Биохимический контроль в спорте

Лекция № 8 Биохимический контроль в спорте План лекции 1. Основные задачи биохимического контроля. 2. Методы биохимического контроля. 3. Общая направленность биохимических сдвигов в организме после выполнения стандартных и максимальных нагрузок в зависимости уровня тренированности. 4. Объекты биохимического контроля. Использованная литература: 1. Биохимия: учебник / Под ред. В.В. Меньшикова и Н.И. Волкова. М.: ФиС, 1986. – 384 с. 2. Биохимия мышечной деятельности: учебник ⁄ Н.И. Волков, Э.Н. Несен, А.А. Осипенко, С.Н. Корсун.- Киев: Олимпийская литература, 2000. – С. 3. Михайлов С.С. Спортивная биохимия: учебник - М.: Советский спорт, 2006, 2007. –260 с. Биохимические исследования в спортивной практике проводятся либо самостоятельно, либо входят в комплексный медико-биологический контроль подготовки спортсменов высокой квалификации. Основные задачи биохимического контроля. * Оценка уровня общей и специальной тренированности спортсмена (необходимо отметить, что биохимические исследования более эффективны для характеристики общей тренированности, т.е. физической подготовки спортсмена. Специальная тренированность в значительной мере зависит от технической, тактической и психологической подготовки спортсмена). * Оценка соответствия применяемых тренировочных нагрузок функциональному состоянию спортсмена, выявление перетренированности. * Контроль за протеканием восстановления после тренировки. * Оценка эффективности новых методов и средств развития скоростно-силовых качеств, повышения выносливости, ускорения восстановления и т.п. * Оценка состояния здоровья спортсмена, обнаружение начальных симптомов заболеваний. Методы биохимического контроля. Особенностью проведения биохимических исследований в спорте является их сочетание с физической нагрузкой. Это обусловлено тем, что в состоянии покоя биохимические параметры тренированного спортсмена находятся в пределах нормы и не отличаются от аналогичных показателей здорового человека. Однако характер и выраженность возникающих под влиянием 1 физической нагрузки биохимических сдвигов существенно зависят от уровня тренированности и функционального состояния спортсмена. Поэтому при проведении биохимических исследований в спорте пробы для анализа (например, кровь или мочи) берут до тестирующей физической нагрузки, во время её выполнения, после её завершения и в разные сроки восстановления. Физические нагрузки, используемые для тестирования, можно разделить на два типа: стандартные и максимальные. Стандартные физические нагрузки являются строго дозированными. Их параметры определены заранее. При проведении биохимического контроля в группе спортсменов (например, игроков одной команды, членов одной спортивной секции и т.п.) эти нагрузки должны быть доступными для всех испытуемых и хорошо воспроизводимыми. В качестве таких нагрузок могут быть Гарвардский степ-тест, работа на велоэргометре и на других тренажерах, бег на тредбане. При использовании Гарвардского степ-теста (подъем на скамейку высотой 50 см для мужчин и 40 см – для женщин) заранее задаются высота скамейки, частота восхождения (высота скамейки и темп выполнения нагрузки обуславливают мощность выполняемой работы) и время выполнения этого теста. При выполнении стандартной работы на велоэргометре и на других тренажерах задается усилие, с которым производится вращение педалей, или масса отягощения, темп выполнения нагрузки (в случае велотренажера - частота вращения педалей) и продолжительность нагрузки. При работе на тредбане («бегущая дорожка») регламентируются угол наклона дорожки, скорость движения ленты и время, отводимое на выполнения нагрузки. В качестве стандартной работы можно также использовать циклические упражнения, такие как бег, спортивную ходьбу, греблю, плавание, бег на лыжах и езда на велосипеде, бег на коньках и т.п., выполняемые всеми испытуемыми с одинаковой скоростью в течение заранее установленного времени или же на одной и той же дистанции. Из всех описанных стандартных нагрузок всё же более предпочтительна работа на велотренажере, так как в этом случае объем выполненной работы может быть определен с большой точностью и мало зависит от массы тела испытуемых. При оценке уровня тренированности с помощью стандартных нагрузок желательно подбирать группы спортсменов примерно одинаковой квалификации. Стандартная нагрузка также может быть использована для оценки эффективности тренировок одного спортсмена. С этой целью биохимические исследования данного спортсмена проводятся на разных этапах тренировочного процесса с использованием одних и тех же стандартных нагрузок. Максимальные или предельные физические нагрузки (работа «до отказа») не имеют заранее заданного объема. Они могут выполняться с заданной интенсивностью в течение максимального времени, возможного для каждого испытуемого, или же в течение заданного времени, или на определенной ди2 станции с максимально возможной мощностью. В этих случаях объем нагрузки определяется тренированностью спортсмена. В качестве максимальных нагрузок можно использовать описанные выше Гарвардский степ-тест, велоэргометрическую пробу, бег на тредбане, выполняемые «до отказа». «Отказом» следует считать снижение заданного темпа (частоты восхождения на скамейку или вращения педалей, скорости бега на тредбане). Работой «до отказа» также являются соревновательные нагрузки в ряде видов спорта (например, гимнастические и легкоатлетические упражнения, спортивная ходьба, гребля, плавание, велогонки, бег на лыжах и коньках). Стандартные и максимальные нагрузки могут быть непрерывными, ступенчатыми и интервальными. Для оценки общей тренированности (общей физической подготовки – ОФП) обычно используются стандартные нагрузки, неспецифические для данного вида спорта (для исключения влияния технической и тактической подготовки обследуемых спортсменов). Примером такой неспецифической нагрузки может быть велоэргометрический тест. Оценка специальной тренированности проводится чаще всего с применением упражнений, свойственных соответствующей спортивной специализации. Мощность тестирующих нагрузок (стандартных и максимальных) определяется задачами биохимического контроля. Для оценки анаэробной работоспособности используются нагрузки в зоне максимальной и субмаксимальной мощности. Аэробные возможности спортсмена определяются с помощью нагрузок в зоне большой и умеренной мощности. Общая направленность биохимических сдвигов в организме после выполнения стандартных и максимальных нагрузок в зависимости уровня тренированности. Биохимические сдвиги, возникающие после выполнения стандартной нагрузки, обычно тем больше, чем ниже уровень тренированности спортсмена. Поэтому одинаковая по объему стандартная работа вызывает выраженные биохимические изменения у слабо подготовленных испытуемых и мало влияет на биохимические показатели хорошо тренированных атлетов. Например, значительное увеличение содержания в крови лактата после стандартной нагрузки указывает на низкие возможности аэробного энергообразования, вследствие чего мышцам пришлось для энергообеспечения выполняемой работы в значительной мере использовать гликолитический ресинтез АТФ. У спортсменов с высоким уровнем тренированности хорошо развито аэробное энергообеспечение (тканевое дыхание), и оно при выполнении стандартной нагрузки является основным источником энергии, в связи с чем потребность в гликолитическом способе образования АТФ мала, что в итоге 3 проявляется лишь незначительным повышением в крови концентрации лактата. Уменьшение концентрации молочной кислоты на разных этапах подготовки одного и того же спортсмена после одинаковой стандартной работы свидетельствует о росте тренированности и аэробных возможностей организма. Отсутствие снижения или возрастание содержания лактата в крови, наоборот, указывают на неэффективность тренировочного процесса. После выполнения максимальной нагрузки биохимические изменения чаще всего пропорциональны степени подготовленности спортсменов. Это объясняется тем, что испытуемые высокой квалификации выполняют максимальную работу бόльшего объема, и их организм менее чувствителен к возникающим биохимическим и функциональным сдвигам. В этом случае резкое возрастание уровня лактата в крови после максимальной нагрузки в зоне субмаксимальной мощности свидетельствует о высоких возможностях гликолитическго пути ресинтеза АТФ и о резистентности организма к повышению кислотности. Незначительный подъем содержания молочной кислоты в крови, наблюдаемый после максимальных нагрузок субмаксимальной мощности, наоборот, указывает на низкую скорость гликолиза (например, вследствие невысокой концентрации мышечного гликогена, низкой активности ферментов гликолиза) и на слабую резистентность организма к накоплению лактата. В связи с этим у слабо подготовленных «отказ» при выполнении максимальной работы наступает раньше, что находит отражение в объеме проделанной работы и глубине возникающих в организме сдвигов. При этом наблюдается низкий спортивный результат. Объекты биохимического контроля. Кровь. Для проведения биохимических исследований обычно используют капиллярную кровь, взятую из пальца или мочки уха. Венозную кровь исследуют в тех случаях, когда необходимо определить много биохимических показателей и для анализа требуется большое количество крови. Забор крови для биохимического анализа чаще всего производится до выполнения физической нагрузки и после ее завершения (примерно через 5 мин.). Иногда для изучения динамики биохимических сдвигов во время выполнения работы, а также для оценки восстановительных процессов взятие крови может проводиться в разные моменты в период работы и восстановления. В спортивной практике при анализе крови определяются следующие показатели:  Количество форменных элементов (эритроцитов, лейкоцитов и тромбоцитов)  Концентрация гемоглобина  Водородный показатель (рН)  Щелочной резерв крови 4  Концентрация белков плазмы  Концентрация глюкозы  Концентрация лактата  Концентрация жира и жирных кислот  Концентрация кетоновых тел  Концентрация мочевины Биологическое значение перечисленных биохимических показателей, их величины в покое, а также их изменение под влиянием физических нагрузок было рассмотрено в лекциях «Биохимия крови» и «Биохимические сдвиги в организме при мышечной работе и утомлении». Необходимо еще раз подчеркнуть, что при интерпретации результатов биохимических исследований следует обязательно учитывать характер выполненной физической работы. Моча. В связи с возможностью инфицирования при взятии крови (например, заражение гепатитом или СПИДом) в последнее время все чаще объектом биохимического контроля в спорте становится моча. Для проведения биохимических исследований может быть использована суточная моча (т.е. моча, собранная в течение суток), а также порции мочи, полученные до и после выполнения физических нагрузок. В суточной моче обычно определяют креатининовый коэффициент выделение креатинина с мочой за сутки в расчете на кг массы тела. Величина креатининового коэффициента позволяет оценить возможности кретинфосфатного ресинтеза АТФ и степень развития мускулатуры. По этому показателю можно также оценить динамику увеличения запасов креатинфосфата и нарастания мышечной массы у отдельных спортсменов в ходе тренировочного процесса. Для проведения биохимического анализа также используются порции мочи, взятые до и после нагрузки. В этом случае непосредственно перед выполнением тестирующих нагрузок испытуемые должны полностью опорожнить мочевой пузырь, а сбор мочи после нагрузки осуществляется через 1530 минут после её выполнения. Для оценки течения восстановительных процессов могут быть исследованы порции мочи, полученные на следующее утро после выполнения тестирующей нагрузки. Исследования, выполненные на нашей кафедре, выявили четкую корреляцию между изменениями биохимических показателей крови и мочи, вызванными физической работой, причем в моче наблюдался более высокий рост этих показателей. Кроме этого, физические нагрузки вызывают не только изменения содержания в моче её ингредиентов, но и приводят к появлению в ней веществ, отсутствующих в состоянии покоя – так называемых патологических компонентов. 5 В спортивной практике при проведении анализа мочи, полученной до и после выполнения тестирующих нагрузок, обычно определяются следующие физико-химические и химические показатели:  Объем (диурез)  Плотность (удельный вес)  Кислотность (рН)  Сухой остаток  Лактат  Мочевина  Патологические компоненты (белок, глюкоза, кровь, кетоновые тела) Перечисленные биохимические показатели мочи были подробно рассмотрены лекциях «Биохимия почек и мочи» и «Биохимические сдвиги в организме при мышечной работе и утомлении». При оценке обнаруженных изменений в порциях мочи после выполнения тестирующих нагрузок необходимо исходить из их характера. У хорошо подготовленных спортсменов стандартные нагрузки приводят к незначительному изменению физико-химических свойств и химического состава мочи. У малотренированных, наоборот, эти сдвиги весьма существенны. После выполнения максимальных нагрузок более выраженные изменения в показателях мочи обнаруживаются у спортсменов высокой квалификации. Отдельно следует остановиться на особенностях экскреции мочевины с мочой после завершения мышечной работы. В литературе приводятся данные как об увеличении, так и о снижении выделения мочевины после физической нагрузки. Эта противоречивость обусловлена разным временем забора проб мочи. На нашей кафедре была подробно изучена динамика экскреции мочевины после выполнения стандартных нагрузок большой мощности. Оказалось, что в порциях мочи, взятых для анализа через 15-30 минут после выполнения нагрузки, содержание мочевины обычно понижено по сравнению с ее экскрецией до начала работы, причем это более выражено у слабо подготовленных испытуемых. Обнаруженное явление можно объяснить тем, что при выполнении работы ухудшается экскреторная функция почек. Ранее в лекции «Биохимические сдвиги в организме при мышечной работе и утомлении» было отмечено, что при выполнении продолжительной физической работы уровень мочевины в крови может возрастать в несколько раз, что является свидетельством уменьшения почечной экскреции. В порциях мочи, взятых утром на следующий день после выполнения нагрузки, обнаруживается повышенное по сравнению с уровнем покоя содержание мочевины. Здесь также прослеживается зависимость выделения мочевины от уровня тренированности: у мало тренированных экскретируются большие количества мочевины, а у спортсменов высокой квалификации её содержание лишь незначительно превышает дорабочий уровень. В последнее время при анализе мочи всё бόльшее применение находят методы экспресс-диагностики. Эти очень простые методы (в основном, с использованием индикаторной бумаги) позволяют в любых условиях оператив6 но проводить исследование мочи, причем это могут делать не только специалисты-биохимики, но тренеры и сами спортсмены. С помощью экспрессметодов можно быстро определить в порциях мочи концентрацию мочевины, наличие белка, глюкозы, кетоновых тел, измерить величину рН. Недостатком экспресс-контроля является низкая чувствительность используемых методик. Выдыхаемый воздух. Сбор выдыхаемого воздуха производится с применением маски с клапаном, позволяющим направлять выдыхаемый воздух в специальный дыхательный мешок. С помощью приборов - газоанализаторов в выдыхаемом воздухе определяется содержание кислорода. Сравнивая содержание кислорода в выдыхаемом и во вдыхаемом, т.е., в атмосферном воздухе, можно рассчитать следующие показатели:  Максимальное потребление кислорода (МПК)  Кислородный приход (количество кислорода, использованного во время работы сверх уровня покоя)  Алактатный кислородный долг  Лактатный кислородный долг Для определения МПК и кислородного прихода выдыхаемый воздух собирают во время выполнения работы, а для расчета кислородного долга после завершения работы. Диагностическое значение показателей, полученных при анализе выдыхаемого воздуха, описано в лекциях «Биоэнергетика мышечной деятельности» и «Биохимические закономерности восстановления». Анализ выдыхаемого воздуха позволяет найти еще один показатель, характеризующий состояние метаболизма у спортсмена. Это дыхательный коэффициент – соотношение между объемом углекислого газа, выделяющегося из организма в составе выдыхаемого воздуха за определенное время, и объемом кислорода, поступившего в организм за такое время. При выполнении нагрузок средней мощности основным источником энергии является аэробное окисление углеводов, протекающее согласно уравнению: С6Н12О6 + 6 О2 → 6 СО2 + 6 Н2О Глюкоза В этом случае соотношение между объемами углекислого газа и кислорода равняется 1. При выполнении интенсивных нагрузок бóльшая часть углеводов расщепляется анаэробно и превращается в молочную кислоту. Образовавшаяся молочная кислота из мышц выделяется в кровяное русло и там взаимодействует с бикарбонатами. При таком взаимодействии бикарбонаты превращаются в угольную кислоту, которая далее разлагается на углекислый газ и воду. Поэтому при таких нагрузках дыхательный коэффициент становится больше 1. 7 При очень продолжительной работе основным источником энергии становятся жиры. Как ранее отмечалось, окисление жиров требует повышенного количества кислорода. Дыхательный коэффициент в этом случае имеет величину ниже 1. Таким образом, по величине дыхательного коэффициента можно установить метаболический процесс, являющийся основным источником энергии при выполнении тех или иных нагрузок. Слюна. Анализ слюны проводится сравнительно редко. Для получения слюны испытуемые ополаскивают ротовую полость определенным количеством воды. Чаще всего в слюне определяют величину рН и активность фермента амилазы. По активности этого фермента можно судить об интенсивности углеводного обмена, поскольку существует определенная корреляция между активностью амилазы слюны и активностью тканевых ферментов обмена углеводов. В настоящее время в литературе достаточно широко описаны изменения у спортсменов других биохимических показателей слюны. Здесь наибольший интерес представляет обнаруженная высокая степень корреляции между содержанием лактата в слюне и в крови испытуемых во время бега на различные дистанции (от 400 м до 30 км), во время теннисных соревнований, а также при нагрузках высокой мощности. Следует также ожидать, что в составе слюны могут быть низкомолекулярные органические соединения (глюкоза, мочевина, аминокислоты, креатинин, лактат и др.), проникающие в нее из кровяного русла путем диффузии через межклеточную жидкость. Исследования, выполненные на нашей кафедре, выявили заметное повышение содержания мочевины в слюне тяжелоатлетов после стандартной тренировки. Преимущества возможности замены в качестве тест-объекта крови на слюну трудно переоценить, учитывая особую простоту получения слюны и возможность многократного проведения тестирования с использованием слюны для оценки функционального состояния спортсмена как во время тренировки, так и соревнования. Пот. Биохимическое исследование пота проводится тоже не часто. Для сбора пота используется хлопчатобумажное белье, в котором испытуемый выполняет физическую нагрузку, или же испытуемого после завершения работы вытирают хлопчатобумажным полотенцем. Затем белье или полотенце замачивают в дистиллированной воде, где и растворяются компоненты пота. Полученный после выпаривания в вакууме концентрированный раствор подвергают химическому анализу. 8 Исследование пота позволяет оценить состояние минерального обмена, так как с потом в первую очередь выделяются из организма минеральные вещества. Биоптат мышечной ткани. Для получения образца мышечной ткани проводится микробиопсия: под местным обезболиванием над исследуемой мышцей делается разрез кожи и специальной иглой берется маленький кусочек мышцы объемом 2-3 мм3. Полученный биоптат подвергается микроскопическому и биохимическому анализу. При микроскопическом исследовании определяется соотношение между типами мышечных волокон, количество миофибрилл и их толщина, количество митохондрий и их размер, развитие саркоплазматической сети в отдельных мышечных клетках. Биохимическое исследование позволяет определить концентрацию важнейших химических соединений (АТФ, креатинфосфата, гликогена, миоглобина, сократительных белков) и активность ферментов. Микробиопсия может проводиться как в состоянии покоя, так и после выполнения тестирующих нагрузок. Однако исследование биоптата мышечной ткани требует дорогостоящих аппаратуры и реактивов, а также участия высококвалифицированных специалистов. Поэтому такие исследования проводятся в крупных лабораториях. В заключение необходимо отметить, что в каждом конкретном случае выбор тестирующих нагрузок и объектов биохимического контроля определяется видом спорта, спортивной квалификацией испытуемых, периодом тренировочного процесса, наличием соответствующих тренажеров (например, велоэргометра, тредбана и т.п.), оснащенностью биохимической лаборатории и т.д. 9