Специфические изменения в метаболизме спортсменов

1.2 Метаболизм  углеводов и лнпндов при физической  нагрузке.

1.2.1 Регуляция  метаболизма субстратов плазмы  в течение физической нагрузки  Физическая нагрузка быстро стимулирует  транспорт глюкозы в плазматической  мембране (сарколемме) рабочих мышц, что приводит к увеличению  притока глюкозы в цитозоль [139, 236, 106]. Этот процесс может быть  фактором, ограничивающим обмен  глюкозы в мышцах в течение  физической нагрузки. Кровоток и  доставка глюкозы к рабочим  мышцам, также увеличивается в  начале физической нагрузки. Поскольку  транспорт глюкозы через сарколемму  осуш;ествляется по кинетике Михаелиса-Ментен, то есть по кинетике с насыщением, уровень поглощения глюкозы на  любом этапе прохождения через  сарколемму есть функция концентрации  глюкозы в межклеточном пространстве, смежном с сарколеммой, когда  уровни глюкозы находятся в  физиологическом диапазоне. Если  кровоток и доставка глюкозы  не соответствуют увеличению  поглощения глюкозы рабочими  мышцами, концентрация глюкозы  в межклеточном пространстве  будет падать заметно, предотвращая поглощение глюкозы в мышце при увеличении проницаемости сарколеммы к глюкозе. Неизвестно, что происходит при нормальных физиологических условиях, хотя возможно, что кровоток может быть лимитирующим фактором при некоторых физических нагрузках. Концентрация инсулина в плазме обычно снижается в течение физической нагрузки [97]. Однако, при искусственных, экспериментальных условиях, при повышении уровня инсулина в плазме, в случае эугликемии, гиперинсулинемии, или при перфузии hindquarter крысы, доставка глюкозы может стать ограничивающим фактором [132,148] Несмотря на значительное увеличение использование глюкозы в течение длительной, умеренной физической нагрузки в устойчивом состоянии, концентрация глюкозы в крови постоянна, пока запасы гликогена печени не будут исчерпанными [64,72,73,307]. Как долго индивидуум может выполнять физическую нагрузку заданной интенсивности до снижения сахара в крови при голодании, зависит в значительной степени от начального запаса гликогена печени, который, в свою очередь, зависит от продолжительности голодания и диеты до нее [55,54,227]. Гипогликемия не наступает, если углеводы в достаточной мере принимаются в течение физической нагрузки [61], и очень длительная и интенсивная физическая нагрузка, типа дальних велосипедных гонок возможна только при непрерывном питании.

При голодании, гликогенолиз и глюконеогенез в печени ответственны за поддержание уровня глюкозы крови. Глюконеогенез, прежде всего из лактата  и аланина, произведенного мышцами  и глицерином, образующимся в результате липолиза, помогает экономить гликоген печени и задерживает развитие гипогликемии [34,287], Увеличение печеночного гликогенолиза, которое предотвращает развитие гипогликемии в течение длительной физической нагрузки, вызвано увеличением  глюкагона и катехоламинов и  уменьшением секреции инсулина [307,199,137,288]. Увеличение глюкагона и уменьшение инсулина, по-видимому, главные факторы, ответственные за защиту против гипогликемии, с катехоламинами, выступающими как вторая линия защиты [307,199,137,180]. Показано, что глюкоза крови, поддерживается, несмотря на фармакологическую блокаду адренергических рецепторов [199]. Катехоламины служат как вторая линия защиты, если уровень инсулина не снижается, и уровень глюкагона не увеличивается [199].

Исключение - очень  напряженная физическая нагрузка, в  течение которой по нервным центростремительным  путям от мышц (обратная связь) происходит активация нервной симпатической  системы, что приводит к усилению производства глюкозы печенью и  увеличению глюкозы в плазме [179,62].

Механизмы, которыми обеспечивается производство глюкозы, точно соответствующее ее использованию, чтобы поддерживать постоянной концентрацию глюкозы крови в течение длительной физической нагрузки умеренной интенсивности, еще не были объяснены, несмотря на (• значительные исследования в  этом направлении.

Окисление жирных кислот может в значительной мере обеспечивать энергией длительную физическую нагрузку умеренной интенсивности. При нормальных физиологических  состояниях степень использования  жиров и экономии углеводов в  течение физической нагрузки зависит  от концентрации СЖК плазмы крови [114], относительной интенсивности физической нагрузки [169,246,182], доступности углеводов [150,70,257,297] степени тренированности [33-36]. Максимальные уровни окисления  жирных кислот плазмы крови достигаются  при относительно низкой интенсивности  физической нафузки, соответствующей 40 % от МПК [246,256,296].

Индивидуальные  значения концентрации СЖК в плазме крови при данной интенсивности  физической нагрузки в значительной степени определяется питанием [34,246,150,70,157,304,163,68] и продолжительностью физической нагрузки [226]. Пищевые углеводы понижают СЖК  плазмы, увеличивая уровни инсулина и  обеспечивая глицерин фосфатом для  реэстерификации жирных кислот и  хранения их в виде триглицеридов [61,150,71,118]. Таким образом, бедная углеводами диета  увеличивает концентрацию СЖК плазмы, что сопровождается экономией углеводов, но снижается производительность, потому что это уменьшает запасы гликогена [41,98] и, поэтому, выносливость [163], Точно  так же длительное голодание приводит к прогрессивному повышению СЖК  плазмы, но также и уменьшению запасов ^ гликогена.

Чтобы максимально  увеличить работоспособность при  длительной (обычно 2 часа или более) напряженной физической нагрузки, в  течение, который практически не потребляется в достаточной мере углеводов, было бы выгодно начать с  больших запасов гликогена и  высокой концентрации СЖК плазмы. Однако не имеется никакого физиологического способа достичь этой комбинации. Подход, который обычно использовался, чтобы искусственно увеличить СЖК  в плазме в целях исследования, состоит в том, чтобы увеличить  триглицериды плазмы посредством приема жирной пищ,и, или внутривенного  введения эмульсии триглицеридов, сопровождаемой введением гепарина [235,136,67,278,87,216,88]. Гепарин освобождает липопротеинлипазу  от капилляров, с активацией липолиза и значительного увеличения в  плазме СЖК. Использование этой процедуры  обеспечивало значительное увеличение СЖК окисления в течение физической нагрузки и экономит гликоген мышц и печени, и таким образом, увеличивает  выносливость [235,136,67,278,87,216,88]. Используя  этот подход, было показано на крысах при подъеме СЖК плазмы, замедление использования гликогена печени и мышц, задерл<ка развития гипогликемии и заметное улучшение выносливости [235,136]. Исследования на людях, у которых был повышен уровень СЖК такой же процедурой, также показали, повышение уровня окисления СЖК, и заметное уменьшение использования гликогена мышц и глюкозы крови [278,87,216,262].

Механизм, за счет которого окисление жирных кислот приводит к экономии углеводов в течение  физической нагрузки, в настояш;ее время  не ясен [262]. Думалось, что за это  ответственен классический цикл глюкоза  жирные кислоты [230,228,229,234], с увеличением  цитрата в мышцах и ингибированием фосфофруктокиназы, увеличением ацетил- СоА и ингибированием пируватдегидрогеназы. Исследования, проведенные на крысах с экспериментальным повышением СЖК плазмы, подтвердили это представление, поскольку концентрация цитрата  в мышцах была увеличена по сравнению  с контролем [235]. Однако, более современные  исследования не нашли увеличения цитрата  в биоптатах мышц у людей с  повышенной концентрацией СЖК плазмы, и вызвали сомнения относительно этого механизма [87]. Однако было показано, что снижение доступности экзогенных СЖК увеличивало активность PDH и  окисление углеводов в течение  умеренной аэробной физической нагрузки у мужчин. Увеличение активности не объясняется изменениями в мышце  пирувата или отношением АТФ/АДФ, но, как считают авторы, может иметь  отношение к NADH/NAD[+] или адреналин  индуцированному увеличению концентрации '74Са [310]. Это - область, которая требует  дальнейшего изучения.

Исследования  механизмов обеспечивающих экономию углеводов  СЖК должны принять во внимание данные о том, что увеличение окисления  СЖК экономит не только глюкозу крови (гликоген печени), но также и гликоген мышц. Известно, что уменьшение истощения  гликогена мышц опосредованно уменьшением гликогенолиза. Существуют два наиболее важных фактора, которые регулируют уровень изменений гликогена в мышце - деятельность фосфорилазы и концентрация неорганического фосфата (Pi). Относительно регуляции активности фосфорилазы и концентрации Pi в мышце, кажется маловероятным что, окисление жира вместо углеводов может сопровождаться уменьшением любой из этих переменных. Альтернативная гипотеза состоит в том, что распад гликогена не происходит, чему частично препятствует увеличенный синтез гликогена. Увеличение синтеза гликогена может идти двумя путями: часть глюкозы полученной мышцами для гликогенолиза идет на синтез гликогена, также происходит ресинтез гликогена из продуктов его распада (т. е. бесполезный цикл).

Так же, как увеличение доступности СЖК и их окисление  экономит мышечный гликоген печени, увеличение доступности и использования  углеводов уменьшает вклад СЖК  в поставку энергии в течение  физической нагрузки [150,70,257,297]. Один механизм, при котором потребление углеводов  в пределах 90 минут физической нагрузки уменьшает окисление СЖК - повышение  уровня глюкозы в крови и стимуляция секреции инсулина [150,70,67,33,119,209]. В результате увеличивается в плазме уровень  инсулина ингибирующий липолиз и, таким  образом, понижает концентрацию СЖК  плазмы, при стимулировании увеличенного поглощения глюкозы мышцей. Второй механизм, при котором увеличенное  использование углеводов уменьшает  использование жиров - ингибирование  поглощения и окисления СЖК митохондриями  мышц [70,257,256,254]. Этот эффект, проявляется  и опосредован увеличением в  мышце malonyl-CoA [279,90,248]. Malonyl-CoA - мощный ингибитор  карнитин пальмитоил трансферазы 1 (СРТ 1) который является ферментом - лимитирующим этапом пути окисления жирных кислот [279]. Физическая нагрузка сопровождается активацией AMP киназы в мышце [302,303,273].

Активированная  АМР-киназа фосфорилирует и инактивирует Ацетил - СоА carboxylase, который является ферментом, конвертирующим Ацетил - СоА  к malonyl-CoA [205,158]. Как следствие, концентрация malonyl-CoA снижается, в результате увеличивается  активность СРТ 1 и увеличивается  уровень окисления жирных кислот [248,302,303,273,158,280]. Однако когда гликолиз увеличен, синтез malonyl-CoA увеличивается, в результате более высокой концентрации malonyl-CoA [то есть меньшее уменьшение в malonylСоА], больше ингибируется СРТ 1, и  уменьшается окисление СЖК при  субмаксимальной физической нагрузке [248,280]. Исследования эффектов физической нагрузки и гликолиза на концентрацию malonyl СоА [176]. Еще один рассматриваемый  вариант - это прямым ингибированием окисления длинноцепочных жирных кислот гликолитическим потоком, т.е. доступность  углеводов, может непосредственно  регулировать окисление жиров в  течение физической нагрузки [70,255].

Можно ожидать, например, что при любом вызванном жирами изменении в метаболизме углеводов  мишенью будут ферменты, которые  играют ключевые роли в регуляции  метаболизма углеводов. В мышце  они могут включать транспорт  глюкозы, (GLUT4) и фосфорилирование (гексокиназа), гликогенолиз (гликоген фосфорилаза), гликолиз (фосфофруктокиназа) и образование  ацетилу СоА (пируватдегидрогеназа).

Так же может иметь  место быть индуцированное углеводами снижение метаболизма жиров и  окисление, и возможно направленный транспорт длинноцепочечных жирных кислот в клетки (транслоказа жирных кислот CD36), выход СЖК из внутримышечных триглицеридов (гормон чувствительная липаза) и транспорт в митохондрии (карнитин пальмитоил трансферазный комплекс). [262] Таким образом, увеличенная доступность СЖК приводит к увеличению окисления жиров и меньшему количеству использования углеводов, в то время как увеличенная доступность углеводов сопровождается увеличением использования углеводов и уменьшенным окислением жиров в течение субмаксимальной физической нагрузки 1.2.2 Роль интенсивности и продолжительности физической нагрузки.

Интенсивность физической нагрузки выражается, и в абсолютных и относительных величинах. Относительная  интенсивность физической нагрузки вообш;е выражается как процент  от индивидуальной максимальной способности  к поглощению кислорода (МПК). МПК  изменяется в широком диапазоне  среди индивидуумов, зависит от уровня аэробной тренированности, генетических данных, возраста, статуса здоровья и пола.

Регулирующие  механизмы, ответственные за прогрессивное  повышение, при увеличивающейся  интенсивности физической нагрузки, доли в полной энергии, обеспеченной окислением углеводов, все еще полностью  не поняты. Факторы, которые играют важную роль в этом, включают уменьшение доступности жирных кислот плазмы из-за сокращения в количестве жирных кислот, мобилизуемых из жировой ткани [246,247], увеличенная активация гликогенолиза [246], и увеличенного включения в  работу быстро сокращающихся, то есть Типа 2, мышечных волокон. Уменьшение выхода жирных кислот, как думают, должно происходить, по крайней мере, частично, за счет сужения  сосудистого русла в жировой  ткани в результате увеличенного р-адренергического возбуждения [247]. Прямым свидетельством того, что ограничение  доступности жирных кислот плазмы, играет роль в уменьшении их окисления в течение высокоинтенсивной физической нагрузки является то, что окисление жиров увеличивается, а использование гликогена мышц уменьшается, когда повышается количество жирных кислот плазмы, посредством введения эмульсии триглицеридов и гепарина, даже в течение очень интенсивной физической нагрузки на уровне 85 % МПК [87,88]. То, что гликолизгликогенолиз имеет подавляющий эффект на окисление жиров, демонстрировался во множестве недавних исследованиях обсуждаемых ранее; этот эффект, возможно опосредован увеличением malonyl СоА, который подавляет фермент, ответственный за транспортировку, длинноцепочечных жирных кислот в матрикс митохондрий, пальмитин карнитин трансфераза [279].

В течение физической нагрузки умеренной интенсивности, в диапазоне от 55 % до 75 % МПК, которая  может поддерживаться в течение 90 минут или более, происходит прогрессивное  изменение в соотношении энергии, производной от гликогена мышц и  мышечных триглицеридов, и прогрессивного увеличения окисления жирных кислот плазмы [246]. В течение первых 30 минут  физической нагрузки или при физической нагрузке умеренной интенсивности  в состоянии голодания, жирные кислоты  плазмы и мышечные триглицериды обеспечивают грубо равные количества жира, который  является окисляемым. Когда физическая нагрузка продолжается более 30 минут, окисление жирных кислот плазмы обеспечивает прогрессивно большее количество полных требований энергии, давая компенсацию  за уменьшенное использование не только мышечных триглицеридов, но также  и гликогена мышцы [246]. Это увеличение окисления жирных кислот плазмы крови  в течение длительной физической нагрузки обеспечивается прогрессивным  повышением концентрации жирных кислот плазмы, и связано с прогрессивным  истощением гликогена мышцы и  запасов триглицеридов.

Снижение доли использования жиров с ростом интенсивности физической нагрузки хорошо установленный факт. В исследовании взаимосвязи между доставкой  жирных кислот и окислением жирных кислот, в течение напряженной  физической нагрузки [244] показали, что  в норме окисление жиров снижается  при физической нагрузке в 85 % МПК  из-за отказа в мобилизации СЖК  выше уровня покоя. Но это объясняет  только часть снижения окисления  жиров, когда интенсивность физической нагрузки увеличена от 65 до 85 % МПК. Это  указывает на то, что регулирование  метаболизма жиров может осуществляться как на уровне мобилизации, так и  их непосредственного окисления  работающими мышцами. Был выполнен ряд экспериментов, чтобы оценить  относительную важность этих двух потенциальных  узлов управления. Процесс липолиза обычно обеспечивает свободными жирными  кислотами (СЖК) по уровню более требуемого, чтобы обеспечить энергией состояние  покоя. В начале физической нагрузки низкой интенсивности, липолиз увеличивается  с избытком, обеспечивая энергией работу. Однако, липолиз не увеличивается  далее с увеличением интенсивности  физической нагрузки, и окисление  жирных кислот становится приблизительно равным общей сумме жирных кислот, доступных в 65 % V02 максимального. Когда  концентрация СЖК плазмы увеличена  инфузией липида в течение физической нагрузки интенсивностью 85 % V02 max, окисление  жиров значительно увеличено. Взятые вместе, эти наблюдения указывают, что  доступность жирных кислот может  определять уровень их окисления  в течение физической нагрузки. Однако, даже, когда липиды вводились более  необходимого, в течение физической нагрузки высокой интенсивности, меньше чем половина энергии получена от окисления жиров. Это - указывает  на то, что сама мышца - главный узел управления уровнем окисления жиров  в течение физической нагрузки.