CC BY
187
Интегративная физиология
УДК 612.015:613.73
ПОДДЕРЖАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ОТНОСИТЕЛЬНОГО ПОСТОЯНСТВА рН СРЕДЫ СРЕДСТВАМИ СУБСТРАТНОЙ ПОДДЕРЖКИ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО АППАРАТА
К.А. Рямова, А.С. Розенфельд
На основании анализа открытой системы регуляции кислотно-основного состояния крови и ее связи с системой генерации кислотных эквивалентов в мышцах при интенсивных физических нагрузках была выдвинута гипотеза о том, что в организме человека имеется резерв неиспользуемой активности митохондриального энергообеспечения, и проблема повышения физической работоспособности при развитии метаболического ацидоза может решаться путем поддержания энергетики митохондрий за счет обеспечения субстратом, способным окисляться и обеспечивать аэробный ресин-тез АТФ в условиях рабочей гипоксии.
Ключевые слова: нагрузочная гипоксия, ацидоз, работоспособность, митохондрии, метаболизм, рН, сукцинат.
Метаболический ацидоз является атрибутом многих экстремальных физиологических и патологических состояний, в частности, связанных со значительной активацией процессов, потребляющих энергию, с нарушением функций митохондрий, недостаточным снабжением тканей кислородом, избыточным окислением липидов при голодании или сахарном диабете. Особое значение приобретает метаболический ацидоз в условиях интенсивной мышечной работы. Ряд исследователей считают, что метаболический ацидоз является основным фактором, ответственным за утомление и ограничение работоспособности. Соответственно, при разработке методов и приемов, повышающих устойчивость организма к экстремальным факторам и увеличивающих работоспособность, ключевым становится анализ механизмов развития и купирования метаболического ацидоза.
В различных условиях метаболический ацидоз проявляется в виде сдвига рН в кислую сторону и накопления различных недо-окисленных продуктов энергетического обмена: лактата, пирувата или ацетоновых тел, кислот цикла Кребса и жирных кислот. При физической работе основными кислотными эквивалентами являются лактат и пируват. При этом существенно снижается концентрация бикарбоната и содержание щелочных
компонентов других буферных систем. В тканях может развиваться гипокапния, обусловленная компенсаторным ускорением выведения углекислого газа. Согласно сложившимся представлениям, причиной метаболического ацидоза при интенсивной мышечной нагрузке является активация гликолиза, продуцирующего лактат и пируват, в силу недостаточной активности кислород-зависимых систем энергообеспечения, то есть в результате развития нагрузочной гипоксии. Активация гликолиза при интенсивной мышечной нагрузке и развитие гипоксии обычно сопровождаются приростом степени восстановленности КАБЫ как в цитозоле, так и в митохондриях, что может приводить к активации апоптоза и некроза в кардиомиоцитах и скелетных мышцах. Это обусловлено избыточным накоплением цито-зольного КАБЫ, способствующего увеличению образования супероксидного аниона в цитоплазме почти на порядок [1].
В митохондриях при торможении дыхательной цепи возникают одноэлектронные утечки, обеспечивающие образование активных форм кислорода [2]. Наряду с генерацией активных форм кислорода (АФК) гипоксиче-ские условия благоприятствуют приросту внутриклеточной концентрации ионов кальция и торможению окисления КАБЫ-зависи-мых субстратов. Особенно усиливается обра-
зование АФК при переходе от гипоксических условий к нормоксическим. Указанные факторы, как известно, ответственны за запуск разными путями либо регуляторного каскада апоптоза - программируемой гибели клеток, либо некроза, в зависимости от степени воздействия этих факторов на митохондрии [3]. При этом внутриклеточный ацидоз, обусловленный прежде всего избыточным гидролизом АТФ и накоплением лактата, может играть роль важного дополнительного фактора, запускающего апоптоз и некроз. Не исключено, что развитие апоптоза и митоптоза (программируемого разрушения митохондрий) играет важную роль в процессе создания новой популяции клеток, митохондрий, обладающих новыми, более пригодными для выполнения нагрузки свойствами. По крайней мере, как считает В.П. Скулачев [4], апоптоз и митоптоз выполняют функционально и эво-люционно важную роль в освобождении и защите ткани от не справляющихся со своими функциями поврежденных клеток и митохондрий. С другой стороны, излишне активированный апоптоз и тем более некроз, запускаемый при открытии неспецифической проницаемой митохондриальной поры, могут существенно подорвать структурно-функциональную основу восстановления ткани после гипоксических реперфузионных нагрузок. Мы считаем, что в конечном счете апоптоз и митоптоз необходимы как начальные этапы генерации новых популяций клеток и митохондрий, обеспечивающих становление адаптивных процессов. Но в случае грубого массирования повреждения клеток и митохондрий требуется весьма длительное время, измеряемое сутками, для их замены и восстановления функции тканей на новом, возможно, более высоком уровне. В исследованиях Н.Н. Яковлева было показано, что в результате предельных тренировочных нагрузок и соревновательных нагрузок для восстановления активности митохондриальных ферментов и функций организма спортсмена требуется как минимум 4-5 суток отдыха [5]. Для обеспечения оперативной компенсаторной перестройки и восстановления функций организма следует избегать условий, сопровождающихся развитием массированного апоптоза и митоп-тоза. Соответственно, при разработке методов и приемов, повышающих устойчивость и адаптивность организма, в частности при интенсивных физических нагрузках, ключевым становится анализ механизмов развития и
коррекция метаболического ацидоза в условиях нагрузочной гипоксии.
На основании существующих представлений для купирования метаболического ацидоза необходимо как минимум:
- активировать доставку кислорода и окисление лактата и пирувата;
- увеличить тем или иным образом активность пируватдегидрогеназы;
- ускорить использование лактата и пирувата в глюконеогенезе;
- снизить интенсивность гликолиза или уменьшить интенсивность выполняемой работы, приведя ее в соответствие с возможностями кислород-транспортных и кислород-зависимых систем энергообеспечения;
- повысить буферную емкость химических буферных систем организма путем введения бикарбоната или иных щелочных компонентов, например, трис-буфера.
Перечисленные меры легко осуществить in vitro, но на уровне целостного организма в большинстве случаев они оказываются либо труднореализуемыми, либо в принципе невозможными и малоэффективными. Например, активация кислородной доставки ограничена индивидуальным развитием и физиологическими возможностями внешнего дыхания, сердечно-сосудистой системы, гемодинамики и массобмена. Легко достигаемая in vitro и в экспериментах на животных активация пируватдегидрогеназного комплекса после введения дихлорацетата для человека может быть чревата побочными последствиями. А введение избытка бикарбоната, действительно способного значительно защелачи-вать плазму крови, не облегчает выполнение интенсивной мышечной нагрузки. Интенсификация метаболических путей посредством гормонального воздействия и использования экстремальных диет, способствующих гиперактивации анаболических процессов, глюко-неогенеза, подавлению или стимуляции гликолиза или липолиза, оказались губительными для здоровья спортсменов и не обеспечили стабильно воспроизводимого повышения работоспособности. В конечном счете, многие из гормональных и других средств метаболического воздействия были запрещены для употребления в спортивной практике. Возник вопрос, можно ли в принципе уменьшить глубину или повысить переносимость метаболического ацидоза без снижения, а лучше даже при повышении работоспособности?
Выполненный нами теоретический анализ
Интегративная физиология
и полученные ранее результаты позволили выдвинуть гипотезу о том, что такая возможность существует. В основе развиваемых подходов лежит анализ механизмов образования и утилизации ионов водорода при АТФ-азных нагрузках и выявление роли митохондрий в поддержании относительного постоянства внутриклеточной рН-среды.
Суть гипотезы состоит в предположении, что для поддержания внутриклеточного рН без уменьшения интенсивности АТФ-азных нагрузок следует активировать митохондри-альную систему энергообеспечения. Такая возможность другими исследователями практически не изучалась. Очевидно, это связано с тем, что при изучении регуляции кислотно-основного состояния клеток, тканей и целостного организма основное внимание уделялось анализу состояния различных буферных систем и величине их буферной емкости, а не процессам метаболизма. В последние годы внимание многих исследователей было направлено на выявление вклада ионообменных систем, активного и пассивного транспорта ионов через клеточную мембрану, прежде всего, с участием Ка+/Ы+ обменника и различных ион-транспортирующих АТФ-аз. Возможности участия этих систем в регуляции кислотно-основного состояния, казалось бы, неограничены, так как концентрация ионов № вне клетки на шесть, а внутри клетки на четыре порядка больше концентрации ионов водорода. Однако как показали исследования М.Hendrikx et а!., ингибирование Ка+/Ы+ обмена существенно не влияет на сдвиг рН при сколько-нибудь длительных нагрузках [6]. С точки зрения анализа состояния химических буферных систем главным ограничителем в поддержании рН является конечность их буферной емкости, особенно в зонах локально ограниченного кровотока и ограничения производства бикарбоната при гипоксии. Следует отметить, что даже увеличение потока во всех этих системах не обеспечивает одновременного повышения работоспособности, напротив, активация Ка+/Н+ обменника при развитии кислородного голодания сопровождается одновременным увеличением потоков ионов Са2+, что приводит к перегрузке митохондрий ионами Са2+ и нарушению энергопродукции. Такие изменения могут сопровождаться гибелью клеток вследствие открытия неспецифической поры и запуском апоптоза или некроза.
Участие митохондрий в поддержании рН до последнего времени рассматривалось с по-
зиций их вклада в Са2+/Н+ обмен, в окисление недо-окисленных лактата, пирувата и кетоновых тел, в активацию глюконеогенеза и аммо-ниогенеза или в образование СО2. Ощелачивание внемитохондриального пространства при окислительном фосфорилировании, неизбежно активируемом при энергообеспечении любой АТФ-азной нагрузки, не только не рассматривалось как средство стабилизации рН и уменьшения метаболического ацидоза, но ставилось под сомнение или отрицалось полностью.
Теоретически очевидно, что накопление ионов водорода, образовавшихся в АТФ-азной реакции, прямо пропорционально образованию лактата и пирувата. Следовательно, в случае увеличения вклада гликолиза в энергообеспечение ацидоз должен нарастать. И, напротив, при увеличении вклада митохондрий и реакций окислительного фосфорилирования ацидоз должен уменьшаться. Внешне это полностью соответствует сложившимся ранее представлениям о том, что активация гликолиза ответственна за развитие метаболического ацидоза. По сути, дело в том, что уменьшается доля окислительного фосфорилиро-вания в обеспечении АТФ-азных нагрузок при сохранении последних на достаточно высоком уровне.
Недооценка роли митохондрий в уборке ионов водорода, образующихся в АТФ-азных реакциях (при нагрузке), связана, в первую очередь, с трудностями экспериментального обнаружения этого вклада. Необходимо было использовать принципиально иные экспериментальные подходы, которые позволили бы промоделировать генерацию Н+ в АТФ-потребляющих реакциях и определить при этом возможную долю митохондриального энергообеспечения в предотвращении развития ацидоза. До настоящего времени такой эксперимент никем не был выполнен.
В случае, если бы задача выявления вклада митохондрий в поддержании рН при АТФ-азных нагрузках могла быть решена, возникала следующая проблема: каким образом увеличить вклад митохондрий в условиях интенсивной нагрузки? Причем необходимо было принимать во внимание, что любая достаточно высокая по мощности физическая нагрузка сопровождается развитием нагрузочной гипоксии, обусловленной значительным повышением потребления кислорода при относительно недостаточной активации систем доставки кислорода. В такой ситуации следовало
учитывать особенности превращений субстратов в митохондриях и возможность их окисления при повышении восстановленности переносчиков в дыхательной цепи. На основании развиваемых М.Н. Кондрашовой представлений о возможности преимущественного окисления сукцината в условиях гипоксии, мы полагали при планировании настоящей работы необходимым исследовать механизмы субстратной поддержки энергодающих реакций митохондрий для повышения их вклада в обеспечение АТФ-азных нагрузок и, следовательно, в обеспечение коррекции метаболического ацидоза. При этом предполагалось изучение указанных процессов как на уровне изолированных тканевых препаратов, в первую очередь на уровне митохондрий, так и в условиях целостного организма.
Здесь следует отметить, что ионы водорода образующиеся в АТФ-азных реакциях, появляются вне клетки в симпорте с лактатом, пируватом, или в результате Ка+/Н+ обмена. Поэтому на уровне целостного организма развитие метаболического ацидоза проявляется в виде повышения концентрации лактата и пи-рувата и падении концентрации натриевых солей буферных систем. Таким образом, для разработки средств купирования метаболического ацидоза, вызываемого АТФ-азными нагрузками, мы полагали необходимым провести систематическое изучение формирования адаптивных реакций целостного организма при экстремально высоких физических нагрузках, сопровождающихся развитием ацидоза и мобилизацией систем регуляции кислотно-основного состояния на различных уровнях организации.
Один из наиболее сложных вопросов, стоявших перед нами в начале исследования, заключался в том, как и почему можно было на уровне целостного организма подходить к проблеме коррекции нагрузочного ацидоза, исходя из сугубо «митохондриальных» представлений. Кратко ответ выглядит следующим образом. В условиях организма химические буферные системы обеспечивают стабильное поддержание рН, несмотря на малую буферную емкость. Концентрация бикарбоната - основного щелочного эквивалента буферов плазмы крови - порядка 25 мМ. Общая буферная ёмкость бикарбонатной системы при объеме циркулирующей крови 5 л не достигает 125 мМ. Для обеспечения субмаксимальной по мощности работы, например, на уровне 300 Вт/мин, если вся работа носит
аэробный характер, требуется дополнительно 3 л кислорода, что при величине отношения АДФ/О, равном в среднем 2,5, эквивалентно расходу и воспроизводству 670 мМ АТФ. Поскольку при работе такой мощности возникает кислородный долг, превышающий 50 % энергетической потребности, 335 мМ АТФ воспроизводится «анаэробно» в субстратном фосфорилировании в реакциях гликолиза. Соответственно 335 м-эквивалентов ионов водорода может поступить в кровоток, и, если бы буферная система крови была замкнута, ее буферная емкость полностью была бы исчерпана за 20 с. Благодаря работе химических буферов в открытой проточной системе, во взаимодействии с гемоглобиновым буфером, физиологическими системами выведения кислотных эквивалентов и метаболическими процессами, утилизирующими ионы водорода в реакциях окислительного фосфорилирова-ния, окисляющими лактат до СО2 (необходимого для воспроизводства бикарбоната) и вовлекающими лактат в глюконеогенез, химическая буферная емкость крови и величина рН поддерживаются весьма стабильно. Так, после 300 Вт нагрузки в течение 3 мин буферная емкость плазмы падает кратковременно всего на 3-7 мМ в зависимости от уровня тренированности спортсмена.
Анализируя в общем виде отдельные элементы открытой буферной системы крови, мы предположили, что одним из узких мест, обладающих резервной (неиспользуемой в полной мере) активностью, является митохондриальная система энергообеспечения. У высокотренированных спортсменов системы выведения кислотных эквивалентов и доставки кислорода работают на близком к физиологическому пределу уровне. При достижении индивидуального предела внешнего дыхания и сердечно-сосудистой системы по доставке кислорода к работающим скелетным мышцам развивается нагрузочная гипоксия и метаболический ацидоз. И тогда вопрос поддержания энергетики митохондрий сводится к обеспечению их субстратом, способным окисляться в условиях гипоксии.
Таким субстратом, по мнению М.Н. Код-рашовой, является сукцинат, который в отличие от НАД-зависимых субстратов окисляется при высоком уровне НАДН, тем самым поддерживая воспроизведство АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования при ги-поксических условиях [7]. Такое увеличение вклада митохондрий в энергообеспечение
Интегративная физиология
должно отразиться на функционировании ряда функциональных систем и органов. Может увеличиваться ударный объем сердца за счет возрастания полноты расслабления миокарда во время диастолы (наиболее чувствительного элемента к энергетическому дефициту) и повышаться минутный объем без возрастания частоты сердечных сокращений. На уровне печени и почек может существенно возрастать интенсивность вовлечения лактата в глю-конеогенез.
Помимо этого, сукцинат как сигнальная молекула, оповещающая о гипоксии, должна активировать целый ряд гематологических и вегетативных реакций, обеспечивающих улучшение гемодинамики. Есть предпосылки, указывающие, что даже несубстратные (малые) концентрации сукцината достаточны для того, чтобы вызвать сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо, что способствует облегчению доставки кислорода и поддержанию бикарбонатной буферной системы. Одновременно происходит улучшение венозного оттока, поскольку сукцинат, по-видимому, обладает вазодиляторным действием.
Таким образом, выбор сукцината в качестве средства метаболической коррекции ацидоза обеспечил более эффективное функционирование нескольких сопряженно работающих механизмов в открытой системе естественной коррекции метаболического ацидоза: увеличение вклада митохондрий в ресингез АТФ -уменьшение количества ионов водорода, остающихся в цитозоле при работе АТФ-аз ак-томиозина и саркоплазматического ретикулу-ма; улучшение работы сердечно-сосудистой системы как на центральном, так и на периферическом участках и дополнительное увеличение участия «гемоглобинового буфера» в доставке кислорода и в поддержании буферных систем, при явно лучших условиях для окисления и вовлечения недоокисленного лак-тата и других метаболитов в глюконеогенез.
Следовательно, «митохондриальный подход» к коррекции метаболического ацидоза с помощью сукцината возможен. Методологически это подтверждается в одной из работ Е.Е. Селькова, в которой он с помощью математического моделирования раскрывает закономерности функционирования иерархическим образом организованных систем:
«...физиологические и биохимические регу-ляторные системы высшего уровня организации поддерживают, многократно усиливают и упреждают регуляторные связи, возникшие на низшем стехиометрическом уровне организации метаболизма» [8].
Литература
1. Mohazzab-H, K.M. Lactate and PO2 modulate superoxide anion production in bovine cardiac myocytes: potential role of NADH oxidase / K.M. Mohazzab-H, P.M. Kaminski, M.S. Wolin // Circulation. - 1997. - Vol. 15, № 96 (2). -Р. 614-620.
2. Generation of superoxide in cardiomyo-cytes during ischemia before reperfusion / L.B. Becker, T.L. Vanden Hoek, Z.H. Shao et al. // Am J Physiol. - 1999. - Vol. 277. -Р. 2240-2246.
3. Mitochondria and cell death / A.P. Hale-strap, E. Doran, J.P. Gillespie, A. O'Toole //Biochemical Society Transactions. - 2000. - Vol. 28, № 2. - Р. 170-177.
4. Skulachev, V.P. Mitochondria in the programmed death phenomena; a principle of biology: "it is better to die than to be wrong" / V.P. Skulachev //IUBMB Life. - 2000. - Vol. 49, № 5. - Р. 365-373.
5. Яковлев, Н.Н. Биохимические механизмы адаптации скелетных мышц к повышенной активности / Н.Н. Яковлев // Украин. биохим. журнал. - 1976. - Т. 48, № 3. -С. 38-39.
6. Hendrikx, M. New Na(+>-H+ exchange inhibitor HOE 694 improves postischemic function and high-energy phosphate resynthesis and reduces. Ca2+ overload in isolated perfused rabbit heart / M. Hendrikx, K. Mubagwa, F. Verdonck et al. // Circulation. - 1994. - Vol. 89 (6). -Р. 2787-2798.
7. Кондрашова, М.Н. Адаптация к гипоксии посредством переключения метаболизма на превращении янтарной кислоты / М.Н. Кондрашова, Е.И. Маевский, Г.В. Бабаян // Митохондрии. Биохимия и ультраструктура: сб. -М.: Наука, 1973. - С. 112-129.
8. Sel 'kov, E.E. Stabilization of Energy charge oscillations and multiplicity of stationary states in energy metabolism as a Result of purely stoichiometric / E.E. Sel'kov // Regulation. J. Biochem. - 1975. - Vol. 59. - Р. 151-160.
Рямова Ксения Александровна, кандидат педагогических наук, кафедра физической подготовки, Уральский юридический институт МВД России (Екатеринбург), [email protected].
Розенфельд Александр Семенович, доктор биологических наук, профессор кафедры теории и методики физической культуры, факультет физической культуры, Российский государственный профессионально-педагогический университет (Екатеринбург), [email protected].
Поступила в редакцию 24 сентября 2014 г.
Bulletin of the South Ural State University Series "Education, Healthcare Service, Physical Education" _2014, vol. 14, no. 4, pp. 14-19
MAINTAINING THE WORKING CAPACITY AND RELATIVE STABILITY OF INTERNAL ENVIRONMENTAL pH BY MEANS OF SUBSTRATE SUPPORT OF MITOCHONDRIAL APPARATUS
K.A. Ryamova, Ural Institute of Law of the Ministry of Interior of Russia, Yekaterinburg, Russian Federation, [email protected],
A.S. Rozenfeld, Russian State Professional and Pedagogical University, Yekaterinburg, Russian Federation, [email protected]. Ryamova, A.S. Rozenfeld
We analyzed open regulation system of blood acid-base balance and its correlation with system of acid equivalent generation in muscles at intensive physical exertion. This analysis allowed us of making a hypothesis that human body has reserve of unused activity of mitochondrial energy supply, and the problem of physical working capacity increase at metabolic acidosis may be solved by supporting energy balance of mitochondria with provided substrate that is able to oxidize and provide aerobic ATP re-synthesis in conditions of working hypoxia.
Keywords: exertion hypoxia, acidosis, working capacity, mitochondria, metabolism, pH, succinate.
References
1. Mohazzab-H K.M., Kaminski P.M., Wolin M.S. Lactate and PO2 Modulate Superoxide Anion Production in Bovine Cardiac Myocytes: Potential Role of NADH Oxidase. Circulation, 1997, vol. 15, no. 96(2), pp. 614-620.
2. Becker L.B., Vanden Hoek T.L., Shao Z.H., Li C.Q., Schumacker P.T. Generation of Superoxide in Cardiomyocytes During Ischemia before Reperfusion. Am J Physiol, 1999, vol. 277, pp. 2240-2246.
3. Halestrap A.P., Doran E., Gillespie J.P., O'Toole A. Mitochondria and Cell Death. Biochemical Society Transactions, 2000, vol. 28, no. 2, pp. 170-177.
4. Skulachev V.P. Mitochondria in the Programmed Death Phenomena; a Principle of Biology: "It Is Better to Die than to be Wrong". IUBMB Life, 2000, vol. 49, no. 5, pp. 365-373.
5. Yakovlev N.N. [Biochemical Mechanisms of Skeletal Muscle Adaptation to Increased Activity]. Ukrainskiy biokhimicheskiy zhurnal [Ukrainian Biochemical Journal], 1976, vol. 48, no. 3, pp. 38-39.
6. Hendrikx M., Mubagwa K., Verdonck F. New Na(+)-H+ Exchange Inhibitor HOE 694 Improves Postischemic Function and High-Energy Phosphate Resynthesis and Reduces. Ca2+ Overload in Isolated Perfused Rabbit Heart. Circulation, 1994, vol. 89 (6), pp. 2787-2798.
7. Kondrashova M.N., Maevskiy E.I., Babayan G.V. [Adaptation to Hypoxia by Switching Metabolism on the Conversion of Succinic Acid]. Mitokhondrii. Biokhimiya i ul'trastruktura [In the Collection. Mitochondria. Biochemistry and Ultrastructure], 1973, pp. 112-129. (in Russ.)
8. Sel'kov E.E., Biochem J. Stabilization of Energy Charge Oscillations and Multiplicity of Stationary States in Energy Metabolism as a Result of Purely Stoichiometric. Regulation. J. Biochem., 1975, vol. 59, pp. 151-160.
Received 24 September 2014
