Тренировка выносливости на языке спортивной физиологии. Часть 4: капилляры или митохондрии?

 

В этой статье я постараюсь ответить на вопрос, что первостепенно, тренировки, направленные на увеличение массы митохондрий или тренировки, направленные на образование новых капилляров. Я специально не использую термины биогенез, ангиогенез и др., а также несколько упрощаю некоторые моменты, чтобы эта статья стала доступна большему кругу читателей.

Для начала коротко об их функциях.

Капилляры - это мелкие сосуды, которые располагаются внутри мышц. По капиллярам в мышцы доставляется кровь. В крови содержится кислород. То есть функция капилляров - это транспорт кислорода к мышцам. Чем больше капилляров в мышцах, тем больше кислорода теоретически можно транспортировать.

Капиллярная сеть у обычного человека, не занимающегося спортом (слева), и у спортсмена (справа).

Митохондрии – это энергетические станции мышц. В этих станциях с участием кислорода окисляется глюкоза и жирные кислоты, обеспечивая мышцы энергией. То есть митохондрии работают только на кислороде. Чем больше митохондрий в мышце, тем больше энергетических станций будет одновременно работать, но и тем больше нужно будет кислорода, глюкозы и жирных кислот для обеспечения их работой. 

В пользу Митохондрий.

В 2004 году Хоппелер наглядно показал связь между массой митохондрий в мышцах и спортивным результатом.

Черные кружочки на графике это чемпионы Европы и Мира.

По оси Y – процентное содержание митохондрий в мышце, по иси Х – МПК спортсмена. Как мы видим спортсмены с МПК 50 мл/кг/мин имеют около 5% митохондрий в мышцах, а спортсмены с МПК 80 мл/кг/мин имеют 8-10% митохондрий. 

Отсюда мы можем сделать вывод, что нам достаточно изучить какие тренировки надо выполнять, чтобы повысить массу митохондрий и мы сможем максимально эффективно тренировать любого спортсмена. На самом деле есть десятки таких исследований и нам уже сегодня хорошо известно какие именно тренировки больше способствуют синтезу митохондрий. У меня даже есть готовый обзор по этой теме, могу выложить, если интересно.

В пользу капилляров.

Кровь с кислородом циркулирует по капиллярам, но каким образом кислород поступает в мышечное волокно? Митохондрии ведь находятся в мышечном волокне, а капилляры снаружи волокна.

Кислород попадает в митохондрии с помощью диффузии. Диффузия – это процесс движения молекул от места большей концентрации к месту меньшей концентрации. В мышечном волокне трудятся митохондрии используя кислород и образуя энергию, поэтому внутри волокна кислорода меньше, чем в капилляре. Таким образом создается градиент концентрации и кислород через мембрану поступает в мышечное волокно.

Кровь движется по капилляру. В крови мало углекислого газа и много кислорода. В мышечном волокне наоборот, много углекислого газа и мало кислорода. Что же произойдет дальше? Смотрим следующую картинку.

Кровь прошла по капилляру мимо мышечного волокна. С помощью диффузии кислород направился в мышечное волокно, а углекислый газ, продукт реакций окисления глюкозы и жирных кислот, был направлен в кровь. Далее эта кровь вернется к сердцу и оттуда направится в легкие, где мы выдохнем углекислый газ и вдохнем новый кислород. Собственно это то, чем вы и сейчас занимаетесь читая эти строки.

Потенциально, если увеличить количество капилляров, которые обеспечивают одно мышечное волокно, то мы увеличим и количество кислорода, которое доставляется в мышечное волокно. Вспомните стройные проработанные ноги профессиональных велосипедистов и марафонцев.

Ноги профессионального велогонщика (догадаетесь какого?)

С другой же стороны, если увеличить мышечную массу без изменения количества капилляров, то произойдет обратная ситуация. Станет меньше капилляров в расчете на мышечную массу.

Но сейчас нам важно, что внутри этого волокна находятся митохондрии, а снаружи капилляр. И мы пытаемся разобраться в вопросе, что первостепенно, митохондрии или капилляры. То есть, мы можем разработать программу на развитие митохондрий и у нас в мышцах станет больше митохондрий. Но способны ли будут в этом случае капилляры обеспечить новые митохондрии кислородом? Или наоборот, мы вырастим новый капилляр, увеличим ток кислорода в мышце, но будут ли способны митохондрии этот дополнительный кислород потребить? (На самом деле любая тренировка воздействует и на то и на другое, все что мы можем сделать это лишь сместить акценты в ту и другую сторону)

Есть исследование, которое попыталось ответить на этот вопрос - Richardson et al., 2001.

Так как ток кислорода в мышечное волокно зависит от диффузии, то нам важно создать наибольший градиент диффузии. То есть чем больше кислорода будет в капилляре и чем меньше будет кислорода в мышечном волокне, тем больше будет градиент диффузии.

Какое давление кислорода в капилляре и в мышечном волокне и как это давление изменяется в процессе нагрузки?

Давление в мышечном волокне в покое составляет 40 мм (ось Y), при нагрузке 50% от МПК (ось X) давление падает до 3 мм, и при нагрузке 100% от МПК давление остается 3 мм. То есть при любой нагрузке от 50 до 100% МПК давление внутри мышечного волокна остается минимальным.

Теперь посмотрим на давление в капилляре и на градиент давления между капилляром и мышечным волокном.

Давление кислорода в воздухе 149 мм, в альвеолах легких 120 мм, в артериях 115 мм и пока кислород дойдет до капилляра, давление упадет до 39 мм. То есть давление в капилляре составляет 39 мм.

Напомню, нас интересует градиент между капилляром и митохондрией. Градиент равен 39-3 = 36 мм.

Теперь предположим, что мы увеличим количество митохондрий в 2 раза. В этом случае давление кислорода в мышечном волокне может теоретически упасть с 3 мм до 1,5 мм. Но связь на самом деле не линейная. На графике выше Вы можете видеть, что при вдыхании воздухом с содержанием кислорода 12% (пунктирная линии), давление кислорода в мышечном волокне падает лишь до 2.3 мм. То есть от увеличения количества митохондрий в 2 раза давление в волокне упадет совсем незначительно и потребление кислорода мышечным волокном теоретически возрастет, но не намного.

А что будет, если построить новый капилляр?

Если мы построим новый капилляр, то у нас появится новый градиент давления, то есть мы увеличим доставку кислорода в 2 раза (в случае, если был 1 капилляр, а их стало 2).

Но вопрос будут ли в этом случае наши митохондрии справляться с работой и возрастет ли потребление кислорода в 2 раза?

Если верить Richardson et al., 1999, то да, будут!

Когда спортсмен ехал на велосипеде максимальное потребление кислорода четырехглавой мышцы бедра составляло 4 мл/мин/см3, а когда спортсмен выполнял разгибание одной ноги, максимальное потребление кислорода четырехглавой мышцы бедра стало 8,5 мл/мин/см3.

По видимому наши митохондрии способны потреблять больше кислорода, чем наш организм способен им его доставить. Но почему тогда у высококвалифицированных спортсменов в два раза больше митохондрий, чем у спортсменов любителей?

По всей видимости, у нас нет возможности сейчас ответить точно на этот вопрос, что главнее митохондрии или капилляры. Двух исследований с небольшой выборкой спортсменов недостаточно, чтобы что-то доказать.

Я же считаю, что важны и капилляры и митохондрии. И мы в тренировках должны думать и о тех и о других.

Напоследок, чтобы окончательно взорвать мозг.

При максимальной работе, в наших мышцах не все капилляры работают. То есть теоретически, даже, если построить больше капилляров, нам просто не будет хватать крови, чтобы эти капилляры работали. Или же капилляры будут работать, но мы просто потеряем сознание, потому как вся кровь уйдет в ноги и ничего не останется для снабжения мозга.

Важно все!

Нельзя рассматривать один элемент, забывая о другом. Но если выбирать что-то одно, я бы увеличил объем крови. Не зря переливание крови так активно ранее использовалось профессиональными спортсменами. (Хотя с другой стороны объем крови мы можем за 5 минут увеличить на 10 процентов, а как за 5 минут построить новые капилляры?)

К счастью, эти времена позади, как мы видим в наше время спортсмены использующие допинг теряют в скором времени свои награды и уходят из спорта, а мы научились строить тренировки таким образом, чтобы естественным путем увеличивать и объем крови и строить новые капилляры и увеличивать массу митохондрий и много чего другого.