Полезные материалы за все 6 курсов / Учебники, методички, pdf / Физиология_человека_Солодков_А_С_,_Сологуб_Е_Б_2018

витие спортсмена не отличалось от развития других лыжников гонщиков. Однако в составе его крови было почти наполовину больше, чем в норме, красных кровяных телец – эритроцитов. Вследствие генетической мутации процесс формирования эрит роцитов в данном случае был значительно усилен. Это повыша ло кислородную емкость крови и позволяло доставлять работа ющим мышцам и сердцу особенно большое количество кислорода, что и увеличивало спортивную работоспособность.

Важность высокого уровня кислородного насыщения крови и значительного индивидуального уровня максимального потреб ления кислорода для спорта высших достижений давно была показана физиологами спорта. Отдельных спортсменов или це лые команды заблаговременно до старта вывозили в горы, где тренировка в разреженном воздухе способствовала увеличению количества эритроцитов в крови и повышению уровня МПК. Ведь, как известно, у жителей высокогорных районов в результате адап тации к низкому содержанию кислорода в воздухе в течение тысячелетий эти показатели существенно превышают данные жителей низких плоскогорий.

Затем были предложены и осуществлены более дешевые спосо бы повышения количества эритроцитов и МПК у спортсменов: тренировка в помещениях с низким содержанием кислорода или дыхание в замкнутом пространстве (вдох производится из рези нового мешка, куда производится и выдох и где содержание кис лорода постепенно снижается.

С развитием генетики появились иные способы увеличения количества эритроцитов в крови человека. Выявление нужного для этих целей гена открыло новые методы воздействия на орга низм спортсменов.

Э п о г е н – это ген, который детерминирует выработку почка ми гормона эритропоэтина, стимулирующего процесс форми рования эритроцитов (эритропоэз) в костном мозге и других структурах. В 1997 г. в экспериментах эпоген ввели в клетки мы шей и обезьян. Процентное содержание эритроцитов в их крови увеличилось на 81%. Несмотря на такой потрясающий эффект, результаты эксперимента были неоднозначны. Животных в ряде случаев приходилось спасать от гибели, разжижая их кровь, ко торая стала настолько густой, что сердце не могло ее перекачи вать. Такие же последствия сопровождают и человека в случае генетической мутации, приводящей к избытку эритроцитов. Сле дует отметить, что Эро Мянтюранта умер в 42 (!) года.

410

Генетический допинг миофибриллярной гипертрофии

Недавно был выделен особый ген, который увеличивает ко личество и размеры мышечных клеток. Активность этого гена обеспечивает в молодом организме восстановление мышечных во локон после больших физических нагрузок и микротравм. С воз растом механизм воспроизводства мышечных белков нарушает ся. Мышечные волокна заменяются жиром и фиброзными волокнами. К 80 летнему возрасту человек теряет около полови ны мышечной массы по сравнению с 20 летним возрастом.

Мышечный ген – э т о г е н г о р м о н а и н с у л и н о п о д о б н о г о ф а к т о р а р о с т а . Данный гормон усиливает деление не дифференцированных сателлитных (стволовых) клеток, окружа ющих мышечные волокна. Часть этих клеток встраивается в мышечные клетки и дает ядра для последующего формирова

ния новых мышечных белков (актина и миозина) и дополни тельных миофибрилл. Таким образом увеличивается количество миофибрилл и объем мышечного волокна – происходит так на зываемая миофибриллярная гипертрофия.

Первоначально ген фактора роста мышечных волокон исполь зовали для лечения мышечной дистрофии. Вскоре выяснилось, что этот механизм действует у спортсменов при тренировке си ловой направленности. Сигналом для запуска всего процесса – от активации указанного гена, повышенного действия гормона инсулиноподобного фактора роста и до мышечной гипертрофии – является растяжение сухожилий и других структур при больших отягощениях, а также появление микротравм мышечных воло кон. Стволовые клетки, встраиваются в микротравмы и способ ствуют их заживлению, одновременно повышенный синтез мы шечных белков приводит к гипертрофии скелетных мышц.

При силовой тренировке происходит двукратное утолщение волокон типа IIа по сравнению с волокнами типа I, что повышает не только силу, но и скоростно силовые характеристики мышц.

Исследования на животных показали эффективность мышеч ного допинга. При его использовании сила мышц возрастала на 15–20%. Пожилые мыши при введении этого допинга имели силу и быстроту молодых.

Естественно, что результаты этих работ привлекли внимание тренеров и спортсменов. Особенно важной оказалась возможность локальных воздействий на отдельные мышцы. Можно увеличить силу наиболее значимых для избранного вида спорта мышечных групп или отдельных мышц – бицепсов у боксеров, икроножных

411

мышц у спринтера, мышц верхнего плечевого пояса у гимнастов и пловцов и т.п. Учитывалось также и то, что использование до пинга не отражается на характеристиках крови и мочи, т.е. его чрезвычайно трудно обнаружить. Он не выявляется даже при биопсии скелетных мышц.

Генетический допинг роста сосудов (сосудисто/эндотелиаль/ ный)

Среди недавно обнаруженных типов генетических групп был выделен г е н с о с у д и с т о э н д о т е л и а л ь н о г о р о с т а , детер минирующий формирование новых сосудов и увеличение их просвета. Его предназначали для лечения пожилых людей, стра дающих заболеваниями периферических сосудов. С возрастом часто наблюдается сужение просвета сосудов в результате отло жений на их внутренних стенках солей кальция, бляшек жира и холестерола (атеросклероз), а также сахаристых соединений. Возникающие при этом нарушения кровотока приводят к тяже лым заболеваниям конечностей. С обнаружением гена сосуди сто эндотелиального роста появилась надежда эффективной те рапии этих поражений.

Одновременно начались попытки вставки такого гена в клетки спортсменов. Подобный допинг, увеличивая просвет сосудов, обеспечивает значительно лучшие возможности достав ки всем тканям организма питательных веществ и кислорода, сни жает утомление спортсмена и повышает его работоспособность.

Генетический допинг считывания наследственной информа/ ции о белке/ускорителе для активации гена сверхбыстрых мы/ шечных волокон (транскрипционный фактор)

По современным представлениям, функциональные характе ристики мышечного волокна у взрослого человека определяются тремя типами сократительного белка миозина – медленным, про межуточным и быстрым. Мышечные волокна, которые содержат

вмиофибриллах миозин медленного типа, имеют в 10 раз мень шую скорость сокращения, чем волокна с миозином быстрого типа.

Вотличие от этого у крыс и ряда мелких млекопитающих

всоставе мышечных волокон обнаружены еще более быстрые во локна (super fast muscle fibers). Они обеспечивают особенно вы сокую скорость сокращения их скелетных мышц, необходимую для быстрого бегства от хищников. У человека в геноме, как

412

оказалось, имеются гены, ответственные за формирование таких сверхбыстрых волокон, но эти гены находятся в неак тивной форме. Это обстоятельство и привело к поиску возмож ностей активации данных генов.

В результате работ в этом направлении учеными был открыт особый протеин – так называемый велосифин, или ускоритель, который включает активность указанного гена. Этот белок был назван транскрипционным (считывающим) фактором и был применен в качестве допинга. Таким образом был разработан д о п и н г, использующий продукт одного гена (транскрипци

онный фактор, или велосифин) для активации другого гена (гена сверхбыстрого миозина).

Несколько уколов с велосифином в любую мышцу спортсме на активирует заторможенный ген особо быстрого миозина. Уже через несколько недель наблюдается огромный прирост объема мышцы и ее энергии, обеспечивая значительное увеличение силы и скорости сокращения мышцы спортсмена. Данный допинг про верялся на четырехглавой мышце бедра, ягодичной и других мышцах. Эти мышцы увеличивались в объеме и приобретали более выраженные скоростные свойства.

Тестировать наличие такого допинга чрезвычайно трудно, так как нет видимых побочных эффектов в организме. Необходимо провести биопсию стимулированной мышцы, т.е. довольно болез ненный укол в мышцу, и последующий анализ полученной из иглы мышечной частицы.

Генетический допинг сжигания жира (жиросжигающего белка)

Разработка этого допинга началась с иными целями – как борьба с ожирением. Ученые занялись выведением мышей, не страдающих ожирением. Для этого мышам был введен г е н ж и р о с ж и г а ю щ е г о п р о т е и н а . После такого укола мыши оста вались худыми, обезжиренными, даже при большом количестве жира в пище.

Побочным эффектом этого воздействия явилось увеличение

в скелетных мышцах подопытных животных количества мед ленных волокон. Мыши приобрели способность к бегу на длин ные дистанции («марафонская мышка»). Они пробегали в два раза большее расстояние, чем обычные контрольные мыши. Получен ные результаты позволили надеяться, что и этот допинг получит широкое распространение в спортивной практике среди спорт сменов стайеров.

413

Генетический допинг митохондриального гена

Еще одним перспективным направлением поиска новых до пингов является разработка изменения активности митохонд рий – энергетических станций клеток, имеющих собственный набор ДНК. В этом плане проведены исследования по выделе нию г е н а , увеличивающего количество и повышающего ак тивность митохондрий. Следствием такого изменения функций митохондрий является увеличение выработки энергии и повыше ние скорости и выносливости без нарастания мышечной массы.

Этот допинг имеет большие перспективы, так как обнаружить его практически невозможно. Для этого необходимо проводить сложный анализ на клеточном уровне.

Генетический допинг ограничения роста мышечной массы (противоростовой фактор)

В качестве допинга определенное значение имеет гормон мио статин. Его функция противоположна действию инсулинопо добного гормона роста. Го р м о н м и о с т а т и н ограничивает

рост мышечной массы.

Исследования проводились на бельгийской голубой породе быков. Их мышцы при введении миостатина не росли больше необходимых размеров и были почти лишены жира. Эти резуль таты были подтверждены в работе на мышах. У них, как и у быков, после введения в печень миостатина происходило развитие всех мышц тела, но в мышцах не было жировых прослоек.

В настоящее время ведется разработка лекарства, основанного на обратном эффекте – введение гена, уменьшающего активность миостатина. Это важно для лечения больных мышечной дистро фией. Имеются перспективы использования гормона миостатина или его гена в качестве допинга, способствующего росту обезжи ренной мышечной массы и не требующего при этом дополнитель ного питания спортсмена.

Генетический допинг механического фактора роста

В числе перспективных допингов следует отметить белок механического фактора роста. Этот продукт особого гена по добно гормону роста увеличивает мышечную массу, но также

он повышает способность мышц к реставрации поврежден ных участков.

Клонирование этого гена и введение его в организм в качестве допинга дает особенно выраженный эффект. Гормон механиче

414

ского фактора приводит к увеличению мышечной массы на 25% за три недели. Можно привести для сравнения действие стероид ных гормонов, которые в тех же дозах приводят к увеличению мышечной массы всего на 10% и за более длительный срок – за 10 недель.

Ген тестостерона – допинг

Еще одна перспективная разработка генетиков связана с при менением в качестве допинга гена, детерминирующего выра

ботку тестостерона. Такой допинг является аналогом анаболических стероидов. Однако в отличие от последних (ис кусственных факторов) он является естественным продуктом. Это обстоятельство обеспечивает его преимущество для нелегально го использования, так как его трудно обнаружить в организме.

16.4. ОБНАРУЖЕНИЕ ДОПИНГОВ

Искусственное происхождение изменений в организме, выз ванное вставкой генетического допинга, намного труднее обна ружить, чем прием стероидов или инсулина. Проблема гене тических допингов встала перед МОК в 2000 г. Однако их использование уже получило широчайший размах. Предрекают, что к Олимпиаде 2012 года все спортсмены будут генетически модифицированы. Об этом позаботятся фармакологические компании.

Возможность выявления допинга, зависит от его особеннос тей и способа введения в организм. При введении подобных ве ществ в печень (например, для подавления миостатина) их легче выявить, так как до мышцы они доходят через кровь, где и могут быть обнаружены. Более трудно выявить наличие допингов, вво димых непосредственно в мышцу. В этом случае требуется био псия именно той мышцы, в которую был сделан укол. Да и само определение – это болезненная процедура, и ее осуществление в период соревнований, изменяя состояние мышцы, может по влиять на спортивный результат.

Легче выявить использование такого допинга, как эпоген, хотя и это поначалу казалось безнадежным делом. Пытались решить эту проблему, сравнивая исходные данные анализа крови, взятой у спортсмена задолго до соревнований и в период соревнований. В 2000 г. на Олимпиаде в Сиднее появилась возможность обна ружения эпоген допинга в результате совместного анализа крови

415

и мочи спортсмена. При этом возникли новые проблемы – подме ны пробирок для анализа, надежности хранения банка исходной крови для каждого элитного спортсмена и др.

Преодоление этих проблем и усовершенствование способов определения генетического допинга типа натурального протеина было достигнуто в результате опытов французских ученых на обе зьянах в 2004 г. Было предложено сравнивать данные анализа эпогена, взятого из крови и из определенной мышцы. Результа тивность такого контроля базируется на некоторых различиях по лученных форм эпогена. Введенный в качестве допинга эпоген мышцы имеет тот же аминокислотный состав, что и имеющийся в организме, и взятый из крови. Иммунная система не отвергает его как чужеродное тело. Но выяснилось, что искусственный эпоген отличается по пространственной структуре белка от естественного, что и позволило тестировать допинг. Особенностей же простран ственной организации белковой молекулы иммунная система чело века не распознает, поэтому чужеродный эпоген и не отвергает.

Казалось, что проблема выявления эпоген допинга таким спо собом решена. Однако последующие наблюдения показали, что эта проблема более сложная. Не у всех спортсменов обнаружива ются пространственные различия структуры эпогена, а у некото рых эти различия могут вызывать патологические реакции им мунной системы вплоть до гибели организма.

Дополнительную возможность обнаружения допинга дает то обстоятельство, что некоторые клетки организма тоже могут вырабатывать эритропоэтин. В условиях введения допинга они начинают усиленно его продуцировать. Однако их эритропоэтин несколько отличается от обычной формы и может использовать ся как сигнал о наличии допинга.

Другим способом обнаружения допинга является выявление особых частиц ДНК – опознающего участка (или промотора) данного гена, а также выявление остатков белка вируса, которые использовались для введения гена в клетку. Эти способы связаны с процедурой биопсии скелетных мышц, т.е. болезненным и небе зопасным вмешательством в мышцу. К тому же успех данной операции минимальный, так как один и тот же промотор может быть связан с различными генами.

Наконец, свидетельством нелегальных подходов к стартам может быть неожиданный рост спортивных результатов и резкие отличия ряда параметров организма спортсмена от норм для людей данной популяции.

416

16.5. РИСК ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ

Организм человека представляет собой чрезвычайно сложное объединение различных органов и тканей, с многоуровневыми восходящими и нисходящими регулирующими влияниями. Отлаженные внутрисистемные и межсистемные взаимосвязи обес печивают поддержание постоянства параметров внутренней сре ды (гомеостаза) и тонкое взаимодействие организма с окружаю щей средой. Существующая в организме система обратных связей является основой саморегуляции необходимых параметров жиз недеятельности.

Всякое постороннее вмешательство, особенно в генетиче ский аппарат организма, чревато тяжелыми последствия ми. Вставка нового гена, повышение активности работаю щего гена, изменение количества его продукта или активация заторможенного гена в геноме человека приводят к разба лансированию ряда связанных с этим вмешательством функ ций, поломке механизмов саморегуляции. При этом возни кают тяжелые патологические изменения в отдельных органах и системах, приводящие в своем развитии к гибели организма.

Понятно стремление спортсменов к выдающимся результатам, достижению победы и получению наград. Однако использование ради этого нелегальных путей с приемом допингов приводит за частую к пагубным последствиям для организма самого спорт смена (не говоря уже о других последствиях – дисквалификации спортсмена, снятии целых команд с престижных соревнований, затратах на восстановление здоровья и т.п.).

Значительную опасность для здоровья представляет исполь зование в качестве допинга эпогена. В обычных условиях эрит ропоэтины содержатся в крови в небольшом количестве, под держивая нормальный уровень эритроцитов. Если процентное содержание эритроцитов в крови падает, то выработка гормона эритропоэтина увеличивается и восстанавливает необходимое их количество. После достижения нормального содержания эритро цитов в крови, выработка эритропоэтинов снижается. Но в ре зультате усиленного использования эпогена спортсменами меха низмы саморегуляции в организме нарушаются. Это может приводить к тяжелым последствиям. В результате неадекватного увеличения количества эритропоэтина и содержания эритроци тов не только повышается кислородная емкость крови, но одно

417

временно увеличивается и ее вязкость, что тягостно отражается на сердце. Кровь становится желатинообразной массой, в крови появляются сгустки, кровоток нарушается. Возникает шанс ин фаркта и инсульта. Для уменьшения вязкости крови используют некоторые лекарственные средства, разжижающие кровь. Факто ры риска сохраняются и в этом случае, так как эти лекарства не обходимо применять в больших количествах.

В экспериментах на обезьянах исследователи пытались умень шить негативный эффект регулярными заборами крови, чтобы вызвать ее разжижение. Тем не менее многие обезьяны погибали. В этих экспериментах у ряда обезьян неожиданно обнаруживал ся обратный эффект. Концентрация эритропоэтина непонятным образом вдруг уменьшалась, и возникало падение количества эритроцитов и гемоглобина – так называемая анемия. В этом случае обезьяны также погибали, но по другой причине – от недостатка кислорода в крови. Такие изменения были результа том нарушения иммунной системы, вызванного у этих животных введением допинга, что приводило к уничтожению собственного эритропоэтина и выраженному уменьшению содержания эритро цитов в крови.

Возможность возврата к нормальному содержанию эритропо этина весьма проблематична. У велосипедистов, участников гон ки Тур де Франс, через несколько недель после введения с уко лом эритропоэтина состояние крови возвращалось к норме. После же введения эпогена повышенная по сравнению с нормой кон центрация эритроцитов в крови сохранялась и даже увеличива лась. Кровь становилась все более вязкой, вплоть до гибели орга низма.

Серьезные факторы риска имеются в случае использования генетического допинга для наращивания мышечной массы и по вышения силы отдельных мышц. Диспропорциональное измене ние отдельных мышц или мышечных групп влияет на окружаю щие их ткани, связанные с ними сухожилия и кости, которые не подвергались допинговому воздействию и не адаптированы к подобным изменениям. Посторонние влияния на механизмы роста приводят к возникновению системных нарушений – меж мышечных и межсистемных взаимосвязей. У элитных спортсме нов при максимальных нагрузках возможны разрушения окру жающих тканей, разрывы связок и переломы костей.

До сих пор неизвестны многие побочные эффекты вмешатель ства в генетический аппарат человека и отдаленные его послед

418

ствия. Не исследованы возможности возникновения роста рако вых клеток, нарушения проницаемости клеточных мембран, изме нений потенциалов покоя и потенциалов действия, передачи ин формации в нервной системе, процессов фильтрации в почках и пр.

Особенно тяжело введение генетического допинга может от разиться на последующем поколении. Не только сам спортсмен становится мутантом, но у него имеется риск получить детей мутантов.

Наиболее опасными являются неизвестные риски, к которым еще не выработаны противодействия. Так, например, в 1999 г. 18 летний спортсмен умер после генетического вмешательства от изменений во многих органах, механизм которых так и остался неизвестным. Спортсмены, применяющие генетический допинг, рискуют не победить, а умереть. Многие из них не имеют доста точной информации об этих последствиях, зато велик соблазн нелегального способа добыть победу и получить финансовое воз награждение. Проведенный в 1995 г. опрос олимпийских чемпи онов показал, что более половины из них готовы использовать генетический допинг, чтобы на протяжении пяти лет одерживать победы, даже при условии последующей после этого смерти.

Все указанные обстоятельства вызвали глубокую озабочен ность МОК. В конце 1990 х годов МОК решил организовать систематический контроль их применения. В 1999 г. было созда но Антидопинговое Агентство, куда начали поступать сообщения о негативных последствиях приема генетических допингов. Со здание такой организации крайне необходимо, так как современ ные технологии внедрения генетических допингов в клетки орга низма хорошо разработаны, широко известны и доступны даже студентам, специализирующимся в молекулярной биологии. Не исключено использование этих средств уже в ближайшее время

всамых широких масштабах. Доступность и заманчивость подоб ных допингов особенно привлекает тренеров и спортсменов

всовременных условиях спортивной борьбы, когда успех опреде ляется долями секунд и сантиметрами.

МОК в последние годы приглашает к сотрудничеству генети ков для обсуждения проблемы генетических допингов. В круг проблем, курируемых Международным Антидопинговым Агент ством, входит исследование всех форм допингов, включая гене тические формы.

Гениальные достижения науки в области генетики привели к побочным эффектам употребления нелегальных средств повы

419