Физиологическая роль гемоглобина его изменение при физических нагрузках

Научная статья Евгения Суборова, к.м.н., врача анестезиолога- реаниматолога о роли гемоглобина в жизни бегунов.

Мы продолжаем публикацию научных статей Евгения Суборова о физиологии бега. Вас ждет исчерпывающий рассказ о том, как меняется уровень гемоглобина во время бега, что такое «спортивная анемия» и как тренировки влияют на вязкость крови.

Если у вас останутся вопросы, или вы хотите узнать больше об этой теме, задавайте вопросы в комментариях к этой статье.

От автора

Существуют разные способы повышения уровня гемоглобина у спортсменов: одни из них — легитимны, другие — нет. Главное — не терять голову и помнить, что избыточно высокий уровень гемоглобина может нанести вред здоровью.

Для чего нужен гемоглобин?

Гемоглобин содержится внутри красных кровяных телец — эритроцитов, которые
отвечают за транспорт кислорода и углекислого газа. Во время вдоха в легкие попадает кислород, который доходит до дыхательных мешочков — альвеол, а дальше, через тончайшую мембрану он переносится в микрососуд (капилляр). В капилляре кислород попадает в эритроцит, содержащий гемоглобин, в результате образуется молекула гемоглобина, связанного с кислородом – оксигемоглобина.

Эритроциты доставляют оксигемоглобин в разные ткани организма (включая мышечную), там гемоглобин «разгружается», теряет кислород, превращаясь в дезоксигемоглобин

Отдав кислород, гемоглобин присоединяет углекислый газ, который образуется в клетках в результате процессов обмена, представляя собой те «отходы», которые необходимо вывести. Попадая в легкие, углекислый газ переходит из эритроцитов в альвеолы, выделяется в атмосферу, а освободившееся место занимает кислород.

Процесс обмена кислорода и углекислого газа в легких называется альвеолокапиллярная диффузия.

То, насколько важен транспорт кислорода, становится очевидно при развитии анемии, когда снижение концентрации гемоглобина может вести к снижению производительности (1, 2). Однако, важна не только концентрация, но и функциональная «полноценность» гемоглобина. Например, в условиях недостаточного содержания кислорода (высокогорье), повышается способность гемоглобина связывать кислород в лёгких, обеспечивая нас жизненно необходимым газом (3). Удовлетворить возросшие потребности в кислороде при физической работе позволяет способность гемоглобина легче отдавать кислород в работающей мышце (4). Эти примеры показывают гибкость молекулы гемоглобина, способность подстраиваться под условия окружающей среды и предупреждать развитие кислородного голодания.

Помимо транспорта кислорода, эритроциты выполняют и другие функции, влияющие на производительность спортсмена:

— Способствуют поддержанию постоянства внутренней среды организма.
— Могут поглощать ряд продуктов обмена, выделяющихся при интенсивной работе мышц, например, лактата (молочной кислоты).
— Способствуют поддержанию проходимости сосудов, выделяя оксид азота (вещество, расширяющие сосуды) (5), что важно при физической работе (6).

Давайте разберемся, с помощью каких механизмов эритроциты обеспечивают непрерывную доставку кислорода к тканям, позволяя выполнять физическую работу на протяжении длительного времени.

Почему так важна прочность связи гемоглобина с кислородом?

Изменение прочности связи гемоглобина с кислородом — один из основных механизмов, который оптимизирует транспорт кислорода, он не зависит от концентрации кислорода и общей массы гемоглобина.

К чему приводит изменение прочности связи гемоглобин-кислород?

Гемоглобин – это транспортный белок, выполняющий две противоположных задачи – присоединение кислорода в легких и отдача его тканям. Гемоглобин должен хорошо присоединять кислород, но при слишком сильной связи с гемоглобином, кислород будет неохотно отдаваться тканям на периферии.

Прикрепившись к гемоглобину, самостоятельно кислород от него отсоединиться не может (7). Для разрыва связи необходимо воздействие на гемоглобин одного из внешних факторов (например, pH, изменение концентрации углекислого газа, изменение температуры, а также изменение концентрации вещества со сложным названием 2,3-дифосфоглицерат). Изменение прочности связи гемоглобин-кислород может идти в двух направлениях: гемоглобин легче присоединяет кислород в легких (это имеет значение на высокогорье, где кислорода мало), или же легче отдает кислород тканям (например, при физической работе, когда мышцы требуют большого количества кислорода).

Увеличенная потребность в кислороде во время тренировок удовлетворяется за счет повышения кровотока в мышцах (8) и облегчения процесса высвобождения кислорода в тканях (9), тогда как лактат, накапливающийся в мышцах при физической нагрузке, практически не влияет на обеспечение тканей кислородом (10). Кроме этого, у тренированных спортсменов эритроциты образуются более активно, продолжительность их жизни уменьшается (11), более молодые эритроциты имеют повышенную метаболическую активность, а прочность связи гемоглобин-кислород в тканях ниже (12). Это означает, что у тренированных спортсменов кислород легче отдается тканям, что абсолютно необходимо при тяжелых и интенсивных тренировках.

Разгрузка кислорода в работающих мышцах

Работающие мышцы выделяют в кровеносные капилляры протоны водорода, углекислый газ и лактат, а температура в мышцах повышается до 41°C. Кровоток, проходящий через работающие мышцы, реагирует на эти изменения и активно отдает кислород мышцам (13), например, за счёт более высокого уровня 2,3-ДФГ в крови (14).

Обогащение крови кислородом в лёгких

На пути крови из мышцы в лёгкие происходит снижение концентрации H+, накопление углекислого газа, а также снижение температуры (температура крови в легких ниже, чем в работающих мышцах). Все это должно приводить к облегчению загрузки кислорода в эритроциты и гемоглобин, однако, на фоне интенсивных тренировок, кислород в легких поглощается не так активно, как в состоянии покоя. Это приводит к снижению максимального насыщения артериальной крови кислородом в покое с 97,5% до 95%. Другими словами, гемоглобин не полностью загружен кислородом, остается еще «свободное место». Компенсацией за эту неполную загрузку, является кислород, эффективно и активно высвобождающийся в работающих мышцах, что позволяет обеспечивать кислородом активно работающие мышцы (15).

Транспорт кислорода

В одном литре крови может растворяться только 0.03 мл кислорода, а грамм гемоглобина может переносить 1.34 мл O2. Таким образом, нормальное содержание гемоглобина в единице объема крови позволяет переносить достаточное количество кислорода для адекватного обеспечения тканей. Повышение уровня гемоглобина увеличивает количество доставляемого тканям кислорода. Способность переносить кислород влияет на производительность, которая повышается, например, после переливания эритроцитарной массы (16). Кроме того, описана зависимость между общим гемоглобином и максимальным потреблением кислорода (МПК или VO2max) у спортсменов (17). Следовательно, хорошая производительность спортсмена отчасти определяется высокой транспортной способностью крови.

Что влияет на способность крови переносить кислород?

Конечно, это концентрация гемоглобина в крови (cHb), гематокрит (Hct), общая масса гемоглобина (tHb), общий объем эритроцитов (tEV) в крови. Как cHb, так и Hct легко измерить при взятии образца крови на анализ. Вместе с показателем насыщения гемоглобина кислородом они показывают количество кислорода, которое может быть доставлено к тканям. Показатели tHb и tEV характеризуют общее количество кислорода, которое может транспортироваться кровью, высокие цифры этих показателей позволяют перераспределять кислород к органам и тканям с максимальной потребностью, поддерживая в то же время базовое поступление кислорода к менее активным органам и тканям. Примером активной ткани в беге может служить мышечная ткань — она требует много кислорода. А неактивная — это, например, ткань кишечника.

Гематокрит у спортсменов

Гематокрит, или объем красных кровяных клеток (эритроцитов) в крови, определяет способность крови переносить кислород. Большинство исследований показывают, что гематокрит спортсменов ниже, чем у нетренированных людей (18). Чрезмерно повышенный гематокрит увеличивает вязкость крови, что приводит к нарушениям работы сердечно-сосудистой системы (19).

Изменения гематокрита развиваются очень быстро, а выраженность изменений зависит от интенсивности и типа тренировок (20). Во время тренировок гематокрит может повышаться из-за уменьшения объема плазмы, особенно при недостаточном восполнении жидкостью (21). Низкий уровень гематокрита после тренировки объясняется быстрым увеличением объема жидкой части крови (плазма). Объем эритроцитов остается неизменным в течение нескольких дней (22), а «дотренировочные» уровни гематокрита восстанавливаются через несколько недель (24). Кроме того, уровень гематокрита подвержен и сезонным влияниям, летом он может быть ниже на 1-2%, в дополнение к снижению, вызванному тренировками (25).

Снижение уровня гематокрита у спортсменов называется «спортивная анемия». Долгое время это объяснялось повышенным разрушением эритроцитов во время тренировки, и, по сути, напоминает известный феномен под названием «маршевая гемоглобинурия». Ее также называют «болезнью солдат», поскольку механическое разрушение эритроцитов связано с чрезмерной нагрузкой на стопу. Первым признаком, которым проявляет себя гемоглобинурия, считается окрашивание мочи в темно-красный цвет, что объясняется присутствием в моче большого количества оксигемоглобина (26). У спортсменов внутрисосудистое разрушение эритроцитов связано с интенсивностью и типом тренировки, а ударная нагрузка на стопу является одной из самых частых причин, причем, она может быть частично предотвращена с помощью хорошо амортизирующей обуви (27). Другими возможными причинами «спортивной анемии» может быть недостаточное потребление белка, а также нарушенный липидный профиль и недостаток железа в организме (28).

Как было сказано выше, объем плазмы изменяется достаточно быстро, тогда как изменения общей массы эритроцитов происходят очень медленно, из-за невысокой скорости образования эритроцитов (29). Таким образом, измерение этих двух показателей, наряду с гемоглобином и гематокритом, помогает определить способность крови переносить кислород.

В ряде исследований было показано, что у тренированных спортсменов уровень tHb повышен (30), а повышение tHb на 1 г. увеличивает VO2max примерно на 3 мл/мин (31). Доказано, что повышение tHb на 1 г/кг массы тела повышает VO2max примерно на 5.8 мл/мин/кг, причем у нетренированных людей (даже у тех, кто имеет нетипично высокий показатель VO2max 45 мл/мин/кг) tHb = 11 г/кг, а у хорошо тренированные спортсмены (средний VO2max = 71.9 мл/кг) tHb = 14.8 г/кг (32).

Эти находки подтверждают данные 1949 года о том, что у элитных спортсменов tHb на 37% выше, чем у нетренированных людей (33). Однако, изучение tHb во время тренировочного процесса показало, что этот показатель изменяется очень медленно, и а выраженный рост возможен только после нескольких лет тренировок (34). Например, за период 9-месячного тренировочного цикла tHb увеличивается лишь на 6%.

Показатели tHb у жителей высокогорья выше по сравнению с жителями равнин (35), но для повышения tHb необходимо находиться в условиях высокогорья в течение нескольких недель или даже месяцев, тогда как кратковременное пребывание на высоте не повысит tHb и tEV (36). В одной работе повышение tEV было зафиксировано только после 3-х недельного пребывания в условиях высокогорья (37).

Влияние тренировок на образование эритроцитов

Повышение tHb и tEV у спортсменов доказывает, что тренировки стимулируют эритропоэз. Дополнительным признаком этого служит повышение уровня ретикулоцитов (клетки-предшественники эритроцитов в процессе кроветворения, составляющие около 1% от всех циркулирующих в крови эритроцитов), развивающееся через 1-2 дня после тренировки (38). Несмотря на очевидный эффект тренировок, в ряде исследований было показано, что количество ретикулоцитов у спортсменов не сильно отличается от нетренированных людей, а уровень этих клеток достаточно стабилен в течение многих лет (39). Вариабельность количества ретикулоцитов у спортсменов в течение года связана, как правило с интенсивным тренировочным процессом. В начале сезона количество ретикулоцитов максимально, а на фоне тяжелых тренировок, соревнований, а также в конце сезона их уровень снижается (40).

На эритропоэз влияет ряд факторов, которые изменяются под влиянием тренировок. Содержание мужских половых гормонов, временно повышающийся после тренировки, воздействует на эритропоэз путем стимуляции выработки ЭПО (эритропоэтин, один из гормонов почек, который контролирует образование красных кровяных клеток), что повышает активность костного мозга, включение железа в эритроциты, и проявляется резким повышением количества эритроцитов (полицитемия) (41, 42). Интересно, что уровень тестостерона после тренировки или соревнования изменяется в зависимости от настроения (выиграл/проиграл), причем этот эффект более выражен у мужчин (43).

Есть мнение, что стрессовые гормоны (адреналин, кортизол) стимулируют высвобождение ретикулоцитов из костного мозга и усиливают эритропоэз (44). Кроме того, эритропоэз стимулируется гормоном роста и инсулиноподобными факторами роста (45), которые также повышаются во время тренировок (46).

Вязкость крови

Гематокрит не только влияет на количество кислорода, которое может переносить единица объема крови, но изменяет и вязкость крови. Чем выше уровень гематокрита, тем выше вязкость и сопротивление току крови, что повышает нагрузку на сердце и приводит нарушениям кровотока. Частично компенсировать повышение вязкости при высоких цифрах гематокрита может способность эритроцитов изменять свою форму, что позволяет им проходить даже в очень небольшие по диаметру сосуды (47). Хорошо известна, например, пулеобразная форма (bullet-like shape) эритроцитов.

Тренировки активно влияют на вязкость крови. Во время тренировки повышается вязкость крови (48), одной из основных причин этого является недостаточный прием жидкости (49), а также нарушение способности эритроцитов изменять свою форму (50, 51, 52). Повышение лактата во время тренировок в целом не влияет на деформацию эритроцитов (53), но есть данные о том, что у тренированных спортсменов лактат может улучшить способность эритроцитов к деформации (54).

Собранные вместе данные говорят о том, что повышение вязкости крови во время тренировки вызвано повышением вязкости плазмы и снижением пластичности эритроцитов, что ухудшает доставку кислорода к работающим мышцам. Тем не менее, тренировки могут способствовать снижению вязкости крови (55, 56, 57), поскольку вырабатываются «защитные механизмы»: повышение выработки юных эритроцитов, выделение оксида азота, который способствует поддержанию проходимости сосудов (58). Все это позволяет поддерживать нормальную функцию сердечно-сосудистой системы и обеспечивать мышцы достаточным количеством кислорода.

Резюме

Существует множество механизмов, способствующих поддержанию нормальной доставки кислорода к работающим мышцам. Повышенные запросы в кислороде во время физической нагрузки обеспечиваются увеличением сердечного выброса и кровотока в мышцах, перераспределением кровотока (когда кровоток преимущественно уходит к органам и тканям, бесперебойная работа которых важна в беге), а также путем оптимизации кровотока в микрососудах, где происходит отдача кислорода (59). Эритроциты поддерживают проходимость сосудов и нормальный кровоток за счет выработки оксида азота. Во время физической работы происходят изменения, способствующие более легкой отдаче кислорода тканям. Повышается васкуляризация мышц (количество сосудов в мышцах, по которым может протекать кровь и доставляться кислород), снижается вязкость крови. Тренировки повышают общую массу гемоглобина путем стимуляции эритропоэза (образования эритроцитов), что увеличивает количество кислорода, которое может переноситься кровью.

Список используемой литературы:

1) Ledingham, 1977; Carroll, 2007.
2) Berglund и Hemmingson, 1987.
3) Eaton et al., 1974; Hebbel et al., 1978.
4) Mairbäurl, 2012.
5) Stamler et al., 1997.
6) Gonzalez-Alonso et al., 2002.
7) Weber и Fago, 2004.
8) Laughlin et al., 2012.
9) Mairbäurl, 1994.
10) Böning et al., 1975; Braumann et al., 1982; Mairbäurl et al., 1983; Schmidt et al., 1988.
11) Mairbäurl et al., 1983.
12) Seamen et al., 1980; Rapoport, 1986; Haidas et al., 1971; Mairbäurl et al., 1990.
13) Mairbäurl и Weber, 2012; Berlin et al., 2002.
14) Böning et al., 1975; Braumann et al., 1982; Mairbäurl et al., 1983.
15) Mairbäurl et al., 1983; Dempsey и Wagner, 1999; Hopkins, 2006; Calbet et al., 2008.
16) Berglund и Hemmingson, 1987.
17) Sawka et al., 2000; Schmidt and Prommer, 2010.
18) Broun, 1922; Davies and Brewer, 1935; Ernst, 1987; Sawka et al., 2000.
19) El-Sayed et al., 2005; Böning et al., 2011.
20) Hu и Lin, 2012.
21) Costill et al., 1974.
22) Sawka et al., 2000.
23) Milledge et al., 1982; Hagberg et al., 1998; Sawka et al., 2000; Heinicke et al., 2001.
24) Sawka et al., 2000.
25) Thirup, 2003.
26) Broun, 1922; Kurz, 1948; Martin и Kilian, 1959.
27) Yoshimura et al., 1980; Miller et al., 1988; Telford et al., 2003; Dressendorfer et al., 1992.
28) Yoshimura et al., 1980; Hunding et al., 1981.
29) Sawka et al., 2000.
30) Kjellberg et al., 1949; Sawka et al., 2000.
31) Parisotto et al., 2000; Schmidt и Prommer, 2008.
32) Heinicke et al., 2001.
33) Kjellberg et al., 1949.
34) Sawka et al., 2000; Schmidt и Prommer, 2008.
35) Hurtado, 1964; Sanchez et al., 1970.
36) Reynafarje et al., 1959; Myhre et al., 1970.
37) Sawka et al., 2000.
38) Schmidt et al., 1988; Convertino, 1991.
39) Lombardi et al., 2013; Banfi et al., 2011; Diaz et al., 2011.
40) Banfi et al., 2011.
41) Shahidi, 1973; Shahani et al., 2009.
42) Hackney, 2001; Enea et al., 2009.
43) Shahani et al., 2009.
44) Dar et al., 2011; Hu and Lin, 2012.
45) Kurtz et al., 1988; Christ et al., 1997.
46) Hakkinen и Pakarinen, 1995; Schwarz et al., 1996.
47) El-Sayed et al., 2005.
48) El-Sayed et al., 2005.
49) Vandewalle et al., 1988; Geor et al., 1994; Yalcin et al., 2000.
50) Van der Brug et al., 1995; Bouix et al., 1998; Smith et al., 2013.
51) Neuhaus et al., 1992.
52) Gurcan et al., 1998.
53) Simmonds et al., 2013.
54) Connes et al., 2004.
55) Romain et al., 2011.
56) Kamada et al., 1993.
57) Mairbäurl et al., 1983; Linderkamp et al., 1993; Pichon et al., 2013; Zhao et al., 2013; Mohandas and Chasis, 1993.
58) Grau et al., 2013.
59) Laughlin et al., 2012.