Обмен энергетических веществ при физической нагрузке у здорового человека
Утилизация глюкозы. В состоянии покоя мышцы удовлетворяют практически все свои энергетические потребности за счет окисления жирных кислот. На долю поглощаемой глюкозы приходится менее 10% от общего потребления кислорода покоящейся мышцей. В отличие от этого при работе главными источниками энергии для сокращающейся мышцы служат гликоген мышц и глюкоза крови. На ранней стадии физической нагрузки основным используем мым «топливом» является мышечный гликоген. Скорость гликогенолиза в мышцах наиболее высока в первые 5—10 мин работы. По мере продолжения работы и увеличения кровотока в мышцах все более важными источниками энергии становятся субстраты, содержащиеся в крови. При работе, продолжающейся в течение 10— 40 мин, поглощение глюкозы мышцей усиливается в 7—40 раз пропорционально интенсивности выполняемой работы. Утилизация глюкозы увеличивается в такой степени, что на долю ее окисления тратится 30—40% кислорода, поглощаемого мышцей. Таким образом, зависимость мышцы от глюкозы крови становится сравнимой с зависимостью от жирных кислот, составляющих еще 40% окисляемых субстратов.
При работе, продолжающейся в течение более 40 мин, скорость утилизации глюкозы прогрессивно нарастает, достигая максимума на 90—180-й минуте, а затем слегка уменьшается. В отличие от вторичного снижения поглощения глюкозы утилизация жирных кислот по мере увеличения длительности работы все более усиливается. Между 1 и 4-м часом работы поглощение свободных жирных кислот мышцей повышается на 70%. Вследствие этого при непрерывной работе в течение 4 ч относительное значение жирных кислот в общем потреблении кислорода оказывается вдвое большим, чем значение углеводов. Это усиление поглощения свободных жирных кислот прямо пропорционально их доставке, т. е. произведению концентрации в артериальной крови и плазмотока.
Таким образом, общую утилизацию энергетических субстратов при легкой или умеренной работе в течение длительного времени можно охарактеризовать как трехфазный процесс, при котором преимущественную роль в качестве главных энергетических субстратов играют последовательно мышечный гликоген, глюкоза крови и свободные жирные кислоты (см. рис. 10—26). При тяжелой физической нагрузке существует более постоянная зависимость от мышечного гликогена. На это указывают результаты наблюдений, согласно которым изнеможение совпадает с истощением мышечного гликогена, но не сопровождается значительными изменениями других физиологических параметров, например частота сердцебиений, артериальное давление, уровень глюкозы в крови и концентрация лактата или электролитов в мышце. Неясно, однако, почему истощение запасов гликогена должно определять появление крайней усталости, если сохраняется доступность большого количества субстратов, содержащихся в крови в виде свободных жирных кислот.
Продукция глюкозы. Несмотря на резкое увеличение потребления глюкозы мышцами, концентрация ее в крови при легкой или умеренной кратковременной работе изменяется незначительно. Более того, при тяжелой физической нагрузке может наблюдаться прирост уровня глюкозы в крови на 200—300 мг/л. Даже если работа продолжается в течение 90 мин или более, снижение уровня глюкозы не превышает 200—400 мг/л. Выраженная гипогликемия (уровень глюкозы в плазме менее 500 мг/л) наблюдается редко и развивается лишь у бегунов-марафонцев, у лиц, потребляющих низкоуглеводную диету, или, как описано далее, у некоторых больных диабетом, получающих инсулин.
Учитывая характерное для работы увеличение утилизации глюкозы, постоянное пополнение пула глюкозы крови может определяться только посредством увеличения продукции сахара. При кратковременной работе выход глюкозы из печени увеличивается в 2—5 раз в зависимости от тяжести нагрузки и приходит в соответствие с увеличением утилизации глюкозы мышечной тканью. Это увеличение продукции глюкозы почти целиком обусловлено ускорением гликогенолиза, поскольку поглощение предшественников глюконеогенеза сохраняется на уровне, наблюдаемом в состоянии покоя за исключением транзиторного повышения поглощения лактата. За 40 мин тяжелой работы печень высвобождает всего 18 г глюкозы, что составляет не более 20—25% от общего запаса гликогена в печени после еды.
Если работа продолжается более 40 мин, наблюдается незначительное нарушение равновесия между печеночной продукцией и периферической утилизацией глюкозы и появляются признаки усиления глюконеогенеза. При длительной нетяжелой работе высвобождение глюкозы в первые 40 мин увеличивается в 2 раза, а затем в течение 3—4 ч остается постоянным. Поскольку утилизация глюкозы продолжает увеличиваться в течение 90 мин или более, продукция глюкозы перестает соответствовать ее утилизации и наблюдается умеренное уменьшение концентрации глюкозы в крови. Относительная роль глюконеогенеза в общей печеночной продукции глюкозы (судя по балансу субстратов на входе и выходе сосудистого ложа органов брюшной полости) увеличивается с 25% в исходном состоянии до 45% при длительной работе, что отражает увеличение абсолютной скорости глюконеогенеза в 3 раза. Усиление поглощения печенью предшественников глюкозы в основном обусловлено повышением фракционной экстракции. В отношении аланина — главного предшественника глюконеогенеза — фракционная экстракция органами брюшной полости увеличивается с 35—50% в состоянии покоя почти до 90% при длительной работе, причем этот показатель намного превышает 50—70% показатель экстракции, наблюдаемый в других обстоятельствах, когда ускоряется глюконеогенез, например при диабете, ожирении и голодании. Общее значение глюконеогенеза при длительной работе подчеркивется расчетами, согласно которым за 4 ч работы мобилизуется 50—60 г печеночного гликогена, т. е. 75% всех запасов гликогена в печени.
Глюкорегуляторные гормоны. Гормональная реакция на физическую нагрузку характеризуется снижением уровня инсулина и повышением уровня глюкагона в плазме. Эти изменения особенно выражены при длительной или тяжелой работе. При тяжелой физической нагрузке снижение уровня инсулина проявляется тем более отчетливо, что оно развивается в этих условиях на фоне умеренного повышения уровня глюкозы. Эти данные свидетель- ствуют о торможении секреции инсулина, опосредованном, вероятно, симпатической нервной системой и/или циркулирующими катехоламинами. Другие гормональные изменения, возникающие при работе, включают повышение уровня гормона роста, кортизола, адреналина и. норадреналина.
Стимулирующее действие физической нагрузки на поглощение глюкозы в условиях гипоинсулинемии свидетельствует о том, что такое увеличение потребления глюкозы не зависит от усиления секреции инсулина. С другой стороны, существуют данные, согласно которым инсулин может оказывать пермиссивное действие на вызываемое работой поглощение глюкозы и что чувствительность к инсулину при работе повышается. Исследования in vitro свидетельствуют о том, что при полном отсутствии инсулина сокращение мышцы не увеличивает поглощения ею глюкозы. Однако пермиссивное действие инсулина показано при концентрациях его 0,2—1,2 мкЕД/мл, что намного ниже того уровня инсулина в крови, который наблюдается при физической нагрузке. Позднее проведенные исследования показали, что у человека острая физическая нагрузка увеличивает связывание инсулина с рецепторами на моноцитах [220]. Если удается показать, что аналогичные изменения возникают и в мышечных клетках, то повышенное поглощение глюкозы при работе можно будет объяснить отчасти увеличением связывания инсулина с рецепторами.
Изменения гормональной среды при острой физической нагрузке имеют большее физическое значение для стимуляции продукции глюкозы печенью, чем для повышения утилизации сахара. У человека обнаружена чрезвычайно высокая чувствительность гликогенолиза в печени к ингибиторному действию небольших приростов уровня инсулина. Таким образом, значение гипоинсулинемии при работе определяется тем, что она повышает гликогенолиз в печени. При длительной или тяжелой работе в ускорении гликогенолиза и глюконеогенеза может принимать участие прирост уровня глюкагона, а также гормона роста и катехоламинов.