Особенности энергообмена мышц у мышей с различными типологическими особенностями в условиях антиортостатического стресса

Во время выполнения кратковременных интенсивных физических нагрузок в качестве основных источников энергии используются КрФ, гликоген и глюкоза скелетных мышц. В этих условиях главным фактором, лимитирующим образование АТФ, можно считать отсутствие необходимого количества кислорода. Интенсивный гликолиз приводит к накоплению в скелетных мышцах больших количеств молочной кислоты, которая постепенно диффундирует в кровь и переносится в печень. Высокие концентрации молочной кислоты становятся важным фактором регуляторного механизма, ингибирующего обмен свободных жирных кислот во время физических нагрузок длительностью 30—40 с [34].

По мере увеличения длительности физических нагрузок происходит постепенное снижение концентрации инсулина в крови. Этот гормон активно участвует в регуляции жирового обмена и при высоких концентрациях тормозит активность липаз. Снижение концентрации инсулина во время длительных физических нагрузок приводит к повышению активности инсулин зависимых ферментных систем, что проявляется в усилении процесса липолиза и увеличении освобождения жирных кислот из депо [12].

Важность этого регуляторного механизма становится очевидной, когда спортсмены допускают наиболее распространенную ошибку. Нередко, стараясь обеспечить организм легкоусвояемыми источниками энергии, за час до начала соревнований или тренировок они принимают богатую углеводами пищу или концентрированный, содержащий глюкозу, напиток. Такое насыщение организма легкоусвояемыми углеводами приводит через 15—20 минут к повышению уровня глюкозы в крови, а это, в свою очередь, вызывает усиленное выделение инсулина клетками поджелудочной железы. Повышение концентрации этого гормона в крови приводит к усилению потребления глюкозы в качестве источника энергии для мышечной деятельности. В конечном счете, вместо энергетически более выгодных жирных кислот в организме расходуются углеводы. Так, прием глюкозы за час до старта может существенно повлиять на спортивную работоспособность и снизить выносливость к длительной нагрузке [27,43].                                           

Активное участие свободных жирных кислот в энергетическом обеспечении мышечной деятельности позволяет более экономно выполнять длительные физические на грузки. Усиление процесса липолиза во время физических нагрузок приводит к освобождению жирных кислот из жировых депо в кровь, и они могут быть доставлены в скелетные мышцы или использованы для образования липопротеинов крови. В скелетных мышцах свободные жирные кислоты проникают в митохондрии, где подвергаются последовательному окислению, сопряженному с фосфорилированием и синтезом АТФ [35].                                     

Каждый из перечисленных биоэнергетических компонентов физической работоспособности характеризуется критериями мощности, емкости и эффективности [26].

 

 

 

 

 

3. Опорно-двигательный аппарат экспериментальных животных в условиях реальной и моделированной невесомости.

 

К специфическим изменениям, обусловленным воздействием длительной невесомости, следует отнести в первую очередь изменения в опорно-двигательном аппарате. Так, изменения в мышечной системе крыс под влиянием невесомости длительностью до 22 суток проявились в атрофии мышц, уменьшении их силы и эластичности, увеличении скорости сокращения, разрастании соединительной ткани, распаде сократительных белков и других изменениях обменных процессов и тонкой структуры мышечных волокон. Исследования показали, что перечисленные изменения выражены тем значительнее, чем больше в той или иной мышце представлено так называемых медленных мышечных волокон, приспособленных по характеру своих обменных процессов к развитию и поддержанию длительных напряжений. Такими мышцами, в которых изменения оказались наибольшими, явились мышцы — разгибатели конечностей, выполняющие на Земле антигравитационную функцию, т. е. противодействующие силе тяжести и удерживающие вес тела [4].

К первым из них следует отнести признаки умеренно выраженного повышения функциональной активности ряда эндокринных органов (гипотоламус, гипофиз, кора надпочечников), участвующих в адаптации организма к необычным факторам среды обитания, и связанные с этим изменения в селезенке, вилочковой железе и в системе кроветворения. Эти изменения свидетельствуют в пользу того, что адаптация организма к условиям длительной невесомости подчиняется общебиологическим закономерностям, установленным применительно к воздействию необычных раздражителей внешней среды, т.е. сопровождается развитием в организме комплекса неспецифических реакций, объединяемых в понятие общий адаптационный синдром, или стресс. Стресс, обусловленный воздействием невесомости, носил умеренно выраженный характер и был обратимым.

Изменения в опорно-двигательном аппарате животных носили обратимый характер и на 25-е сутки послеполетного периода не выявлялись[10].

В костях конечностей крыс были обнаружены разрежение, декальцинация, замедление скорости роста в длину и снижение механической прочности до 30%.

Следует отметить, что некоторые изменения в опорно-двигательном аппарате животных, возникшие под влиянием невесомости, сходны с эффектами, выявленными в модельных экспериментах с гипокинезией. Общность некоторых реакций определяется, очевидно, наличием в генезе данной группы воздействий общего компонента - функциональной недогрузки опорно-двигательного аппарата. В качестве одной из главных причин изменений, возникающих в опорно-двигательном аппарате животных, находящихся в условиях невесомости, можно рассматривать изменение характера деятельности отдельных мышц при отсутствии статической нагрузки на большую группу мышц и звеньев скелета, обеспечивающих сохранение позы и участвующих в формировании тонического компонента движений в земных условиях. Последнее, по всей вероятности, сопровождается изменением характера и качества проприоцептивной импульсации, являющейся в нормальных условиях обязательным звеном в системе управления движением и нервного контроля структуры и функции мышц [30].

 

 

 

 

 

 

3.1 Наблюдаемые изменения в мышцах и костях в условиях невесомости

 

Наиболее существенными сдвигами, развившимися под влиянием невесомости, были атрофические изменения в мышечной ткани, остеопороз и замедление роста костей, снижение активности эритроидного кроветворения, изменение метаболизма липидов, воды и электролитов, коллагена.

Принципиально, однако, что при обследовании животных через 25 - 26 суток после трехнедельного космического полета различия между опытом и контролем полностью нивелировались. Это позволило сделать заключение, что невесомость не вызвала необратимых патологических изменений ни в одном из органов подопытных животных [11].

Изменения в скелетных мышцах, отмеченные при обследовании животных после экспериментов на биоспутниках, включали атрофию, перестройку мышечных волокон и молекулярного состава сократительных белков, адекватную условиям космического полета. При этом выраженность изменений достаточно четко коррелировала со степенью участия мышц в осуществлении антигравитационной функции на Земле, наибольшие изменения обнаружены в камбаловидной мышце [30].

В костной ткани, как и в ткани скелетных мышц, наибольшие изменения под влиянием невесомости возникали в тех звеньях системы, которые несут максимальную нагрузку в условиях земной гравитации - в бедренных костях. Обнаружены остеопороз губчатых отделов, умеренное истончение и разрежение кортикальной пластинки, значительное разрежение спонгиозы метафизов, уменьшение периостального костеобразования, замедление созревания остеоида и минерализации костной ткани, замедление роста костей в длину, снижение их механической прочности. Обнаружено снижение механической прочности не только костей периферического скелета, но и отдельных позвонков и позвоночного столба в целом [31].

2. Моделирование физиологических эффектов невесомости в опытах с животными

 

Моделирование является неотъемлемой частью физиологических исследований в космосе. Едва ли не самую важную задачу при этом составляет как можно более полное воспроизведение эффектов невесомости, что позволяет практически проверить те или иные теоретические представления. Кроме того, лабораторное моделирование необходимо для проведения манипуляций с животными в процессе эксперимента (введение препаратов, операций и т.п.), которые недостижимы в полетах биоспутников.

Для имитации эффектов невесомости в опорно-двигательном аппарате животных используют иммобилизацию, или ограничение подвижности весовую разгрузку конечностей заднего пояса путем “вывешивания” животных, частичное лишение опоры конечности путем экзартикуляции или ампутации ее дистального звена, а так же создание хирургическим путем паралича задней половины тела либо отдельной конечности [28].

Существенными характеристиками модели являются границы ее применимости, выбор видов используемых животных, предельная продолжительность экспериментов, выраженность неспецифических, в том числе стрессорных, эффектов при различной продолжительности экспериментов, возможность изучения восстановительных процессов в реадаптационный период, а так же изучения эффективности тех или иных потенциальных профилактических средств. Исследования в модельных экспериментах с животными проводятся с целью изучения основных физиологических механизмов развивающихся изменений, определения их направленности и наиболее вероятной динамики.

Одним из важнейших критериев адекватности той или иной модели и способов определения границ ее применимости является сопоставление результатов, полученных в условиях космического полета и в наземных модельных экспериментах.

По данным сравнительного морфологического исследования коры надпочечников, тимуса и селезенки крыс, находившихся 7 суток в клетках-пеналах в условиях “вывешивания” в антиорстатическом положении.    Ученые показали, что “вывешивание” оказывает значительно меньшее стрессорное воздействие и имеет в этом несомненное преимущество, поскольку исследуемые эффекты проявляются в более чистом виде [11].

В настоящее время используют модификации модели “вывешивания”, различающиеся по применяемому способу фиксации животного: в специальных капроновых “жилетах”, “вывешивание” с фиксацией за спину и за хвост, что оказывает различное воздействие на общее состояние животного и переносимость эксперимента.

На основе анализа большого числа биохимических исследований ученые  пришли к заключению о существенном сходстве реакций животных в полете и в модели “вывешивания” в том числе системных экспериментов[31].

 

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

 

1. Характеристика испытуемых и условия проведения исследования

 

Исследования проводились на 42 белых лабораторных мышах-самцах на базе лаборатории биохимии РНЦ «ВТО» им. акад. Илизарова. Случайно выбранные особи были помещены в незнакомые условия. Через некоторое время в группе начинали складываться иерархические взаимоотношения. В группу «агрессивных» попали самцы, которые занимали доминирующее положение. Животные, не проявляющие во взаимоотношениях выраженной агрессии, были объединены в группу « неагрессивных».

Далее мыши были поделены на подгруппы:  1-я подгруппа состояла из 22 двух интакных особей из «неагрессивных» мышей; 2-я подгруппа – из 8 интактных животных из группы «агрессивных»; 3-я подгруппа – из 6 «неагрессивных» особей; 4-я подгруппа состояла из 6 «агрессивных» животных.

 Все мыши были протестированы по общепринятым методикам определения типологических особенностей (открытое поле, перегородка, натянутая струна, тест Порсольта). 3-я и 4-я подгруппы (по 6  особей) были подвергнуты антиортостатической нагрузке в течение 7 суток. Антиортостатическая нагрузка проводилась с помощью хирургического зажима, фиксировался участок кожи на спине у основания хвоста. Инструмент закрепляли т.о., чтобы угол между дорсальной осью тела и дном аквариума составлял 45°. Мыши во время эксперимента имели доступ к воде и корму. После получения соответствующих нагрузок мыши (3 и 4 подгруппы) проходили повторное тестирование на типологические особенности. Двигательную активность оценивали до и после антиортостатической нагрузки с помощью теста Порсольта. А затем все мыши были подвергнуты эвтаназии. Для дальнейших исследований были взяты образцы печени и мышц (для определения энергетических субстратов).    

Определение гликогена проводилось с помощью антронового реактива. Определение креатинфосфата основано на определении его фосфора.

Определение креатина основано на способности креатинина, образующегося из креатина, реагировать с пикриновой кислотой с образованием окрашенного пикрина креатинина, количество которого определяется колориметрированием.

Определение общей фракции липидов производилось по реакции Фолча.

Математическая обработка результатов включала в себя вычисление медианы, 25% и 75% процентилей. Достоверность отличий в группах оценивали с помощью парного критерия Вилкоксона и критерия Вилкоксона для несвязанных выборок. Необходимость выбора методов непараметрической статистики была обусловлена малым количеством наблюдений в группах, а также тем, что распределение показателей в группах отличалось от нормального. Все статистические расчеты были выполнены в программе Microsoft Excel.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Поведенческие тесты

2.1. Тест «открытое поле»

 

Для  изучения поведенческих реакций применяют тест «открытое поле». Поведение животных наблюдали в открытом поле размером 30х100 см., расчерченном на квадраты 10х10 см. Поле было освещено светом (40Вт) на расстоянии 1 метр от пола. Животных помещали в центр поля и фиксировали число пересеченных квадратов, число грумингов, число вставаний на задние лапы, а так же число дефекаций за 5 минут теста. После каждого животного поверхность открытого поля промывали водой и высушивали чистыми салфетками. Известно, что количество пересеченных квадратов  число перемещений вдоль клетки, число вставаний на задние лапы – показатели, характеризующие выраженность поискового рефлексов.

2.2. Тест «Порсольта»