Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимия спорта
Биохимический контроль в спорте
Основные биохимические показатели состава крови и мочи, их изменение при мышечной деятельности

Показатели углеводного обмена

Глюкоза. Содержание глюкозы в крови поддерживается на относительно постоянном уровне специальными регуляторными механизмами в пределах 3,3—5,5 ммоль ⋅ л^-1 (80—120 мг%). Изменение ее содержания в крови при мышечной деятельности индивидуально и зависит от уровня тренирован­ности организма, мощности и продолжительности физических упражнений. Кратковременные физические нагрузки субмаксимальной интенсивности могут вызывать повышение содержания глюкозы в крови за счет усиленной мобилизации гликогена печени. Длительные физические нагрузки приводят к снижению содержания глюкозы в крови. У нетренированных лиц это сни­жение более выражено, чем у тренированных. Повышенное содержание глюкозы в крови свидетельствует об интенсивном распаде гликогена пече­ни либо относительно малом использовании глюкозы тканями, а понижен­ное ее содержание — об исчерпании запасов гликогена печени либо интен­сивном использовании глюкозы тканями организма.

По изменению содержания глюкозы в крови судят о скорости аэроб­ного окисления ее в тканях организма при мышечной деятельности и ин­тенсивности мобилизации гликогена печени. Этот показатель обмена уг­леводов редко используется самостоятельно в спортивной диагностике, так как уровень глюкозы в крови зависит не только от воздействия физи­ческих нагрузок на организм, но и от эмоционального состояния челове­ка, гуморальных механизмов регуляции, питания и других факторов.

У здорового человека в моче глюкоза отсутствует, однако может поя­виться при интенсивной мышечной деятельности, эмоциональном возбуж­дении перед стартом и при избыточном поступлении углеводов с пищей (алиментарная глюкозурия) в результате увеличения ее уровня в крови (состояние гипергликемии). Появление глюкозы в моче при физических нагрузках свидетельствует об интенсивной мобилизации гликогена пече­ни. Постоянное наличие глюкозы в моче является диагностическим тестом заболевания сахарным диабетом.

Рис. 214 Изменение запасов КрФ (1) и АТФ (2), содержания лактата в скелетной мышце (3) и крови из артерии (4) и бедренной вены (5) при тяжелой физической работе, а также значения pH крови из артерии (6) и бедренной вены (7)

Молочная кислота. Гликолитический механизм ресинтеза АТФ в ске­летных мышцах заканчивается образованием молочной кислоты, которая затем поступает в кровь. Выход ее в кровь после прекращения работы про­исходит постепенно, достигая максимума на 3—7-й минуте после окончания работы. Содержание молочной кислоты в крови в норме в состоянии относительного покоя составляет 1—1,5 ммоль ⋅ л^-1 (15—30 мг%) и сущес­твенно возрастает при выполнении интенсивной физической работы (рис. 214). При этом накопление ее в крови совпадает с усиленным обра­зованием в мышцах, которое существенно повышается после напряженной кратковременной нагрузки и может достичь около 30 ммоль ⋅ кг^-1 массы при изнеможении. Количество молочной кислоты больше в венозной кро­ви, чем в артериальной. С увеличением мощности нагрузки содержание ее в крови может возрастать у нетренированного человека до 5— 6 ммоль ⋅ л^-1, у тренированного — до 20 ммоль ⋅ л^-1 и выше (см. рис. 146). В аэробной зоне физических нагрузок лактат составляет 2—4 ммоль ⋅ л^-1, в смешанной — 4—10 ммоль ⋅ л^-1, в анаэробной — более 10 ммоль ⋅ л^-1. Ус­ловная граница анаэробного обмена соответствует 4 ммоль лактата в 1 л крови и обозначается как порог анаэробного обмена (ПАНО), или лактатный порог (ЛП).

Снижение содержания лактата у одного и того же спортсмена при вы­полнении стандартной работы на разных этапах тренировочного процесса свидетельствует об улучшении тренированности, а повышение — об ухуд­шении.

Значительные концентрации молочной кислоты в крови после выпол­нения максимальной работы свидетельствуют о более высоком уровне тренированности при хорошем спортивном результате или о большей ме­таболической емкости гликолиза, большей устойчивости его ферментов к смещению pH в кислую сторону.

Таким образом, изменение концентрации молочной кислоты в крови после выполнения определенной физической нагрузки связано с состоя­нием тренированности спортсмена. По изменению ее содержания в крови определяют анаэробные гликолитические возможности организма, что важ­но при отборе спортсменов, развитии их двигательных качеств, контроле тренировочных нагрузок и хода процессов восстановления организма.

Показатели липилного обмена

Свободные жирные кислоты. Являясь структурными компонентами липи­дов, уровень свободных жирных кислот в крови отражает скорость липо­лиза триглицеридов в печени и жировых депо. В норме содержание их в крови составляет 0,1—0,4 ммоль ⋅ л^-1 и увеличивается при длительных фи­зических нагрузках.

По изменению содержания СЖК в крови контролируют степень под­ключения липидов к процессам энергообеспечения мышечной деятельнос­ти, а также экономичность энергетических систем или степень сопряжения между липидным и углеводным обменом. Высокая степень сопряжения этих механизмов энергообеспечения при выполнении аэробных нагрузок является показателем высокого уровня функциональной подготовки спорт­смена.

Кетоновые тела. Образуются они в печени из ацетил-КоА при уси­ленном окислении жирных кислот в тканях организма. Кетоновые тела из печени поступают в кровь и доставляются к тканям, в которых большая часть используется как энергетический субстрат, а меньшая выводится из организма. Уровень кетоновых тел в крови в определенной степени отра­жает скорость окисления жиров. Содержание кетоновых тел в крови в нор­ме относительно небольшое — 8 ммоль ⋅ л^-1. При накоплении в крови до 20 ммоль ⋅ л^-1 (кетонемия) они могут появиться в моче, тогда как в норме в моче кетоновые тела не выявляются. Появление их в моче (кетонурия) у здоровых людей наблюдается при голодании, исключении углеводов из ра­циона питания, а также при выполнении физических нагрузок большой мощности или длительности. Этот показатель имеет также диагностическое значение при выявлении заболевания сахарным диабетом, тиреотоксикозом.

По увеличению содержания кетоновых тел в крови и появлению их в моче определяют переход энергообразования с углеводных источников на липидные при мышечной активности. Более раннее подключение липид­ных источников указывает на экономичность аэробных механизмов энер­гообеспечения мышечной деятельности, что взаимосвязано с ростом тре­нированности организма.

Холестерин. Это представитель стероидных липидов, не участвующий в процессах энергообразования в организме. Содержание холестерина в плазме крови в норме составляет 3,9—6,5 ммоль ⋅ л^-1 и зависит от пола (у мужчин выше), возраста (у детей ниже), диеты (у вегетарианцев ниже), двигательной активности. Постоянное увеличение уровня холестерина и его отдельных липопротеидных комплексов в плазме крови служит диаг­ностическим тестом развития тяжелого заболевания — атеросклероза, сопровождающегося поражением кровеносных сосудов (см. главу 10). Ус­тановлена зависимость коронарных нарушений от концентрации холесте­рина в крови (рис. 215). При поражении сосудов сердца наблюдается ишемия миокарда или инфаркт, а сосудов мозга — инсульты, сосудов ног — атрофия конечностей.

Рис. 215 Зависимость сердечно-сосудистых заболеваний от концентрации холестерина в крови

В работах последних лет показано, что выведению из организма чело­века холестерина способствуют пищевые волокна (клетчатка), содержащи­еся в овощах, фруктах, черном хлебе и других продуктах, а также лецитин и систематические занятия физическими упражнениями.

Продукты перекисного окисления липидов (ПОЛ). При физических нагрузках усиливаются процессы перекисного окисления липидов и накап­ливаются продукты этих процессов, что является одним из факторов, ли­митирующих физическую работоспособность. Поэтому при биохимичес­ком контроле реакции организма на физическую нагрузку, оценке специ­альной подготовленности спортсмена, выявлении глубины биодеструктив­ных процессов при развитии стресс-синдрома проводят анализ содержа­ния продуктов перекисного окисления в крови: малонового диальдегида, диеновых конъюгатов, а также активность ферментов глутатионпероксидазы, глутатионредуктазы и каталазы.

Фосфолипиды. Содержание фосфолипидов в норме в крови состав­ляет 1,52—3,62 г ⋅ л^-1. Повышение их уровня в крови наблюдается при диабете, заболеваниях почек, гипофункции щитовидной железы и других нарушениях обмена, а понижение — при жировой дистрофии печени, т. е. когда поражаются структуры печени, в которых они синтезируются. Для стимуляции синтеза фосфолипидов и снижения содержания в крови триглицеридов необходимо увеличить потребление с пищей липотропных веществ. Поскольку длительные физические нагрузки сопровождаются жировой дистрофией печени, в спортивной практике иногда используют контроль содержания триглицеридов и фосфолипидов в крови.

Показатели белкового обмена

Гемоглобин. Основным белком эритроцитов крови является гемоглобин, который выполняет кислородтранспортную функцию. Он содержит железо, связывающее кислород воздуха. Концентрация гемоглобина в крови зави­сит от пола и составляет в среднем 7,5—8,0 ммоль ⋅ л^-1 (120—140 г ⋅ л^-1) — у женщин и 8,0—10,0 ммоль ⋅ л^-1 (140—160 г ⋅ л^-1) — у мужчин, а также от степени тренированности. При мышечной деятельности резко повышается потребность организма в кислороде, что удовлетворяется более полным извлечением его из крови, увеличением скорости кровотока, а также постепенным увеличением количества гемоглобина в крови за счет изме­нения общей массы крови. С ростом уровня тренированности спортсме­нов в видах спорта на выносливость концентрация гемоглобина в крови у женщин возрастает в среднем до 130—150 г ⋅ л^-1, у мужчин — до 160— 180 г ⋅ л^-1. Увеличение содержания гемоглобина в крови в определенной степени отражает адаптацию организма к физическим нагрузкам в гипо­ксических условиях.

При интенсивных тренировках, особенно у женщин, занимающихся циклическими видами спорта, а также при нерациональном питании про­исходит разрушение эритроцитов крови и снижение концентрации гемо­глобина до 90 г л^-1 и ниже, что рассматривается как железодефицитная «спортивная анемия». В таком случае следует изменить программу трени­ровок, а в рационе питания увеличить содержание белковой пищи, желе­за и витаминов группы В.

По содержанию гемоглобина в крови можно судить об аэробных воз­можностях организма, эффективности аэробных тренировочных занятий, состоянии здоровья спортсмена.

Миоглобин. В саркоплазме скелетных и сердечной мышц находится высокоспециализированный белок, выполняющий функцию транспорта кислорода подобно гемоглобину. Содержание миоглобина в крови в нор­ме незначительное (10—70 нг ⋅ л^-1). Под влиянием физических нагрузок, при патологических состояниях организма он может выходить из мышц в кровь, что приводит к повышению его содержания в крови и появлению в моче (миоглобинурия). Количество миоглобина в крови зависит от объ­ема выполненной физической нагрузки, а также от степени тренирован­ности спортсмена. Поэтому данный показатель может быть использован для диагностики функционального состояния работающих скелетных мышц.

Актин. Содержание актина в скелетных мышцах в качестве структур­ного и сократительного белка существенно увеличивается в процессе тре­нировки. По его содержанию в мышцах можно было бы контролировать развитие скоростно-силовых качеств спортсмена при тренировке, однако определение его содержания в мышцах связано с большими методически­ми затруднениями. Тем не менее после выполненных физических нагрузок отмечается появление актина в крови, что свидетельствует о разрушении либо обновлении миофибриллярных структур скелетных мышц. В крови содержание актина определяют радиоиммуннологическим методом и по его изменению судят о переносимости физических нагрузок, интенсивнос­ти восстановления миофибрилл после мышечной работы.

Альбумины и глобулины. Это низкомолекулярные основные белки плазмы крови. Альбумины составляют 50—60 % всех белков сыворотки крови, глобулины — 35—40 %. Они выполняют разнообразные функции в организме: входят в состав иммунной системы, особенно глобулины, и за­щищают организм от инфекций, участвуют в поддержании pH крови, транс­портируют различные органические и неорганические вещества, использу­ются для построения других веществ. Количественное соотношение их в сыворотке крови в норме относительно постоянно и отражает состояние здоровья человека. Соотношение этих белков изменяется при утомлении, многих заболеваниях и может использоваться в спортивной медицине как диагностический показатель состояния здоровья.

Мочевина. При усиленном распаде тканевых белков, избыточном пос­туплении в организм аминокислот в печени в процессе связывания токси­ческого для организма человека аммиака (NH₃) синтезируется нетоксичес­кое азотсодержащее вещество — мочевина. Из печени мочевина поступа­ет в кровь и выводится с мочой.

Концентрация мочевины в норме в крови каждого взрослого человека индивидуальна — в пределах 3,5—6,5 ммоль ⋅ л^-1. Она может увеличиваться до 7—8 ммоль ⋅ л^-1 при значительном поступлении белков с пищей, до 16—20 ммоль ⋅ л^-1 — при нарушении выделительной функции почек, а также после выполнения длительной физической работы за счет усиления ката­болизма белков до 9 ммоль ⋅ л^-1 и более.

В практике спорта этот показатель широко используется при оценке переносимости спортсменом тренировочных и соревновательных физи­ческих нагрузок, хода тренировочных занятий и процессов восстановления организма. Для получения объективной информации концентрацию моче­вины определяют на следующий день после тренировки утром натощак. Если выполненная физическая нагрузка адекватна функциональным воз­можностям организма и произошло относительно быстрое восстановление метаболизма, то содержание мочевины в крови утром натощак возвраща­ется к норме (рис. 216). Связано это с уравновешиванием скорости синтеза и распада белков в тканях организма, что свидетельствует о его восстановлении. Если содержание мочевины на следующее утро остается выше нормы, то это свидетельствует о недовосстановлении организма ли­бо развитии его утомления.

Обнаружение белка в моче. У здорового человека белок в моче отсут­ствует. Появление его (протеинурия) отмечается при заболевании почек (нефрозы), поражении мочевых путей, а также при избыточном поступлении белков с пищей или после мышечной деятельности анаэробной направлен­ности. Это связано с нарушением проницаемости клеточных мембран почек из-за закисления среды организма и выхода белков плазмы в мочу.

По наличию определенной концентрации белка в моче после выполне­ния физической работы судят о ее мощности. Так, при работе в зоне боль­шой мощности она составляет 0,5 %, при работе в зоне субмаксимальной мощности может достигать 1,5 %.

Рис. 216 Содержание мочевины в крови гребцов во время отдыха (1,5 ч, 5 ч и утром после тренировочного дня): 1 — полное восстановление; 2, 3 — разная степень недовосстановления

Креатинин. Это вещество образуется в мышцах в процессе распада креатинфосфата. Суточное выделение его с мочой относительно постоян­но для данного человека и зависит от мышечной массы тела. У мужчин оно составляет 18—32 мг ⋅ кг^-1 массы тела в сутки, у женщин — 10—25 мг ⋅ кг^-1. По содержанию креатинина в моче можно косвенно оценить скорость креатинфосфокиназной реакции, а также содержание мышечной массы тела. По количеству креатинина, выделяемого с мочой, определяют содержание тощей мышечной массы тела согласно следующей формуле:

тощая масса тела = 0,0291 х креатинин мочи (мг ⋅ сут^-1) + 7,38.

Изменение количества тощей массы тела свидетельствует о снижении или увеличении массы тела спортсмена за счет белков. Эти данные важ­ны в атлетической гимнастике и силовых видах спорта.

Креатин. В норме в моче взрослых людей креатин отсутствует. Обна­руживается он при перетренировке и патологических изменениях в мыш­цах, поэтому наличие креатина в моче может использоваться как тест при выявлении реакции организма на физические нагрузки.

В моче у детей раннего возраста креатин постоянно присутствует, что связано с преобладанием его синтеза над использованием в скелетных мышцах.

Показатели кислотно-основного состояния (КОС) организма

В процессе интенсивной мышечной деятельности в мышцах образуется большое количество молочной и пировиноградной кислот, которые диф­фундируют в кровь и могут вызывать метаболический ацидоз организма, что приводит к утомлению мышц и сопровождается болями в мышцах, го­ловокружением, тошнотой. Такие метаболические изменения связаны с истощением буферных резервов организма. Поскольку состояние буфер­ных систем организма имеет важное значение в проявлении высокой фи­зической работоспособности, в спортивной диагностике используются по­казатели КОС. К показателям КОС, которые в норме относительно посто­янны, относятся:

✵ pH крови (7,35—7,45);

✵ рСО₂ — парциальное давление углекислого газа (Н₂СО₃ + СО₂) в кро­ви (35—45 мм рт. ст.);

✵ SB — стандартный бикарбонат плазмы крови НСО^-₃, который при полном насыщении крови кислородом составляет 22—26 мэкв ⋅ л^-1;

✵ ВВ — буферные основания цельной крови либо плазмы (43— 53 мэкв ⋅ л^-1) — показатель емкости всей буферной системы крови или плазмы;

✵ NBB — нормальные буферные основания цельной крови при физио­логических значениях pH и СО₂ альвеолярного воздуха;

✵ BE — избыток оснований, или щелочной резерв (от —2,4 до +2,3 мэкв ⋅ л^-1) — показатель избытка или недостатка буферной емкости (ВВ - NBB = BE).

Показатели КОС отражают не только изменения в буферных системах крови, но и состояние дыхательной и выделительной систем организма. Состояние кислотно-основного равновесия (КОР) в организме характери­зуется постоянством pH крови (7,34—7,36). Установлена обратная корреляционная зависимость между динамикой содержания лактата в крови и изменением pH крови. По изменению показателей КОС при мышечной де­ятельности можно контролировать реакцию организма на физическую на­грузку и рост тренированности спортсмена, поскольку при биохимическом контроле КОС можно определять один из этих показателей.

ТАБЛИЦА 50 Изменение кислотно-основного состояния организма

Примечание. Направление стрелки указывает на повышение или пони­жение показателей

Наиболее информативным показателем КОС является величина BE — щелочной резерв, который увеличивается с повышением квалификации спортсменов, особенно специализирующихся в скоростно-силовых видах спорта. Большие буферные резервы организма являются серьезной пред­посылкой для улучшения спортивных результатов в этих видах спорта.

Активная реакция мочи (pH) находится в прямой зависимости от кис­лотно-основного состояния организма. При метаболическом ацидозе кис­лотность мочи увеличивается до pH 5, а при метаболическом алкалозе снижается до pH 7. В табл. 50 показана направленность изменения значе­ний pH мочи во взаимосвязи с показателями кислотно-основного состоя­ния плазмы (по Т.Т. Березову и Б.Ф. Коровкину, 1998).

Биологически активные вещества — регуляторы обмена веществ

Ферменты. Особый интерес в спортивной диагностике представляют тка­невые ферменты, которые при различных функциональных состояниях ор­ганизма поступают в кровь из скелетных мышц и других тканей. Такие ферменты называются клеточными, или индикаторными. К ним относятся альдолаза, каталаза, лактатдегидрогеназа, креатинкиназа и др. Для от­дельных клеточных ферментов, например лактатдегидрогеназы скелетных мышц, характерно наличие нескольких форм (изоферментов). Появление в крови индикаторных ферментов или их отдельных изоформ, что связано с нарушением проницаемости клеточных мембран тканей, может использо­ваться при биохимическом контроле за функциональным состоянием спортсмена.

В спортивной практике часто определяют наличие в крови таких тка­невых ферментов процессов биологического окисления веществ, как аль­долаза — фермент гликолиза и каталаза — фермент, осуществляющий восстановление перекисей водорода. Появление их в крови после физи­ческих нагрузок является показателем неадекватности физической нагруз­ки, развития утомления, а скорость их исчезновения свидетельствует о скорости восстановления организма.

После выполненных физических нагрузок в крови могут появляться отдельные изоформы ферментов — креатинкиназы, лактатдегидрогеназы, характерные для какой-то отдельной ткани. Так, после длительных физических нагрузок в крови спортсменов появляется изоформа креатинфосфокиназы, характерная для скелетных мышц; при остром инфар­кте миокарда в крови появляется изоформа креатинкиназы, характерная для сердечной мышцы. Если физическая нагрузка вызывает значитель­ный выход ферментов в кровь из тканей и они долго сохраняются в ней в период отдыха, то это свидетельствует о невысоком уровне трениро­ванности спортсмена, а, возможно, и о предпатологическом состоянии организма.

Гормоны. При биохимической диагностике функционального состоя­ния спортсмена информативными показателями является уровень гормо­нов в крови. Могут определяться более 20 различных гормонов, регулиру­ющих разные звенья обмена веществ. Концентрация гормонов в крови до­вольно низкая и обычно варьируется в пределах от 10^-8 до 10^-1 моль ⋅ л^-1, что затрудняет широкое использование этих показателей в спортивной ди­агностике. Основные гормоны, которые используются при оценке функци­онального состояния спортсмена, а также их концентрация в крови в нор­ме и направленность изменения при стандартной физической нагрузке представлены в табл. 51.

Величина изменения содержания гормонов в крови зависит от мощ­ности и длительности выполняемых нагрузок, а также от степени трениро­ванности спортсмена. При работе одинаковой мощности у более трениро­ванных спортсменов наблюдаются менее значительные изменения этих показателей в крови (рис. 217). Кроме того, по изменению содержания гормонов в крови можно судить об адаптации организма к физическим нагрузкам, интенсивности регулируемых ими метаболических процессов, развитии процессов утомления, применении анаболических стероидов и других гормонов.

Витамины. Выявление витаминов в моче входит в диагностический комплекс характеристики состояния здоровья спортсменов, их физичес­кой работоспособности. В практике спорта чаще всего выявляют обеспе­ченность организма водорастворимыми витаминами, особенно витами­ном С. В моче витамины появляются при достаточном обеспечении ими организма. Данные многочисленных исследований свидетельствуют о не­достаточной обеспеченности многих спортсменов витаминами, поэтому контроль их содержания в организме позволит своевременно скорректи­ровать рацион питания или назначить дополнительную витаминизацию путем приема специальных поливитаминных комплексов.

ТАБЛИЦА 51 Направленность изменений концентрации гормонов в крови при физических нагрузках

Рис. 217 Направленность изменений содержания адреналина в крови в зависимости от мощности работы и степени тренированности спортсмена:

1 — неспортсмены; 2 — спортсмены-разрядники; 3 — мастера спорта

Минеральные вещества

В мышцах образуется неорганический фосфат в виде фосфорной кислоты (Н₃РО₄) при реакциях перефосфорилирования в креатинфосфокиназном механизме синтеза АТФ и других процессах. По изменению его концентра­ции в крови можно судить о мощности креатинфосфокиназного механиз­ма энергообеспечения у спортсменов, а также об уровне тренированнос­ти, так как прирост неорганического фосфата в крови спортсменов высо­кой квалификации при выполнении анаэробной физической работы боль­ше, чем в крови менее квалифицированных спортсменов (рис. 218).