Руководство по спортивной медицине - Коллектив авторов

Рассмотренные черты взаимосвязи Г ↔ Ф не являются ее исчерпывающим описанием, но дают возможность поставить основной вопрос, относящийся к самому существу этого регуляторного механизма, а именно: каким образом ИФС регулирует активность генетического аппарата клетки? Этот процесс наиболее эффективно можно рассмотреть на примере деятельности сердца, так как долговременная его адаптация к меняющейся нагрузке является предметом пристального внимания кардиологии.

Применительно к кардиомиоцитам вопрос может быть конкретизирован так: каким образом увеличение напряжения миофибрилл активирует расположенный в ядре генетический аппарат? При действии на организм различных раздражителей, требующих двигательной реакции, а также при действии гипоксии, холода и эмоциональных напряжений нейрогормональная регуляция и авторегуляция сердца мгновенно обеспечивают увеличение сократительной функции. В результате использование АТФ в кардиомиоцитах возрастает и в течение некоторого короткого времени опережает ресинтез АТФ в митохондриях. Это приводит к тому, что концентрация богатых энергией фосфорных соединений в кардиомиоцитах снижается, а концентрация продуктов их распада возрастает. Поскольку АТФ угнетает окислительное фосфорилирование, а продукты ее распада активируют этот процесс, приведенное отношение можно условно обозначить как регулятор фосфорилирования (РФ) и принять, что РФ регулирует скорость ресинтеза АТФ в митохондриях.

Представленная схема цитологического звена долговременной адаптации демонстрирует, что нагрузка и увеличение функции кардиомиоцитов означают снижение концентрации КрФ и АТФ, и что возникшее увеличение РФ влечет за собой усиление ресинтеза АТФ в их митохондриях. В результате концентрация АТФ стабилизируется на определенном уровне, энергетический баланс миоцитов восстанавливается. Энергетическое обеспечение срочной адаптации оказывается достигнутым.

Главный момент схемы, который делает возможным понимание не только срочной, но и долговременной адаптации, состоит в том, что тот же параметр РФ приводит в действие другой, более сложный контур регуляции: опосредованно через промежуточное звено, обозначенное как «фактор-регулятор», он контролирует активность генетического аппарата клетки – определяет скорость синтеза нуклеиновых кислот и белков. Иными словами, при нагрузке увеличение функции снижает концентрацию АТФ, величина РФ возрастает, и этот сдвиг через промежуточные звенья регуляции активирует синтез нуклеиновых кислот и белков, т. е. приводит к росту структур сердечной мышцы. Снижение функции ведет к противоположному результату. Такая связь между функцией и генетическим аппаратом – конструкция ключевого звена долговременной адаптации – не является индивидуальной принадлежностью сердца. Роль дефицита энергии в активации генетического аппарата показана в клетках различных органов: скелетных мышцах, нейронах, почках и т. д.

Энергетический баланс клетки через концентрацию богатых энергией фосфорных соединений и продукты их распада регулирует не только синтез АТФ, но и активность генетического аппарата клетки, т. е. образование клеточных структур. В соответствии с общим принципом жесткой структурной организации регуляторных механизмов организма и каждой его клетки представляется, что отношение АТФ и продуктов ее распада регулирует активность генетического аппарата через определенный метаболит-регулятор. Этот молекулярный сигнал, отражающий уровень функции, снимает физиологическую репрессию структурных генов в хромосомах клеточного ядра и таким образом активирует транскрипцию информационной, а затем рибосомной РНК и, как следствие, трансляцию белков. В ответ на увеличение функции раньше и в наибольшей степени происходят биосинтез и накопление короткоживущих мембранных белков. Транскриптоны, кодирующие синтез ключевых белков клетки, за счет наибольшего сродства с метаболитом-регулятором или иных особенностей своей конструкции, оказываются доступными для РНК-полимеразы при меньших концентрациях метаболита-регулятора, т. е. при меньших нагрузках их на органы и системы. В результате при повторных умеренных нагрузках развивается избирательное увеличение массы и мощности структур, ответственных за управление, ионный транспорт, энергообеспечение и, как следствие, увеличение функциональной мощности органов и систем, составляющее базу адаптации.

У млекопитающих производное АТФ – циклический аденозинмонофосфат (цАМФ) – является мощным индуктором, способным активировать в клетках процесс транскрипции и увеличивать синтез нуклеиновых кислот и белков. Норадреналин и его аналог изопроторенол, специфически активирующие аденилциклазу, а тем самым синтез цАМФ в условиях целого организма, закономерно вызывают активацию транскрипции и увеличение концентрации РНК в сердечной мышце с последующим развитием гипертрофии сердца. Все другие факторы, вызывающие гипертрофию сердца (холод, физические нагрузки, гипоксия), активируют адренергическую регуляцию сердца, а следовательно, также могут увеличивать образование цАМФ и через этот метаболит-регулятор активировать транскрипцию. После начала гиперфункции сердца, вызванной сужением аорты, в миокарде стимулируется синтез простагландинов, которые, в свою очередь, активируют аденилциклазу; как следствие, в кардиомиоцитах возрастает концентрация цАМФ. При действии на сердце гипоксии возникающий дефицит АТФ, как и при гиперфункции, влечет за собой накопление цАМФ. Последний активирует также РНК-полимеразу и синтез РНК в ядрах кардиомиоцитов.

Содержание АТФ и КФ регулирует активность генетического аппарата и через другие метаболиты. Ион магния представляет собой необходимый кофактор транскрипции и трансляции, в клетках он находится в комплексе с АТФ. При распаде АТФ и уменьшении ее концентрации освобождение ионов магния приводит к активации генетического аппарата клеток, росту клеточных структур и увеличению интенсивности пролиферации фибробластов в культуре; связывание ионов магния избытком АТФ приводит к противоположному результату.

Конструкция регуляторного механизма, через который функция клетки влияет на активность генетического аппарата, реализуется через содержание АТФ и продуктов ее распада. Действие такого метаболита опосредуется через сложную систему регуляторных белков клеточного ядра. Через взаимосвязь Г ↔ Ф функция клетки детерминирует образование необходимых структур. Таким образом, это является необходимым звеном структурного обеспечения физиологических функций вообще и звеном формирования структурного базиса адаптации в частности.

2.2. Характеристика системного структурного следа адаптации

В процессе адаптации к интенсивной физической нагрузке, как и к другим факторам среды, выделяется четыре стадии. Рассмотрим их вкратце, далее они будут проанализированы более подробно.

Первая, аварийная, стадия, или стадия срочной адаптации, характеризуется мобилизацией функциональной системы до предельно достижимого уровня, выраженной стресс-реакцией, явлениями повреждения и вместе с тем определенным несовершенством самой двигательной реакции.

Нейрогуморальная регуляция реализует интенсивное возбуждение корковых, подкорковых и нижележащих двигательных центров, которому соответствует значительная, но недостаточно координированная двигательная реакция. Процесс характеризует начальный этап формирования новых условнорефлекторных динамических стереотипов, двигательных навыков. Одновременно реализуется нейрогенно-детерминированная стресс-реакция. Последняя характеризуется повышением в крови концентрации катехоламинов, секрецией кортиколиберина, адренокортикотропного гормона (АКТГ), соматолиберина, соматотропина и др. тропных гормонов, за этим – ростом уровня в крови кортикостероидов, глюкагона, тироксина, тирокальцитонина, вызывающего ограничение гиперкальциемии за счет увеличения поступления Са2+ к работающим мышцам, при этом снижается секреция и содержание в крови инсулина. Одновременно возрастает концентрация в крови и доступность для мышц, сердца и др. рабочих органов субстратов энергетического обмена – глюкозы, жирных кислот, аминокислот.

Двигательный аппарат характеризуется включением в реакцию моторных нейронов и связанных с ними мышечных волокон, а также генерализованным вовлечением «лишних» мышц. Сила и скорость сокращений мобилизованных мышц оказываются ограниченными, но максимально достижимыми для данного этапа процесса, координация движений недостаточно совершенна. Содержание в мобилизованных скелетных мышцах КрФ, гликогена и АТФ падает, а концентрация аммиака и лактата растет, что ограничивает интенсивность и длительность функционирования мышц. Под влиянием активированного катехоламинами перекисного окисления липидов, а также активации липаз и фосфолипаз повреждаются клеточные мембраны и в крови наблюдается выраженная ферментемия. Увеличенный распад белков в скелетных мышцах и внутренних органах устанавливает отрицательный азотистый баланс организма.