CC BY
277
БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ОНТОГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ МЫШЕЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Р.В. Тамбовцева1 РГУФКСМиТ
ФГНУ Институт возрастной физиологии РАО, Москва
В ходе постнатального онтогенеза человека происходят существенные биохимические изменения энергетики мышечной деятельности. Это связано с тем, что клеточные дифференцировки и ростовые процессы опираются на различные по своему характеру метаболические процессы. Каждый возрастной период состоит из фазы дифференцировок с торможением роста и последующей фазы активации ростовых процессов и расширения функциональных возможностей на базе сформированного нового метаболического состояния клеток.
Ключевые слова: ростовые процессы, клеточные дифференцировки, метаболические состояния, энергетический потенциал, пубертатный период, полуростовой скачок, А ТФ, КрФ.
Biochemical characteristics of ontogenic changes in muscular power supply. Essential biochemical changes in power supply of muscular activity take place during postnatal ontogeny. It results from the fact that cellular differentiations and growth processes are built upon different metabolic processes. Each age period is characterized by a phase of growth inhibition and subsequent phase of growth activation and expansion of functionality resulting from new metabolic condition of cells.
Keywords: growth processes, cellular differentiations, metabolic conditions, energy potential, puberty, semi-growth jump, ATP.
Известно, что онтогенез - это индивидуальный процесс роста и развития каждого конкретного биологического объекта от рождения до смерти [6]. При этом процессы развития неотделимы от клеточных дифференцировок и создания структур с более высокими функциональными возможностями. Однако в онтогенезе рост и развитие находятся в противоречивых отношениях, так как осуществление ростовых процессов за счет увеличения числа клеток, должно приводить к подавлению клеточных дифференцировок, определяющих усложнение структурной и функциональной организации развивающегося организма [1; 3]. Это связано, прежде всего с тем, что клеточные дифференцировки и ростовые процессы имеют различные метаболические процессы. С одной стороны, это активация под влиянием индукторов определенных участков генома и процессы транскрипции, в результате которых клетка получает новые молекулы и-РНК, поступающие в цитоплазму. С другой стороны - процессы трансляции, в результате которых идет синтез новых белков (процессы роста), которые тормозят транскрипцию в ядре и стабилизируют клеточное состояние, удерживая его от дальнейшей дифференциации. Если рассматривать в качестве примера развитие мышечной ткани, то для мышечных структур характерна многоэтапная дифференцировка [12; 21]. При этом, раз-
Контакты:1 Р.В.Тамбовцева - E-mail: <[email protected]>
вивающиеся мышечные волокна в ходе гистогенеза во времени подвергаются многократным передифференцировкам, изменяя при этом характер сократительных механизмов и тип энергообеспечения. Данный процесс у млекопитающих и человека завершается только в постпубертатный период [12]. Весь онтогенез оказывается разделенным на периоды, каждый из которых начинается вспышкой диффе-ренцировок, за которой следует фаза активации ростовых процессов [16].
Таким образом, одно из противоречий индивидуального развития между диф-ференцировочными и ростовыми процессами, в функциональный период онтогенеза разрешается разделением этих процессов во времени, что приводит к появлению периодичности всего онтогенетического периода. При этом каждый период состоит из фазы дифференцировок с торможением роста, последующей фазы активации ростовых процессов и расширения функциональных возможностей на базе сформированного нового качественного состояния клеток [17].
В настоящее время имеется достаточное количество классификаций, разделяющие процесс индивидуального развития человека на отдельные этапы [1; 3]. Общепринятой классификацией является периодизация онтогенеза, обсужденная на 7-й Всесоюзной конференции по проблемам возрастной морфологии, физиологии и биохимии в Институте возрастной физиологии АПН СССР [7]
Каждый этап жизненного цикла человека характеризуется различными метаболическими состояниями, при которых происходит усиление или ослабление биохимических процессов. Принципиальные особенности метаболических процессов, характеризующих растущий детский организм состоят в следующем:
1. Синтез роста, преобладание анаболических процессов над катаболическими, положительный баланс азота при условии рационального вскармливания и питания детей. При этом доминирующая на ранних этапах генная регуляция роста и обменных процессов дополняется в развитии возрастающей ролью нейроэндо-кринной регуляции.
2. Изменение структуры и функции белков, в том числе белков-ферментов, переключение синтеза функциональных белков с «детского» на «взрослый» тип. Это обеспечивается генами переключения, или 8то1сИ-генами.
3. Увеличение с возрастом энергообеспечения организма путем депонирования гликогена и жира в тканях. Наряду с увеличением мышечной массы это сопровождается уменьшением относительного объема внеклеточной жидкости, образующей внутреннюю водную среду организма. При этом обеспечивается абсолютное постоянство ее ионного состава и рН, что К. Бернар определил как главное условие свободной жизни, независимой от внешней среды (гомеостаз).
С момента рождения до 11 -12 лет наблюдается быстрое снижение скорости ростовых процессов. Однако в период полуростового скачка происходит значительные изменения интенсивности окислительного метаболизма (табл. 1).
Обращают на себя внимание, прежде всего изменения уровня обмена покоя. До полуростового скачка его величина составляла 1,81 ккал/кг/час [5; 6]. Такое значение намного превышает величины по уравнению Кляйбера [19], исходя из «правила поверхности» для взрослого млекопитающего такой же массы тела (1,36 ккал/кг/час). Очевидно, тканевый окислительный метаболизм у мальчика 4,5 лет находится в состоянии дополнительного возбуждения. Обычно считается, что повышенный уровень окислительного метаболизма определяется наличием дыхания, не сопряженного с фосфорилированием. Наличие такого дыхания в тканях расту-
щего организма определяется наличием особых митохондрий, у которых дополнительная проницаемость внутренней мембраны препятствует накоплению электрохимического потенциала, достаточного для запуска АТФ-синтетазы, и энергия биологического окисления переходит прямо в тепло [2; 9; 10]. Активность такого несопряженного дыхания может достигать у мелких животных очень высокого уровня, но это конститутивный инерционный уровень, определяющий активность биологического окисления по «правилу поверхности». Дополнительный «возбужденный» уровень теплопродукции связан с активацией сопряженного дыхания. Известно, что основным регулятором интенсивности окислительных процессов, сопряженных с фосфорилированием, является уровень энергетического потенциала (ЭП) клетки. В самом простом случае величина ЭП определяется отношением внутриклеточных концентраций носителей макроэргических фосфорных связей [АТФ]/[АДФ]. В этом случае интенсивность процессов биологического окисления зависит от величины ЭП (дыхательный контроль). Появляющийся при этом «лишний» АТФ может быть «стравлен» в каком-либо футильном цикле. Чем ниже уровень энергетического потенциала, тем интенсивнее окислительные процессы в митохондриях. Еще большее снижение ЭП может запустить анаэробный гликолиз и затормозить дыхание (пастеровский эффект).
Таблица 1
Возрастные изменения параметра обмена покоя и экскреции креатина (Кр) и креатинина (Крн) у мальчиков 4-6лет в зависимости от реализации «полуростового скачка» роста (Маслова, 1994)
Показатели Дети до полуростового Дети после полуростового
скачка скачка
Возраст (лет) 4,6 5,6
Масса тела (кг) 18,3 +0,5 19,8 +0,7
Обмен покоя (ккал/кг.час) 1,81 + 0,04 1,63 +0,03
Экскреция креатина (ммоль/сутки) 1,45 + 0,1 0,51 + 0,1
Экскреция креатинина (ммоль/сутки) 3,3 + 0,12 2,8 +0,06
Соотношение Кр/Крн 0,45 + 0,05 0,21 + 0,06
Прямое измерение уровня энергетического потенциала возможно только в биохимическом эксперименте. Косвенно об этом показателе можно судить, например, по параметрам метаболизма креатина. Известно, что одним из основных буферов ЭП является креатинкиназная реакция переноса макроэргической фосфорной связи с креатинфосфата на АДФ:
КрФ + АДФ ^ Кр + АТФ. При этом по закону действующих масс:
[АТФ]/[АДФ] = К [КрФ] / [Кр], где К - константа равновесия, равная в данном случае 25 (реакция сдвинута явно влево и стремится повысить концентрацию АТФ).
Как видим, левая часть равенства представляет собой выражение нашего определения значения энергетического потенциала. Правая часть равенства пока-
зывает, что креатинкиназная реакция будет стремиться поддерживать уровень энергетического потенциала, пока в системе есть КрФ. В то же время известно, что в тканевых условиях неферментативный переход Кр - Крн в 2,6 раза менее интенсивный, чем переход КрФ - Крн + Ф [5]. Таким образом, если у 4х-летних мальчиков увеличена экскреция креатинина и слабая креатининурия, то это можно связать с небольшим содержанием в ткани креатинфосфата и постоянными низкими значениями энергетического потенциала. Мышечные волокна в этом возрасте еще не специализированы по активности энергетических источников и содержат как окислительную систему, так и значительное количество ферментов гликолиза, поэтому при сниженном ЭП всегда существует угроза включения гликолиза, что будет срывать установление стационарных рабочих состояний механизмов аэробного энергообеспечения и существенно ограничивать объем выполняемой работы. Таким образом, высокий возбужденный уровень основного обмена и низкие рабочие возможности оказались тесно связанными друг с другом, так как и то, и другое есть следствие низкого уровня ЭП, на что и указывает высокий уровень креатину-рии. После ростового скачка метаболическая ситуация несколько изменяется -интенсивность обмена покоя заметно снижается, отношение Кр/Крн и экскреция креатина также уменьшается, что свидетельствует об увеличении энергетического потенциала, а это может быть связано с возрастанием возможностей осуществления относительно длительной физической активности, что является основной сутью наступления школьной зрелости.
С точки зрения мышечной энергетики, в ростовую фазу этого периода происходит становление и дальнейшее развитие механизмов, обеспечивающих функционирование аэробной энергетики в устойчивом режиме (стационарном состоянии). Так, если у шестилеток емкость аэробного источника - величина коэффициента К уравнения Мюллера - составляла 3000 Дж/кг, то в 7 лет уже 5500 Дж/кг, а в 8 лет -15000 Дж/кг. Относительно высоких значений достигает и уровень анаэробной мощности, составляющей в 8-летнем возрасте 3,5 Вт/кг (у взрослых - около 4 Вт/кг). Однако достигнутый уровень функциональных возможностей мышечной аэробики будет потерян уже в следующем году в связи с началом нового периода развития и активацией в 9-летнем возрасте очередной фазы передифференцировок. Плавное увеличение рабочих возможностей в 7-8-летнем возрасте, сопровождаемое неуклонным ростом активной мышечной массы, в 9 лет прерывается сначала снижением темпов роста мышц, а затем уменьшением работоспособности. Так, величина аэробной емкости снижается с 15000 Дж/кг в 8 лет до 2200 Дж/кг в 9 лет. В 10-летнем возрасте - до 5800 Дж/кг. В то же время, величина анаэробной глико-литической мощности ^40) возрастает с 3,55 Вт/кг в 8 лет до 4,06 Вт/кг в 9 лет. Создается впечатление, что в 9 лет мальчики потеряли значительную часть аэробных возможностей, но гликолитические механизмы полностью сохранились и получили дальнейшее развитие. Это отражается на величине среднего значения показателя степени «а» в уравнении Мюллера. Если в 8 лет величина этого параметра составляла 4,32 (явное преобладание окислительных возможностей, то в 9 лет значение «а» снижается до 3,01, что свидетельствует о преобладании гликолитиче-ского механизма энергообеспечения).
Сущность произошедших изменений можно объяснить результатами гистохимических исследований. При выявлении активности сукцинатдегидрогеназы, маркера напряженности окислительных процессов, в 7-8 лет в смешанных мышцах
больше половины мышечных структур (53,1 %) составляют волокна I типа с очень высоким средним значением окислительного потенциала, то в 11 -12 лет в смешанных мышцах остается только 35 % волокон I типа [12; 13; 20; 21].
Все эти изменения характеризуют довольно резко выраженную первую диф-ференцировочную фазу возрастного периода, однако, начиная с 11 -летнего возраста усиливаются ростовые процессы [11; 12]. Сопоставление скоростей роста мышц верхних конечностей показывает, что если в фазу торможения роста в 10-летнем возрасте мышечная масса увеличилась только на 0,009 кг на кг исходной массы в год, то в 13-летнем возрасте это увеличение составило 0,271 кг на кг массы мышц в год [13]. Следовательно, скорость нарастания мышечной массы за три года увеличилась в 30 раз. Значительное увеличение мышц сопровождается возрастанием их рабочих возможностей. Так, если в 9 лет аэробная емкость (К) составляла 2205 Дж/кг, то в 13-летнем возрасте она увеличилась до 36000 Дж/кг, то есть показатель выносливости при функционировании аэробного источника энергии увеличился в 16 раз. Значение аэробной мощности ^900) возросло с 1,44 Вт/кг в 9 лет до 2,51 Вт/кг, то есть на 74 %. Величина анаэробно-гликолитической мощности возрастает только на 52 %. Таким образом оказалось, что этот возрастной период (его диффе-ренцировочная фаза) начался с депрессии аэробных механизмов энергообеспечения, но при этом фаза усиленных ростовых процессов проходит на фоне явной активности энергетических возможностей аэробного источника энергии.
В пубертатный период отмечается резкое увеличение скорости ростовых процессов, что обозначается как пубертатный скачок роста. Это связано как с активацией в этот период гипофизарно-гипоталамических процессов регуляции гонадо-тропной функции и с определенной ролью щитовидной железы. Известно, что активность щитовидной железы в системе возрастных преобразований тесно связана с дифференцировочными процессами. Тироксин - гормон щитовидной железы активизирует тканевое окисление, в первую очередь за счет увеличения числа митохондрий. Завершение начального пубертатного периода сопряжено с заметным увеличением роли окислительного источника энергии [4; 8].
Сложные перестройки ростовых и дифференцировочных процессов в пубертатный период сопровождаются сложными и неоднозначными изменениями стр о-ения мышечной ткани. Фаза задержек ростовых процессов в мышцах в 14-летнем возрасте связана с необычайным усилением окислительных возможностей, выражающемся во временном увеличением относительного количества волокон I типа и в активации окислительных ферментов во всех мышечных волокнах, независимо от их типа [10]. Так, относительное количество волокон I типа в четырехглавой мышце бедра от 12 до 14 лет возрастает до 55 % и вновь временно становится преобладающим над другими мышечными волокнами, а активность сукцинатдегидро-геназы в этих волокнах растет с 1,98 до 3,11 баллов. Относительное число глико-литических волокон ПВ, наоборот, снижается с 33 до 26 %, но и в этих волокнах растет окислительный потенциал с 0,81 до 1,38 балла.
В дальнейшем к периоду 16-17 лет, когда достигается дефинитивный уровень развития мышечной ткани, вновь происходит снижение относительного количества волокон I типа до 22 % и рост относительного количества волокон ПВ типа (гликолитические волокна) до 47 %. При этом волокна ПВ типа становятся чисто гликолитическими, так как активность окислительных ферментов в этих волокнах
снижается до 0,03 балла. На 30 % снижается активность СДГ и в окислительных волокнах I типа [10; 14].
Таким образом, биохимические и энергетические процессы в скелетных мышцах в течение онтогенеза претерпевают значительные изменения. Постепенное увеличение работоспособности в ходе онтогенеза связывается с последовательным включением целого ряда биохимических механизмов, увеличивающих возможность длительной работы в стационарных и квазистационарных условиях. Например, при выполнении циклической работы в стационарном режиме в период расслабления мышц происходит полное восстановление энергетического потенциала мышечных волокон и их клеточного и организменного гомеостаза. При работе в квазистационарном режиме восстановление гомеостаза в период расслабления неполное, и накапливающиеся изменения гомеостаза постепенно приводят к утомлению. Имеется целый ряд факторов, обусловливающих возможность длительного функционирования скелетных мышц в квазистационарном режиме. Такие изменения, во-первых, связаны с пространственным разделением энергетических механизмов по разным волокнам, в связи их специализацией. Как известно, для длительного функционирования энергетических механизмов в аэробном режиме необходимо постоянное поддержание высоких значений энергетического потенциала (ЭП). Работа алактатного креатинфосфатного источника впрямую связана со снижением ЭП, вследствие трат креатинфосфата на производство внешней работы. Снижение ЭП приводит, в свою очередь, к активации анаэробного гликолиза, что связано с резкими изменениями внутреннего и внешнего гомеостаза и невозможностью длительной работы в таких режимах. Выделение анаэробно-гликолитических механизмов в специальных волокнах IIB типа создает предпосылки для устойчивой работы мышечных волокон с аэробным энергообеспечением, функционирующих в условиях высокого ЭП без угрозы срыва в зону активности гликолиза. Во-вторых, возможность работы в зоне высокого энергетического потенциала тесно связана с изменениями активности некоторых митохондриаль-ных ферментов, и в первую очередь АТФ-синтетазы [18]. Такие изменения отчетливо проявляются при адаптации к длительным умеренным нагрузкам и приводят к повышению чувствительности митохондрий и к увеличению концентрации АДФ в цитозоле. В результате, клеточные механизмы управления митохондриальным дыханием начинает функционировать при минимальных изменениях концентрации АДФ и очень небольших изменениях ЭП. В третьих, в высокоспециализированных окислительных волокнах I типа функционируют аэробные механизмы, использующие креатинфосфатный шунт [15]. При этом значительное количество молекул креатинфосфокиназы (КФК) оказывается связанным с митохондриями и с сократительными механизмами. Синтезируемый на внутренней мембране митохондрий АТФ тут же, при выходе на внешнюю поверхность, под влиянием мито-хондриальной КФК, обменивается макроэргической фосфорной связью с креатином в виде креатинфосфата (КрФ) мигрирует к миофибриллам, где энергия макро-эргической связи (с использованием системы АДФ-АТФ) передается для мышечного сокращения. В результате в цитозоль диффундирует не громадная молекула АТФ, а маленький КрФ, что значительно облегчает и ускоряет передачу энергии, а также стабилизирует энергетический потенциал на очень высоком уровне. Все это явно способствует созданию условий для длительной устойчивой работы в условиях, близких к стационарным. В четвертых, важную роль при поддержании воз-
можностей длительного функционирования играют механизмы тканевого гомео-стаза. Один из них - использование продуктов метаболизма гликолитических мышечных волокон, таких как молочная кислота, в качестве энергетического субстрата для окислительных мышечных волокон [18]. Этот пример показывает, что далеко не во всех случаях аэробные и анаэробные механизмы энергообеспечения противостоят друг другу, существуют примеры их взаимодействия, которое может увеличить работоспособность мышечной аэробики.
Таким образом, под воздействием целого ряда перестроек биохимической организации системы энергетического обеспечения в последнем завершающем пубертатном периоде, оканчивается ряд последовательных передифференцировок, в результате которых завершается формирование скелетных мышц, организация которых затем поддерживается в относительно неизменном виде довольно длительное время, относящееся к зрелому возрасту.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аршавский И.А. Основы возрастной периодизации // «Возрастная физиология» в серии «Руководство по физиологии». - Л.: Наука, 1975. - С. 5-67.
2. Ахмеров Р.Н. Сравнительно-физиологическая характеристика роли несопряженного дыхания в термогенезе у эндотермных животных: автореф. дис. ... д. б. н. - Минск, 1988. - 29 с.
3. Бунак В.В. Периодизация онтогенеза // Сов. Педагогика. - 1969. - Т. 11, № 2. - С. 105.
4. Колесов Д.В., Сельверова Н.Б. Физиолого-педагогические аспекты полового созревания. - М.: Педагогика, 1978. - 145 с.
5. Корниенко И.А. Энергетический обмен в различные периоды индивидуального развития человека // Физиология человека. - 1983. - Т. 9, № 1. - С. 25-32.
6. Корниенко И.А., Гохблит И.И. Возрастные преобразования энергетического обмена // Физиология развития ребенка. - М.: Педагогика, 1983. - С. 89-114.
5. Маслова Г.М. Оценка состояния энергетического обмена по показателям экскреции креатинина и креатина // Физическая культура индивида: сборник / Под ред. В.Д. Сонькина. - М., 1994. - С. 91-113.
6. Маркосян А.А. Развитие человека и надежность биологической системы // Основы морфологии и физиологии организма детей и подростков. - М. : Медицина, 1969. - С. 5-12.
7. Материалы по физическому развитию детей и подростков городов и сельских местностей СССР. - Вып. III. - М.: Медицина, 1977.
8. Никитин В.Н. Эндокринная система в разные возрастные периоды // Возрастная физиология. Из серии «Руководство по физиологии». - Л.: Наука, 1975. -С. 330-373.
9. Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. - М.: Наука, 1989.
10. Сонькин В.Д., Тамбовцева Р.В. Развитие мышечной энергетики и работоспособности в онтогенезе. - М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2011. - 368 с.
11. Тамбовцева Р.В. Физиологические основы развития двигательных качеств // Новые исследования. - 2011. - № 1. - С. 5-15.
12. Тамбовцева Р.В. Общие и частные закономерности возрастного развития энергообеспечения мышечной деятельности // Новые исследования. - 2011. - № 2. - С. 73-83.
13. Тамбовцева Р.В. Индивидуальные и групповые варианты динамики показателей энергообеспечения мышечной функции у мальчиков младшего школьного возраста // Новые исследования. - 2012. - № 2. - С. 14-28.
14. Тамбовцева Р.В. Развитие процессов адаптации в ходе спортивной тренировки у юных спортсменов // Материалы XXIII международной конференции: «Человек, здоровье, физическая культура и спорт в изменяющемся мире». Коломна, 2013. - С. 389-390.
15. Чарыева А.А. Универсальная энерго-транспортная роль креатинфосфатно-го механизма и значимость его в энергетике мышечной деятельности // Биохимические критерии развития физических качеств. - М., 1985. - С. 5-14.
16. Шмальгаузен И.И. Организм как целое в индивидуальном и историческом развитии // Избранные труды. - М.: Наука, 1982. - С. 12-219.
17. Шмальгаузен И.И. Рост и дифференцировка // Избранные труды в 2х т. -Киев, 1984. - С. 176-186.
18. Hochachka P.W. Fuels and pathways as designed system for support of muscle work. // J. Exp Biol. - 1985. - Mar. 115: 149-64.
19. Kleiber M. The Fire of Life. - N.Y., 1961. - 93 p.
20. SonAkin V.D., Gutnik B.J., Tambovseva R.V. and Nash D. Ergometric Investigation of Work Capacity Ontogeny: Influence of Exogenic and Endogenic Factors // Advances in Medicine and Biology. - 2010. - V. 1. - P. 129-165.
21. Sonkin V., Tambovtseva R. Energy metabolism in children and adolescents // Energetics. - Chorvatia, 2011. - P. 1-30.
