови кислородом и концентрация гемоглобина в m. vastus lateralis - показатель, отражающий кровенаполнение ткани.

Оказалось, что в велоэргометрическом тесте ПК выходит на плато только у 4-х из 7-и испытуемых, у остальных 3-х непрерывно растет вплоть до отказа от работы (рисунок 1). Концентрация гемоглобина в работающей мышце выходит на плато или даже снижается у 6-и из 7-и добровольцев (рисунок 2). В тесте с разгибанием ноги в коленном суставе (работа малой мышечной массы) возрастание нагрузки сопровождалось увеличением общего ПК и концентрации общего гемоглобина вплоть до момента отказа от работы у всех испытуемых (рисунок 1, 2). Насыщение артериальной крови кислородом в обоих тестах не снижалось ниже 94% у всех испытуемых.

Итак, выход на плато ПК организмом наблюдается только при работе большой мышечной массы. При работе малой мышечной группы увеличение общего ПК продолжается вплоть до отказа от работы. Это является доказательством того, что при работе большой мышечной массы запрос мышц в кислороде может превосходить возможности сердца к доставке кислорода.

Рисунок 1. ПК организмом при работе большой (вверху) и малой (внизу) мышечной массы в тесте с непрерывно повышающейся нагрузкой до отказа: справа - испытуемые, у которых был зарегистрирован выход на плато, слева - добровольцы, у которых был отмечен непрерывный рост ПК вплоть до отказа от работы.

Теоретически доставка кислорода зависит и от насыщения артериальной крови кислородом, снижаясь при артериальной гипоксемии (Wagner, 1996). В нашем исследовании не обнаружено признаков артериальной гипоксемии - насыщение артериальной крови кислородом во время велоэргометрического теста не падало ниже 94%.

Результаты данного исследования согласуются с результатами прямых измерений ПК тканями ноги. Было показано, что при велоэргометрии во время максимальной нагрузки ПК мышцами ноги выходит на плато (Knight et al., 1993). В другом исследовании в тесте с разгибанием ноги в коленном суставе ПК мышцами ноги возрастало вплоть до отказа от работы (Richardson et al., 1999).

Рисунок 2. Изменение концентрации гемоглобина (Д[Hb]) в m. vastus lateralis при работе большой (слева) и малой (справа) мышечной массы в тесте с непрерывно повышающейся нагрузкой до отказа.

Результаты данного исследования согласуются с результатами прямых измерений ПК тканями ноги. Было показано, что при велоэргометрии во время максимальной нагрузки ПК мышцами ноги выходит на плато (Knight et al., 1993). В другом исследовании в тесте с разгибанием ноги в коленном суставе ПК мышцами ноги возрастало вплоть до отказа от работы (Richardson et al., 1999). Косвенно справедливость выдвинутой гипотезы подтверждается данными инфракрасной спектрометрии в нашем эксперименте. Кровенаполнение m. vastus lateralis росло вплоть до отказа у всех испытуемых только при работе малой мышечной массы (рисунок 2).

Таким образом, показано, что при работе малой мышечной массы (разгибание ноги в коленном суставе) возрастание нагрузки всегда ведет к пропорциональному увеличению кровенаполнения (концентрации гемоглобина) работающей мышцы и потребления кислорода организмом. В случае работы большой мышечной массы (велоэргометрия) у части людей при достижении максимальной мощности ПК организмом и кровенаполнение работающей мышцы выходят на плато, т.е. этот эффект не определяется периферическими механизмами.

Роль аэробных и анаэробных процессов энергообеспечения мышечной деятельности в ограничении максимальной аэробной работоспособности у людей с различным уровнем тренированности. В некоторых исследованиях показано, что во время теста с возрастающей нагрузкой в диапазоне 20-90% от МПК потребление кислорода организмом хорошо отражает ПК мышцами ноги, измеренное прямым методом (Knight et al., 1992). При работе на уровне МПК значительная доля ПК и сердечного выброса приходится на дыхательные мышцы (до 10-15%) (Aaron et al., 1992; Harms et al., 1998). Более того, при максимальной аэробной мощности может наблюдаться перераспределение кровотока от рабочих мышц к дыхательной мускулатуре (Harms et al., 1997; Sheel et al., 2002; Dempsey et al., 2002). Это означает, что при максимальной аэробной нагрузке динамика общего ПК может не соответствовать динамике мышечного кровотока и/или ПК рабочими мышцами (Стойда 1988; Mortensen et al., 2005). Поэтому для корректной оценки факторов, ограничивающих аэробную работоспособность, необходимо сопоставить ПК рабочими мышцами и доставку кислорода к ним.

Предполагается, что у людей, тренирующих выносливость, во время теста с возрастающей нагрузкой при работе большой мышечной массы кровенаполнение работающей мышцы может увеличиваться вплоть до момента отказа от работы.

Для проверки данного предположения в эксперименте с участием физически активных мужчин (ФА-группа) и регулярно тренирующихся спортсменов (С-группа) непрерывно регистрировали насыщение артериальной крови кислородом, концентрацию гемоглобина и дезоксигемоглобина в m. vastus lateralis во время теста с непрерывно возрастающей нагрузкой до отказа на велоэргометре (большая мышечная масса).

Для оценки доставляемого и потребленного кислорода в рабочей мышце у человека используют прямой метод по Фику и неинвазивные методики: магниторезонансную спектроскопию и инфракрасную спектрометрию. Особенности и недостатки каждого метода подробно описаны в литературном обзоре диссертации. В данной работе использовался метод инфракрасной спектрометрии. Основные ограничения инфракрасной спектрометрии связаны с тем, что метод позволяет оценить лишь изменения концентрации оксигенированного гемоглобина и дезоксигемоглобина в измеряемом регионе, а не объемную скорость доставки и потребления кислорода, что затрудняет интерпретацию результатов.

Для того чтобы оценить соотношение между доставкой и ПК на основании концентрационных показателей, нами было использовано отношение концентрации дезоксигемоглобина к концентрации всего гемоглобина в измеряемом регионе. Изменения данного отношения характеризуют изменения в отношении количества потребленного кислорода к кровенаполнению в измеряемом регионе, то есть отношение потребленного кислорода к доставленному кислороду, или утилизацию кислорода. Данное отношение может быть использовано для оценки факторов, ограничивающих аэробную работоспособность со стороны процессов доставки и потребления кислорода в работающей мышце.

МПК и ПК на уровне ПАНО у испытуемых ФА-группы достоверно меньше, чем у С-группы: МПК - 45±1 и 55±1 мл/мин/кг; ПК на ПАНО - 35±1 и 46±2 мл/мин/кг, соответственно. Насыщение артериальной крови кислородом не снижалось ниже 94% у всех испытуемых. Отсутствие артериальной гипоксимии означает, что доставка кислорода к мышцам пропорциональна кровотоку. Отношение концентрации дезоксигемоглобина к концентрации гемоглобина, характеризующееся наклоном кривой на рисунке 3, у физически активных добровольцев равнялось 0,45±0,12 и достоверно отличалось от этого показателя у группы спортсменов (1,22±0,08). Группа спортсменов в зависимости от динамики изменения концентрации гемоглобина была разделена на 2 подгруппы: у С1-группы (4 человека) кровенаполнение начинает падать при работе на уровне МПК, а у С2-группа (5 человек) кровенаполнение продолжает расти вплоть до отказа от работы (рисунок 3). МПК, ПК на уровне ПАНО и наклон кривой не отличаются у двух подгрупп.

Таким образом, способность мышц утилизировать кислород, оцениваемая по наклону графика «концентрация дезоксигемоглобина-концентрация гемоглобина», достоверно больше у тренированных испытуемых. Данное наблюдение хорошо согласуется с многочисленными исследованиями, показывающими большую активность окислительных ферментов в мышечном биоптате у тренированных людей по сравнению с нетренированными (Holloszy et al., 1970; Gollnick et al., 1972; Brooks et al., 1999). Небольшая величина наклона (0,45) в ФА-группе свидетельствует о том, что число молекул доставляемого кислорода больше числа молекул кислорода, утилизируемого мышцей. В С-группе этот показатель близок к единице, что говорит о том, что число молекул кислорода, потребленного мышцей, сопоставимо с доставляемым.

В ФА-группе и С1-группе при достижении околомаксимальной аэробной мощности снижается кровенаполнение m. vastus lateralis (рисунок 3), что можно интерпретировать как ограничение со стороны доставки кислорода. Данное снижение может быть связано с уменьшением сердечного выброса, происходящим в результате дефекта диастолы (Меерсон и др., 1988), или с неадекватым венозным возвратом (механизм Франка-Старлинга) (Kanstrup et al., 1982; Warburton et al., 1999; Peltonen et al., 2001). Перераспределение кровотока от рабочих мышц к дыхательной мускулатуре также может привести к снижению кровенаполнения m. vastus lateralis (Harms et al., 1997; St Croix et al., 2000; Dempsey et al., 2002).

В С2-группе, напротив, отношение концентрации деоксигенированного гемоглобина и общему гемоглобину остается постоянным вплоть до отказа от работы (рисунок 3).

Рисунок 3. Зависимость изменения концентрации дезоксигемоглобина (Д[HHb]) от изменения концентрации гемоглобина (Д[Hb]) в m. vastus lateralis при работе большой мышечной массы (велоэргометрия) в тесте с непрерывно повышающейся нагрузкой до отказа. Каждая точка на графике соответствует увеличению мощности на 1%. Последняя точка на каждом графике соответствует максимальной мощности (100%), достигнутой в тесте (отказ от продолжения работы). Черным кружком на каждом графике отмечен ПАНО.

Можно предположить, что кровоток в работающих мышцах у этой группы растет вплоть до отказа от работы. Это предположение согласуется с наблюдением, показывающим, что у некоторых спортсменов ударный объем и сердечный выброс могут расти вплоть до отказа от работы (Gledhill et al., 1994; Zhou et al., 2001; Lepretre et al., 2004).

Возникает вопрос, почему становится невозможным продолжение работы, различаются ли причины, приводящие к отказу, в этих трех группах. Существуют две наиболее популярные гипотезы, объясняющие причины отказа от работы. Согласно первой утомление возникает вследствие чрезмерного накопления в мышце продуктов анаэробного гликолиза и, как следствие, снижения ее сократительных возможностей (Renaud et al., 1986; Lamb et al., 2006; Bangsbo et al., 2006). Альтернативная гипотеза объясняет отказ от работы недостаточной скоростью ресинтеза АТФ в аэробных процессах (Hoppeler et al., 1998; Lindstedt et al., 2001).

Некоторые исследователи высказывают предположение, что интенсификация анаэробного гликолиза инициируется снижением парциального давления кислорода в митохондриях и, как следствие, снижением скорости аэробного ресинтеза АТФ (Wasserman et al., 1984; Katz et al., 1988). С другой стороны, появился ряд работ, показывающих, что даже при работе на уровне МПК парциальное давление кислорода в цитоплазме миоцита не падает ниже критического уровня, необходимого для нормальной работы митохондрий (Connett et al., 1990; Richardson et al., 2001; Chung et al., 2005). Более того, увеличение активности анаэробного гликолиза не связано с изменением парциального давления кислорода в мышце.

Предполагается, что при велоэргометрии активация анаэробного гликолиза не зависит от процесса доставки кислорода к работающей мышце.

Для проверки этого предположения проведено сопоставление активации анаэробного гликолиза и доставки кислорода при работе у испытуемых трех групп. В качестве критерия увеличения вклада анаэробного гликолиза в энергообеспечение мышечной работы использован показатель ПАНО, отражающий интенсификацию анаэробного обмена во время работы повышающейся мощности. Как известно, длительная работа на мощности выше ПАНО приводит к накоплению продуктов анаэробного гликолиза, постепенному снижению внутримышечного рН и отказу от продолжения работы (Beaver et al., 1986; Wilson et al., 1988; Wasserman et al., 1990; Viru et al., 2000).

Оказалось, что снижение кровенаполнения при околомаксимальной аэробной работе в ФА-группе и С1-группе совпадает с ПАНО (рисунок 3). В С2-группе, напротив, ПАНО зафиксировано при непрерывном увеличении кровенаполнения m. vastus lateralis и увеличении концентрации дезоксигемоглобина. Это позволяет полагать, что в ФА-группе и С1-группе отказ от работы может быть связан как с недостаточной скоростью аэробного ресинтеза АТФ (вследствие неадекватного кислородного обеспечения), так и с выраженным накоплением метаболитов анаэробного гликолиза. С другой стороны, отказ от работы в С2-группе не связан со снижением аэробной производительности и зависит преимущественно от накопления продуктов анаэробного гликолиза. Полученные результаты согласуются с гипотезой о том, что продукция лактата мышцей во время работы не зависит от парциального давления кислорода в цитоплазме работающей мышечной клетки (Connett et al., 1984; Richardson et al., 1998).

Концентрация лактата при максимальной аэробной нагрузке и рост тренированности у высококвалифицированных спортсменов. Сопоставление ПАНО с морфологическими характеристиками мышцы. Как известно, нагрузка, которую человек может поддерживать 3-7 минут, выполняется на уровне максимальной аэробной мощности, то есть выше ПАНО. При этом значительная доля в ресинтезе АТФ при работе такой мощности приходится на анаэробный гликолиз. Возникает вопрос, как меняется вклад анаэробного гликолиза в ресинтез АТФ при максимальной аэробной работе с ростом тренированности у высококвалифицированных спортсменов?

Предполагается, что у высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость, концентрация лактата в крови при максимальной аэробной нагрузке снижается с ростом тренированности.

Для проверки данного предположения результаты выполнения теста с возрастающей нагрузкой спортсменами из юношеской сборной команды по скоростному бегу на коньках сравнивали с результатами тестирования более подготовленных спортсменов из молодежной сборной команды в начале годичного тренировочного цикла. Через три месяца было проведено повторное тестирование молодежной команды.

Тестирование показало, что МПК у спортсменов с различным уровнем подготовки и у одних и тех же спортсменов на разных этапах годового цикла тренировки не различается. В то же время ПК на уровне ПАНО достоверно увеличивается с увеличением тренированности, как при сравнении разных групп спортсменов, так и у одной группы по мере продолжения тренировок в течение года. Концентрация лактата в капиллярной крови в момент отказа от работы, напротив, с ростом тренированности снижается. Между концентрацией лактата при отказе от работы и ПК на уровне ПАНО обнаружена отрицательная корреляция (r= -0,83, p<0,05; рисунок 4). Полученные данные хорошо согласуются с данными экспериментов с участием людей и животных, в которых продемонстрировано, что с ростом тренированности увеличивается скорость утилизации лактата работающими мышцами, что должно сопровождаться снижением концентрации лактата в крови (Pagliassotti et al., 1990; Bergman et al., 1999; Donovan et al., 2000). Строго говоря, наших данных о концентрации лактата в крови недостаточно для количественной оценки вклада анаэробного гликолиза в энергетику, но можно предположить, что он снижается с ростом тренированности.

Следует отметить, что увеличение ПК на уровне ПАНО у спортсменов-конькобежцев происходило за счет увеличения относительной величины ПАНО (в % от МПК) при неизменном МПК. Таким образом, чем выше аэробные возможности спортсмена, тем ниже вклад анаэробного гликолиза при отказе от работы во время теста с возрастающей нагрузкой. Отсюда следует, что возможна ситуация, когда потребление кислорода на уровне ПАНО вплотную приблизится к максимальной величине (МПК), при этом вклад анаэробного гликолиза, оцениваемый по концентрации лактата в крови, будет минимальным.

Для проверки этого предположения в тесте с повышающейся нагрузкой до отказа было протестировано 53 высококвалифицированных спортсмена (КМС-ЗМС), тренирующих выносливость. Спортсмены были разделены на группы с высокой (В-группа) и низкой (Н-группа) концентрацией лактата в крови в момент отказа от работы в тесте с повышающейся нагрузкой. Пограничная концентрация лактата была выбрана эмпирически и равнялась 7 ммоль/л.

Рисунок 4. Концентрация лактата в капиллярной крови при максимальной аэробной нагрузке в зависимости от потребления кислорода на уровне порога анаэробного обмена у конькобежцев (юношеская и молодежная сборная команды России).

У 81% обследованных спортсменов (В-группа) концентрация лактата находилась в диапазоне 7,2-15,3 ммоль/л. У 19% спортсменов (Н-группа) при отказе от работы наблюдалось очень низкая концентрация лактата (3,6-6,8 ммоль/л), при этом потребление кислорода на уровне ПАНО достигало предельно высоких значений (97±1 % от МПК), в то время как в В-группе этот показатель был равен лишь 78±3 %.

Полученные данные можно объяснить исходя из предположения, что у спортсменов Н-группы работающие мышцы обладают очень высокими аэробными возможностями. Образующийся в результате гликолиза пируват практически полностью вступает в реакции цикла Кребса, а не преобразуется в лактат (Bergman et al., 1999; Stellingwerff et al., 2006). Большинство литературных данных свидетельствует о том, что тренировка аэробных возможностей не приводит к увеличению активности ферментов анаэробного гликолиза, в то время как активность окислительных ферментов значительно возрастает (Gollnick et al., 1972; Henriksson et al., 1986; Maughan et al., 1997). Именно это обстоятельство может являться причиной снижения доли анаэробного гликолиза в энергообеспечении максимальной аэробной работы.

Данные, полученные в нашем исследовании, согласуются с результатами экспериментов in situ, проведенных на m. gracilis собаки. Эта мышца является смешанной, однако мышечные волокна второго типа представлены лишь быстрыми окислительными волокнами IIA, то есть мышца обладает очень высокими аэробными возможностями. При работе на уровне МПК оценивали потребление кислорода и суммарный выход лактата и пирувата в кровь (прямой метод по Фику) и концентрацию лактата и пирувата в мышечной ткани. Это позволило оценить скорость ресинтеза АТФ за счет аэробного и анаэробного источников. Оказалось, что в полностью аэробной m. gracilis собаки доля анаэробного гликолиза в энергообеспечении работы на уровне МПК в тесте с возрастающей нагрузкой составляет лишь 1-2% (Connett et al., 1986).

Если предположить, что удельное ПК (ПК, отнесенное к весу мышцы) приближается к максимальному значению, то дальнейшее увеличение ПК (мощности работы) может быть достигнуто только за счет увеличения активной мышечной массы. Логично предположить, что наиболее эффективно в данном случае повысить ПК за счет увеличения объема мышечных волокон с высокими окислительными возможностями, то есть, прежде всего, волокон типа I.

Данные рассуждения позволили предположить, что ПАНО должен зависеть, главным образом, от суммарного объема в мышце волокон I типа.

Для проверки этого предположения обследовали 37 испытуемых-добровольцев: 16 молодых физически активных мужчин - ФА-группа и 21 спортсмена-конькобежеца (многоборье, КМС-МС) - С-группа. У испытуемых определяли ПК на ПАНО в тесте с возрастающей нагрузкой, морфологические показатели m. vastus lateralis в биопсических пробах и рассчитывали объем m. quadriceps femoris.

Среднее потребление кислорода на уровне ПАНО оказалось достоверно выше (на 31±7%) у спортсменов-конькобежцев (С-группа), чем у ФА-группы. Объем m. quadriceps femoris, процент мышечных волокон I типа в m. vastus lateralis, площадь, занимаемая мышечными волокнами I типа, и объем мышечных волокон I типа у конькобежцев также достоверно больше соответствующих показателей ФА-группы. Из всех перечисленных показателей наиболее существенные различия (71±10%) между спортсменами и ФА-группой зарегистрированы для объема, занимаемого волокнами I типа в m. quadriceps femoris. Напротив, объем, занимаемый волокнами II типа, достоверно не отличался у двух групп. Наиболее сильные корреляционные связи показатель ПК на уровне ПАНО имеет с объемом m. quadriceps femoris (r=0,70; p<0,05), объемом, занимаемым волокнами I типа в этой мышце (r=0,69; p<0,05), и долей мышечных волокон I типа в m. vastus lateralis (r=0,62; p<0,05).

Полученные данные хорошо согласуются с результатами работ, показывающих, что у спортсменов, тренирующих выносливость, относительная площадь, занимаемая волокнами I типа на поперечнике мышцы больше, чем у нетренированных людей и у спортсменов, тренирующих скоростно-силовые возможности. (Gollnick et al., 1972; Costill et al., 1976; Komi et al., 1981; Coggan et al., 1990).

Среди высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость, встречаются индивидуумы, у которых при выходе на уровень МПК наблюдается низкая концентрация лактата в капиллярной крови. Скорее всего, это связано с тем, что окислительные возможности мышц достигли очень высоких значений и в них даже при максимальной аэробной нагрузке не происходит выраженного накопления продуктов анаэробного гликолиза. Для данного контингента дальнейшее увеличение потребления кислорода (и мощности работы) может быть связано с увеличением объема активной мышечной массы. Это предположение косвенно подтверждается наличием связи между ПК уровне на ПАНО и объемом, занимаемым волокнами I типа в мышце.

Преимущественная гипертрофия мышечных волокон I типа при силовой тренировке с низкой нагрузкой без расслабления мышц. Для спортсменов, тренирующих выносливость, наиболее эффективным, с точки зрения увеличения аэробной работоспособности, является увеличение объема мышечных волокон с высокими окислительными возможностями, то есть, прежде всего, волокон типа I. Однако неоднократно продемонстрировано, что классическая силовая тренировка приводит к менее выраженной гипертрофии волокон I типа, чем волокон типа II (Houston et al., 1983; Staron et al., 1990; Hather et al., 1991, Шенкман и др., 2006).

Предполагается, что ограничение кровоснабжение в работающей мышце при силовой тренировке с низкой нагрузкой без расслабления мышц приводит к выраженным метаболическим сдвигам и преимущественной гипертрофии волокон I типа.

Эффекты низкоинтенсивной (нагрузка 50% от МПС) тренировки без расслабления изучали при сопоставлении ее с обычной силовой тренировкой (нагрузка 80% от МПС). Две группы испытуемых по 9 человек в течении 8-ми недель тренировали мышцы разгибатели ног по обычной схеме (К-группа) и по схеме низкоинтенсивной тренировки без расслабления (Н-группа).

Воздействие тренировочной нагрузки на мышцы оказалось различным: лактат крови после тренировочного занятия повысился в Н-группе на 10,8±1,6 ммоль/л, а в К-группе лишь на 6,2±0,6 ммоль/л. Наоборот, активность М КФК в крови, характеризующая механическое воздействие нагрузки на мышцы, в ответ на тренировочную нагрузку в Н-группе оказалась на 30% больше, чем в К-группе (258±69 МЕ/л, против 152±38 МЕ/л).

За время 8-недельной тренировки в К- и Н-группе достоверно увеличилась МПС тренируемых мышц (на 35±3% и на 21±2%, соответственно). Объем мышц-разгибателей нижней конечности, рассчитанный по данным МР-томографии, в результате тренировки тоже достоверно увеличился.

Рисунок 5. Относительный прирост площади, занимаемой волокнами I и II типа на поперечном срезе m. vastus lateralis, после 8 недель силовой тренировки в К- и Н-группах.

* - достоверное изменение.

Для четырехглавой мышцы бедра прирост объема в К- и Н-группе составил 15±3 и 6±2%, соответственно, а для большой ягодичной мышцы - 18±2 и 13±2%, соответственно. В результате 8-недельной силовой тренировки в К-группе обнаружен достоверный прирост суммарной площади, занимаемой на поперечном срезе m. vastus lateralis волокнами типа II (на 28±10%). В группе, тренирующейся без расслабления (Н-группа), напротив, выявлен достоверный прирост на 18±9% суммарной площади, занимаемой на поперечнике тестируемой мышцы волокнами I типа (рисунок 5).

Многими авторами показано, что силовая тренировка с использованием внешних отягощений менее 60% от МПС не приводит к приросту максимальной силы (Dons et al., 1979; Takarada et al., 2002). В нашей работе, несмотря на низкое внешнее отягощение (50% от МПС), получен достоверный прирост мышечной массы и силы в группе с низкоинтенсивной силовой тренировкой без расслабления. Это позволяет заключить, что режим тренировки с неполным расслаблением обладает значительным гипертрофическим потенциалом, причем гипертрофия происходит преимущественно за счет увеличения суммарной площади волокон I типа.

Полученные данные позволяют высказать предположение о механизмах избирательной гипертрофии различных мышечных волокон в результате силовых тренировок в различных режимах. Если при классической тренировке создается преимущественно «механозависимый» стимул, способный запускать анаболические процессы в мышечных волокнах, то после занятия с неполным расслаблением более выражен «метаболический» стимул. Известно, что ишемия, возникающая при изометрическом сокращении (50-75% от МПС), приводит к значительному накоплению лактата не только в волокнах II типа, но и в волокнах типа I (Tesch et al., 1977). Поэтому можно предположить, что в нашем исследовании в мышечных волокнах I типа концентрация лактата была достаточно высокой, что дополнительно способствовало активации гипертрофических процессов в этих волокнах. Среди механизмов, ответственных за реализацию этого эффекта, можно рассматривать эргорефлекторное увеличение секреции анаболических гормонов. Значительное повышение концентрации гормона роста в крови было показано ранее при выполнении аэробной и силовой нагрузки на фоне венозной окклюзии (Viru et al., 1998; Takarada et al., 2000). По мнению авторов, это обусловлено активацией афферентов III и IV в ответ на локальное накопление физиологически активных продуктов в работающей в условиях ограниченного кровоснабжения мышце. В исследовании, проведенном в нашей лаборатории, также показано, что концентрации гормона роста и инсулиноподобного фактора роста - 1 в крови после тренировочного занятия с неполным расслаблением были выше, чем при занятии по классической схеме (Попов и др., 2006).

Заключение. В данном исследовании предпринята попытка создания комплексной картины функционирования системы доставки кислорода на уровне целого организма и на уровне отдельной мышцы, способности мышц утилизировать кислород и роли анаэробного гликолиза в ограничении аэробной работоспособности у людей с различным уровнем тренированности. Показано, что у высококвалифицированных спортсменов аэробная работоспособность может ограничиваться несколькими совершенно разными факторами: как неадекватной доставкой и/или низкой утилизацией кислорода мышцей, так и изменением концентрации метаболитов в результате интенсификации анаэробного гликолиза. Анализ литературы и собственных данных позволяет утверждать, что между кислородным обеспечением работающей мышцы и интенсификацией в ней анаэробного гликолиза нет жесткой взаимосвязи.

Предлагается алгоритм тестирования состояния систем доставки и утилизации кислорода, а так же активации анаэробного метаболизма (рисунок 6). В зависимости от результатов тестирования может быть выбрана стратегия целенаправленного воздействия на «узкие» места, ограничивающие аэробную работоспособность.

Рисунок 6. Алгоритм выбора методик тренировок, направленных на увеличение аэробной работоспособности.

ВЫВОДЫ

1. При работе малой мышечной массы (разгибание ноги в коленном суставе) возрастание нагрузки всегда ведет к пропорциональному увеличению кровенаполнения работающей мышцы и потребления кислорода организмом. В случае работы большой мышечной массы (велоэргометрия) у части людей при достижении максимальной мощности потребление кислорода организмом и кровенаполнение работающей мышцы выходят на плато, причем периферические механизмы не влияют на этот эффект.

2. При работе большой мышечной массы мощность, на которой происходит снижение кровенаполнения работающей мышцы, совпадает с порогом анаэробного обмена, однако у половины тренированных людей интенсификация анаэробного гликолиза происходит без снижения кровенаполнения.

3. У высококвалифицированных спортсменов, тренирующих выносливость, обнаружена отрицательная корреляция (r=-0,83; p<0,05) между ПАНО, определяющим уровень тренированности, и концентрацией лактата в крови при максимальной аэробной нагрузке. У 20% высококвалифицированных спортсменов порог анаэробного обмена практически совпадает с максимальной мощностью, достигнутой в тесте. Соответственно, потребление кислорода достигает максимума при низкой концентрации лактата в крови (5,6±0,4 ммоль/л).

4. У спортсменов, тренирующих выносливость, при работе большой мышечной массы (велоэргометрия) потребление кислорода на уровне ПАНО коррелирует (r=0,7; p<0,05) с объемом волокон I типа в основной рабочей мышце (m. vastus lateralis) и не зависит от объема волокон II типа.

...