Биохимический контроль в спорте

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 протекания восстановления после тренировки.

• Оценка эффективности новых методов и средств развития скоро- стно-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 физической нагрузки биохимиче­ских сдвигов существенно зависят от уровня тренированности и функционального состояния спортсмена. Поэтому при проведении биохимических исследований в спорте пробы для анализа (например, крови или мочи) берут до тестирующей физической нагрузки, во вре­мя ее выполнения, после ее 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 использоваться 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 обусловливают мощность выполняемой работы) и время выполнения этого теста.

При выполнении стандартной работы на велоэргометре и других тренажерах задается усилие, с которым производится вращение педа­лей, или масса отягощения, темп выполнения нагрузки (в случае вело- тренажера - 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, спортивная ходьба, гребля, плава­ние, бег на лыжах, езда на велосипеде, бег на коньках и т. п., выпол­няемые всеми испытуемыми с одинаковой скоростью в течение заранее установленного времени или на одной и той же дистанции.

Из всех описанных стандартных нагрузок все 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 в течение заданного времени, или на опре­деленной дистанции 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 ОТ 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 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 большего 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 гликолитического 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 слабое развитие 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;

• 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 описано выше в главах 12 «Биохимия крови» и 16 «Био­химические сдвиги в организме при мышечной работе».

Необходимо еще раз подчеркнуть, что при интерпретации результа­тов биохимических исследований нужно обязательно учитывать харак­тер выполненной физической работы.

Моча

В связи с возможностью инфицирования при взятии крови (напри­мер, заражение гепатитом или СПИДом) в последнее время 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 1 кг мас­сы тела. У мужчин выделение креатинина колеблется в пределах 18-32 мг/сутки-кг, у женщин - 10-25 мг/сутки-кг. Креатининовый коэффициент характеризует запасы креатинфосфата в мышцах и коррелирует с мышечной массой. Поэтому величина креатининового коэффициента позволяет оценить возможности креатинфосфатного 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 15-30 мин после ее выполнения. Для оценки течения восстановительных процессов могут быть исследованы порции мочи, полученные на следующее утро после выполнения тестирующей на­грузки.

Исследования, выполненные на кафедре биохимии СПбГАФК им. П.Ф. Лесгафта, выявили четкую корреляцию между изменениями био­химических показателей крови и мочи, вызванными физической рабо­той, причем в моче наблюдался более высокий рост этих показателей. В качестве примера на рис. 22 приведены данные о влиянии велоэрго- метрической нагрузки в зоне большой мощности на показатели сво- боднорадикального окисления - диеновые конъюгаты, ТБК-зависимые продукты, шиффовы основания (см. главу 17 «Молекулярные механиз­мы утомления) и уровень лактата крови и мочи.

- до нагрузки

- после нагрузки

3,7

3,3

1,2

4,4

4,8

8,5

5,6

0,3

2,9

Кровь Моча Кровь Моча Кровь Моча Кровь Моча

диеновые ТБК-зависимые шиффовы основания лактат

конъюгаты продукты

(усл. ед./л) (мкмоль/л) (усл. ед./мл) (ммоль/л)

Рис. 22. Изменение биохимических показателей крови и мочи под влиянием велоэргометрической нагрузки

Как видно из рисунка, для всех исследованных показателей, кроме шиффовых оснований, значительно большие сдвиги под влиянием физической нагрузки обнаруживаются в моче. Например, уровень лактата в крови повысился немногим более чем в 2 раза, в то время как в моче отмечается увеличение содержания лактата в 11 раз. Это различие может быть обусловлено тем, что в моче во время выполне­ния физических нагрузок происходит постепенное накопление (куму- лирование) поступающих из крови химических соединений, приво­дящее после завершения работы к значительному повышению их со­держания в моче.

Кроме того, физические нагрузки вызывают не только изменение содержания в моче ее ингредиентов, но и приводят к появлению в ней веществ, отсутствующих в состоянии покоя, - так называемых патоло­гических компонентов (см. главу 16 «Биохимические сдвиги в организ­ме при мышечной работе»).

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;

• показатели свободнорадикального окисления (диеновые конъюга- ты, ТБК-зависимые продукты, шиффовы основания);

• патологические компоненты (белок, глюкоза, кетоновые тела).

Перечисленные биохимические показатели мочи были подробно

рассмотрены в главах 13 «Биохимия почек и мочи» и 16 «Биохимиче­ские сдвиги в организме при мышечной работе».

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 показателей 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 кафедре биохимии СПбГАФК им. П.Ф. Лесгафта подробно изучена динамика экскреции мочевины после выполнения стандартных нагрузок большой мощности. Оказа­лось, что в порциях мочи, взятых для анализа через 15-30 мин 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 (в главе 16 «Биохимические сдвиги в организме при мышечной работе» отмечалось, что при выполнении продолжи­тельной физической работы уровень мочевины в крови может возрас­тать в несколько раз, что и 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 малотренированных экскретируются большие количества мочевины, а у спортсменов высокой квалификации ее содержание лишь незначи­тельно превышает дорабочий уровень.

В последнее время при анализе мочи все большее применение нахо­дят методы экспресс-диагностики. Эти очень простые методы (в основ­ном с использованием индикаторной бумаги) позволяют в любых усло­виях оперативно проводить исследование мочи, причем это могут де­лать не только специалисты-биохимики, но и тренеры и сами спорт­смены. С помощью экспресс-методов можно быстро определить в пор­циях мочи концентрацию мочевины, наличие белка, глюкозы, кетоно­вых тел, измерить величину рН. Недостатком экспресс-контроля явля­ется низкая чувствительность используемых методик.

К методам экспресс-контроля можно также отнести цветную оса­дочную реакцию по Я.А. Кимбаровскому (ЦОРК). Эта реакция прово­дится следующим образом: к порции исследуемой мочи добавляется раствор азотнокислого серебра. При последующем нагревании выпада­ет окрашенный осадок. Интенсивность реакции Кимбаровского выра­жается в условных единицах, исходя из цвета и насыщенности окраски полученного осадка, с использованием специальной цветной шкалы. Величины ЦОРК коррелируют с глубиной биохимических и физиоло­гических сдвигов, возникающих под влиянием физической нагрузки, в том числе с изменением содержания мочевины в крови. Поэтому с по­мощью ЦОРК можно косвенно судить о концентрации мочевины в крови.

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 и углекисло­го газа. Сравнивая содержание этих газов 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;

• дыхательный коэффициент.

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 главах 15 «Биоэнергетика мышечной деятельности» и 18 «Биохимические закономерности восстановле­ния».

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.

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.

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 саркоплазмати- ческой 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.

Список

ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АДФ - аденозиндифосфат АМФ - аденозинмонофосфат цАМФ - циклический аденозин­монофосфат АТФ - аденозинтрифосфат Ацетил-КоА - ацетилкофермент А Гл-1-ф - глюкозо-1-фосфат Гл-6-ф - глюкозо-6-фосфат ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

КоА - кофермент А (кофермент ацилирования) - переносчик кислотных остатков Кр - креатин КрФ - креатинфосфат МПК - максимальное потребле­ние кислорода НАД / НАД-Н₂ - никотинамид- адениндинуклеотид (окислен­ная/восстановленная форма) - кофермент — переносчик атомов водорода НАДФ / НАДФН₂- никотина- мидадениндинуклеотидфосфат (окисленная/восстановленная форма) - кофермент — пере­носчик атомов водорода ПАНО - порог анаэробного обмена ПОЛ - перекисное окисление ли- пидов

РНК - рибонуклеиновая кислота иРНК - информационная РНК рРНК - рибосомная РНК тРНК - транспортная РНК

СРО - свободнорадикальное

окисление УДФ - уридиндифосфат УТФ - уридинтрифосфат Ф - фосфорная кислота ФАД / ФАД-Н₂ - флавинаденин динуклеотид (окислен­ная/восстановленная форма) - переносчик атомов водорода ФГА - фосфоглицериновый аль­дегид - промежуточный про­дукт распада углеводов ФМН / ФМН-Н₂ флавинмоно- нуклеотид (окисленная/вос­становленная форма) - пере­носчик атомов водорода ФФ - дифосфат

ЦНС - центральная нервная сис­тема

ЦТК - цикл трикарбоновых кис­лот (цикл Кребса) А - окисленное вещество АН₂ - окисляемое вещество Е - фермент (энзим) EI - фермент-ингибиторный

комплекс ES - фермент-субстратный комп­лекс НЬ - гемоглобин НЬ0₂ - оксигемоглобин I - ингибитор Р - продукт реакции S - субстрат

— макроэргическая связь

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. - М.: Медици­на, 1998.

2. Биохимия 1 Под ред. Н.Н. Яковлева. - М.: Физкультура и спорт, 1974.

3. Биохимия / Под ред. В.В. Меньшикова и Н.И. Волкова. - М.: Физ­культура и спорт, 1986.

4. Волков Н.И., Несен Э.Н., Осипенко А.А., Корсун С.Н. Биохимия мышечной деятельности. - Киев: Олимпийская литература, 2000.

5. Ермолаев М.В., Ильичева А.Г. Биологическая химия. — М.: Меди­цина, 1990.

6. Мелихова М.А. Динамика биохимических процессов в организме человека при мышечной деятельности / ГЦОЛИФК. - М., 1992.

7. Рогозкин В.А. Биохимическая диагностика в спорте / ГДОИФК им. П.Ф. Лесгафта. - Л., 1988.

8. Рогозкин В.А., Пшендин А.И., Шишина Н.Н. Питание спортсме­нов. -М.: Физкультура и спорт, 1989.

9. СтрайерЛ. Биохимия: В 3-х т.: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985.

10. Таймазов В.А., Марьянович А.Т. Биоэнергетика спорта. - СПб.: Шатон, 2002.

11. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Леман И. Основы биохимии: В 3-х т.: Пер. с англ.-М.: Мир, 1981.

12. Яковлев Н.Н. Биохимия спорта. - М.: Физкультура и спорт, 1974.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1