CC BY
384
Биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 1, с. 123-128
УДК 796.01:612
АДАПТАЦИЯ К ФИЗИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ:
АНАЭРОБНЫЙ МЕТАБОЛИЗМ МЫШЕЧНОЙ ТКАНИ
© 2011 г. О.А. Бутова, С.В. Масалов
Ставропольский госуниверситет
SergeyMasalov@yandex.ru
Поступила в редакцию 20.05.2010
Представлены сведения, указывающие на различную степень активности креатинфосфакиназной реакции и анаэробного гликолиза в юношеском организме. В организме спортсменов выявлены биохимические маркеры срочной адаптации. В организме юношей, не занимающихся спортом, обнаружен сдвиг показателя креатинина и активности креатинкиназы до минимального уровня.
Ключевые слова: адаптация, спорт, анаэробный механизм энергообразования, креатинкиназа, креа-
тинин, лактатдегидрогеназа, лактат.
Введение
Каждый человек обладает неповторимым генотипом, который в процессе роста и развития реализуется в фенотип под воздействием и во взаимодействии с сочетанием факторов среды. У каждого человека имеется свойственный только ему состав биологически активных веществ и соединений - белков, ферментов и гормонов. Метаболическая активность демонстрирует разного рода цикличность, характеризуя адаптивные изменения функциональной системы организма. По масштабу изменчивости именно биохимическая индивидуальность является первичной, тогда как внешние проявления представляют собой только ее отражение [1].
Одной из сфер, в которой активно реализуются молодые люди, является спорт высших достижений. Известно, что напряженная мышечная деятельность сопровождается значительными метаболическими и гематологическими изменениями. Длительное функционирование организма в подобных условиях может явиться причиной истощения его функциональных резервов, выраженной в состояниях физического перенапряжения и перетренированно-сти. Биохимические показатели позволяют уже на ранней стадии диагностировать признаки переутомления и вносить коррективы в тренировочный процесс, применять необходимые реабилитационные средства.
С этих позиций особенно актуальным является исследование емкостных и мощностных характеристик креатинфосфатного и лактатного анаэробного механизма энергообразования, как одного из двух этапов процесса энергообразо-
вания. Детальное изучение механизмов энергообразования в организме юношей необходимо для разработки биохимических критериев адаптации и эффективности систем совершенствования здоровья.
В соответствии с указанным цель настоящего исследования - изучение особенностей анаэробного метаболизма мышечной ткани в юношеском периоде онтогенеза с учетом различных двигательных нагрузок.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
1. Установить биохимические изменения в анаэробном энергообеспечении юношеского организма, с учетом различной двигательной активности.
2. Оценить биохимические механизмы адаптации юношеского организма к нагрузкам субмаксимальной мощности.
Материалы и методы исследования
Учитывая вышеуказанное, нами проведены анализы активности креатинфосфокиназы (КФК, КФ 2.7.3.2) [2] и лактатдегидрогеназы (ЛДГ, КФ 1.1.1.27) [3] кинетическим методом, а также анализ концентрации уровня креатинина - псевдокинетическим двухточечным методом, основанным на реакции Яффе и молочной кислоты - энзиматическим колориметрическим методом в сыворотке крови. Контингент исследования составили практически здоровые ставропольские юноши в возрасте 17-21 год (юношеский период онтогенеза), из которых, согласно критериям ведущего качества, по проявляемым силе и мощности мышечных со-
Таблица 1
Биохимические показатели метаболизма мышечной ткани
1 группа
Биохимические показатели метаболизма мышечной ткани ЛДГ (и/л) Молочная кислота (ммоль/л) КФК (и/л) Креатинин (мкмоль/л)
Состояние покоя 436.55±9.6 1.85±0.13 121.28±5.3 90.2±3.3
После нагрузки 545.62±9.8 4.41±0.26 123.3±5.8 96.3±3.5
Р < 0.001 < 0.001 > 0.1 > 0.1
2 группа
Состояние покоя 363.74±7.9 1. 0 9±0.08 159.77±6.8 125.3±4.2
После нагрузки 656.23±8.5 9.46±0.19 186.4±7.0 136.7±4.3
Р < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001
Р1 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001
Р2 < 0.001 < 0.001 < 0.001 < 0.001
Примечание: Р - достоверность различий в покое и после нагрузки у юношей одной группы; Р1 - достоверность различий показателей в состоянии покоя 1 и 2 групп; Р2 - достоверность различий показателей после нагрузки 1 и 2 групп
кращений и связанной с ними предельной продолжительности работы, были сформированы две группы:
I группа - юноши практически здоровые, не занимающиеся спортом (п = 15);
II группа - юноши-спортсмены высокого класса, занимающиеся скоростно-силовыми видами спорта (спринт 200 м, 400 м, 800 м) (п = 15). Юноши-спортсмены являются мастерами спорта международного класса, мастерами спорта и кандидатами в мастера спорта.
Определение уровня активности ферментов креатинфосфокиназы, лактатдегидрогеназы и концентрации креатинина и молочной кислоты в сыворотке крови осуществлялось на базе лаборатории учебно-научного центра «Медицинской биохимии» Ставропольского государственного университета. Взятие крови проводили в специально оборудованной биохимической лаборатории с соблюдением правил септики и антисептики. Максимальный срок выполнения исследования с момента взятия крови не превышал 1 ч [4].
Кровь для исследования брали утром натощак из локтевой вены, с добровольного письменного согласия исследуемого. Взятие крови осуществлял специалист, врач высшей категории, с использованием сертифицированного оборудования.
При исследовании биохимических изменений на тканевом уровне повторно бралась кровь после выполнения интенсивной нагрузки на велоэргометре марки ЦГ-7305. Работа заключалась в педалировании ногами со скоростью 60
вращений в минуту в течение 5 минут, нагрузка при этом составляла 200 Вт, что позволяет говорить о том, что юноши работали преимущественно в анаэробном режиме [5]. Результаты исследования обработаны параметрическими методами статистики.
Результаты исследования и их обсуждение
В соответствии с разработанной программой исследования проанализирована динамика изменений биологической активности ферментного и концентрации субстратного компонентов креатинфосфакиназного и анаэробно-гликоли-тического механизмов энергообразования.
Анализ активности ЛДГ (табл. 1), фермента углеводного обмена, катализирующего одну из важнейших реакций анаэробного гликолиза -взаимопревращение пировиноградной и молочной кислот, являющегося важным биохимическим диагностическим тестом для оценки работы мышечной ткани в условиях анаэробного гликолиза, установил достоверное (Р < 0.001) увеличение активности в группе юношей, не занимающихся спортом (436.55±9.6 и/л) относительно показателя в группе спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта (363.74±7.9 и/л).
После проведенной нагрузки достоверное увеличение активности ЛДГ наблюдалось в обеих группах (рис. 1). Однако степень увеличения активности была различной: в 1 группе в 1.2 раза, а во 2 группе в 1.8 раза.
а ЛАКТАТДЕГИДРОГЕНАЗА
ЛАКТАТ
з
г
я
=
X
&
■ 1 группа
-2 группа
б
Рис. 1. Уровень активности лактатдегидрогеназы (а) и концентрации лактата (б) в покое и после нагрузки Примечание: Ф.Н. - параметры диапазона нормальных значений, представлены в методических рекомендациях к набору реактивов Vital diagnostics Spb, * - достоверность различий показателя в состоянии покоя и после физической нагрузки Р < 0.001.
Низкая активность ЛДГ в сыворотке крови спортсменов в условиях покоя может быть объяснима энергетически более экономным режимом работы мышечной ткани спортсменов, обусловленным режимом тренировок, результатом которого является накопление меньшего количества пирувата, а, следовательно, и фермента, его расщепляющего.
Поскольку максимальное накопление молочной кислоты в крови отмечается через 5-7 минут мышечной нагрузки, постольку увеличение активности ЛДГ, обеспечивающей лактатный (гли-колитический) процесс энергообразования, представляется закономерным у юношей двух групп после велоэргометрической нагрузки.
Общеизвестно, что при интенсивной работе мышцы максимально активируется анаэробный гликолиз, а образовавшийся при этом лактат диффундирует в кровь и поступает в печень, где конвертируется в глюкозу. Таким образом, образование лактата временно заменяет аэробный метаболизм глюкозы в скелетной мускулатуре. Поскольку при адаптации содержание ЛДГ в скелетных мышцах может увеличиться в 2 раза, постольку отмеченные нами различные степени увеличения активности ЛДГ в сыворотке крови представляются укладывающимися в рамки физиологической и биохимической адаптации. Однонаправленные изменения активности ЛДГ и концентрации лактата после выполнения физической нагрузки в организме юношей очевидно указывают на стабильность работы звеньев анаэробно-гликолитического механизма энергообеспечения скелетной мускулатуры. Однако в условиях физиологического покоя
максимальные значения ЛДГ и лактата у юношей, не занимающихся спортом, снизились после выполнения дозированной нагрузки до минимальных значений. Динамика изменения активности ЛДГ и концентрации молочной кислоты у юношей-спортсменов является зеркально отраженной. В условиях физиологического покоя их скелетной мускулатуры метаболическая активность характеризуется минимальным уровнем, а дозированная велоэргометрическая нагрузка «включает» механизмы срочной адаптации, о чем свидетельствуют максимальные величины ЛДГ и лактата в периферической крови.
В процессе адаптации к интенсивным мышечным нагрузкам в организме спортсмена происходит увеличение содержания ферментов, необходимых для повышения энергообразования. Спортсмены, занимающиеся скоростносиловыми видами спорта, при которых основным механизмом получения энергии является анаэробный гликолиз, имеют большую емкость запаса ЛДГ для работы в привычном режиме.
Так как молочная кислота (лактат) является конечным продуктом анаэробного гликолиза и гликогенолиза, а также субстратом глюконеоге-неза, а увеличение содержания лактата в крови отмечается при целом ряде патологических состояний, сопровождающихся усиленными мышечными сокращениями, представляется необходимым исследовать ее концентрацию в крови юношей обеих групп для получения наиболее полной картины лактатного анаэробного энергетического обмена. Концентрация молочной кислоты, конечного продукта ресин-
КРЕАТИНФОСФОКННАЗА
КРЕАТИНІ IH
200 Ч 150 -£
ъ
2 100
Е
Е
к
< 50
#
Ф.Н.
Покой
Нагрузка
• 1 группа
2 группа
б
а
Рис. 2. Уровень активности КФК (а) и концентрация креатинина (б) в покое и после нагрузки, u/л
Примечание: Ф.Н. - параметры диапазона нормальных значений, представлены в методических рекомендациях к набору реактивов Vital diagnostics Spb. * - достоверность различий показателя в состоянии покоя и после физической нагрузки Р < Q.QQ1.
теза АТФ гликолитическим путем, в крови юношей в покое имеет достоверно (Р < 0.001) минимальные значения у спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта (1.09±0.08 ммоль/л), в сравнении с группой юношей, не занимающихся спортом (1.85±0.13 ммоль/л) (рис. 2).
После нагрузки концентрация молочной кислоты увеличилась в крови юношей всех групп, но степень увеличения была различной (в первой группе в 2.4 раза, во второй группе в 8.7 раза).
Обнаруженное снижение концентрации молочной кислоты в условиях физиологического покоя у юношей, занимающихся скоростносиловыми видами спорта, свидетельствует об адаптированности и энергосбережении организма спортсменов, что связано с преобладанием аэробных механизмов в энергообеспечении жизнедеятельности.
Однонаправленное изменение концентрации молочной кислоты в двух группах свидетельствует о схожести процессов энергообеспечения организма юношей при кратковременной нагрузке. Однако различная степень увеличения свидетельствует о разнице в энергетической емкости организма юношей с различной двигательной активностью. Спортсмены, занимающиеся скоростно-силовыми видами спорта,
имеют наибольшую емкость гликолитического механизма энергообразования, что позволяет им максимально использовать более выгодный для кратковременных спуртов источник энергии АТФ, не изменяя кислотно-щелочного равновесия в мышце, которое приводит к утомлению. Исходя из данных о том, что содержание мо-
лочной кислоты в крови существенно возрастает при выполнении интенсивной физической работы, а значительные концентрации молочной кислоты в крови после выполнения дозированной нагрузки свидетельствуют о более высоком уровне тренированности при хорошем спортивном результате или о большей метаболической емкости гликолиза, большей устойчивости его ферментов к смещению рН в кислую сторону, можно предположить, что максимальные значения лактата у юношей 2-й группы характеризуют большую емкость и мощность анаэробного гликолиза у спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта. Минимальные показатели лактата после выполнения нагрузки в группе юношей, не занимающихся спортом, свидетельствуют о том, что организм, исчерпав запасы анаэробного энергообразования и максимально сместив рН в кислую сторону, снижает мощность нагрузки и переходит на аэробное энергообразование.
Анализ активности КФК, ключевого фермента биосинтеза макроэргического субстрата креатинфосфата (КРФ), в покое выявил достоверно (Р < 0.001) высокие значения в группе спортсменов, занимающихся скоростносиловыми видами спорта (159.77±6.8 и/л), относительно показателя юношей контрольной группы (121.28±5.3 и/л).
После нагрузки достоверно увеличились показатели лишь спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта (186.4±7.0 и/л).
Обнаруженное нами достоверное повышение активности креатинфосфокиназы в организме спортсменов в состоянии покоя, в срав-
нении с контрольной группой, может быть объяснено более высоким развитием их мышечной массы в сравнении с контрольной группой. Кроме того, активность КФК свидетельствовует о том, что в группе спортсменов наряду с активацией гликолиза задействован и креатинфос-фокиназный механизм энергообразования, в сравнении с юношами, не занимающимися спортом. Можно предположить, что снижение активности КФК у юношей, не занимающихся спортом, при норме около 190 и/л связано со снижением мышечной массы и малоподвижным образом жизни, что подтверждается исследованиями морфогенеза в организме юношей различной спортивной специализации [6].
Отсутствие достоверных изменений активности КФК на нагрузку у юношей 1 -ой группы, по-видимому, связано с отсутствием необходимости задействовать в больших объемах данный энзимный механизм.
Достоверное увеличение показателя КФК после нагрузки во 2-ой группе свидетельствует об увеличенной емкости фосфогенного буфера, необходимого для достижения высоких результатов в видах спорта преимущественно скоростно-силового характера. Достоверное повышение активности КФК только у юношей 2-ой группы при выполнении нагрузки явно указывает на высокие адаптивные возможности, поскольку известно, что чем выше уровень КФК, тем выше спортивная тренированность. Кроме того, являясь стабильным ферментом и обладая мембранопротекторным действием, гиперферментация по КФК является благоприятным признаком.
Анализ уровня концентрации креатинина -конечного продукта креатинфосфокиназной реакции - в состоянии покоя выявил максимальное значение в группе юношей, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта (125.3±4.2 мкмоль/л), что достоверно выше (Р < 0.001), чем в группе юношей контрольной группы (90.2±3.3 мкмоль/л).
После нагрузки достоверное увеличение показателей наблюдалось лишь в группе спортсменов (136.7±4.3 мкмоль/л).
Опираясь на авторитетное мнение Тица Н.У. [7] о прямой взаимосвязи содержания креатинина и развития мышечной ткани, обнаруженные нами данные об увеличении концентрации креатинина в крови юношей-спортсменов являются свидетельством морфологической адаптации в результате воздействия высоких физических нагрузок в юношеском периоде онтогенеза при занятиях динамическими видами спорта. Напротив, низкие концентрации креатинина
в крови юношей, не занимающихся спортом, являются свидетельством низкой метаболической активности скелетных мышц как в покое, так и после нагрузки.
Содержание креатинина в крови, после физической нагрузки, определяет функциональное состояние энергетического обмена организма. Объем мышечной ткани быстро не изменяется, уровень креатинина в крови - величина достаточно постоянная, а, следовательно, можно полагать, что максимальный уровень концентрации креатинина в покое у юношей, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта, свидетельствует о наиболее развитой мышечной ткани, повышении роли креатинфосфоки-назного энергообразования и уровня емкости креатинфосфокиназной реакции.
Полученные данные после выполнения нагрузки указывают на однонаправленный уровень увеличения концентрации креатинина у юношей двух групп, что свидетельствует о схожих, по сути, процессах адаптации организма к данным нагрузкам, путем большего вовлечения в ответ креатинфосфокиназной реакции энергообразования. Однако отсутствие достоверных изменений емкостного и мощностного показателей креатинфосфокиназной реакции в первой группе свидетельствует о невозможности включения механизмов срочной адаптации для обеспечения возросшей потребности организма в энергии при помощи этого вида энергообразования.
Заключение
Основываясь на полученных данных можно заключить, что организм спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта, в покое на фоне минимальной активности глико-литического механизма энергообразования использует креатинфосфокиназный механизм образования энергии. В организме юношей, не занимающихся спортом, в условиях покоя доминирует гликолиз на фоне низкой активности креатинфосфатного буфера.
Приспособление к нагрузкам имеет также значительные различия. В ответ на заданную нами нагрузку субмаксимальной мощности организм спортсменов, занимающихся скоростносиловыми видами спорта, максимально задействовал анаэробные источники энергии, а организм юношей, не занимающихся спортом, в достоверно меньшем объеме.
С учетом данных о механизмах анаэробного энергообразования в юношеском периоде онтогенеза на модели нагрузок субмаксимальной
мощности получены сведения, указывающие на различную степень активности креатинфосфокиназной реакции и анаэробного гликолиза при различных двигательных нагрузках. Так, в организме спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта, усилена роль кре-атинфосфокиназного механизм образования энергии, что позволяет рассматривать это как биохимические маркеры срочной адаптации. Напротив, сдвиг показателя креатинина и активности креатинкиназы до минимального уровня у юношей, не занимающихся спортом, указывает на преобладание механизма анаэробного гликолиза при получении энергии анаэробным путем.
Интересными на наш взгляд представляются взаимоотношения механизмов энергообразования у профессиональных спортсменов, занимающихся скоростно-силовыми видами спорта. Так, в условиях относительного покоя минимизирована активность анаэробного гликолитиче-ского пути, но, напротив, максимализирована метаболическая роль КФК. После выполнения нагрузки при сохранении высокой активности креатинфосфатного механизма, активируется и анаэробный гликолиз, приводящий к образованию лактата и АТФ.
У юношей, не занимающихся спортом, в условиях покоя максимально задействован механизм анаэробного гликолиза и существенно снижена, относительно группы спортсменов, метаболическая активность КФК. При выполнении дозированной нагрузки активность изучаемых двух процессов энергообразования минимальна.
С учетом роли метаболических процессов в мышечной ткани, обусловливающих и адаптивные реакции, и сам многоступенчатый процесс
адаптации, полагаем, что спортсмены, занимающиеся скоростно-силовыми видами спорта, характеризуются мобильностью систем адаптации и серьезными функциональными резервами, а юноши, не занимающиеся спортом, характеризуются неэкономичным способом достижения адаптации и снижением функциональных резервов анаэробного энергообразования.
Список литературы
1. Агаджанян Н.А., Быков А.Т., Кислицин А.Н., Труханова А.Н. Физиологическая характеристика и особенности регуляции сердечного ритма при занятиях экстремальными видами спорта // Матер. VI междунар. конф. «Современные технологии восстановительной медиины». М., 2003. С. 5-7.
2. Szasz G., Gruber W. Creatine kinase in serum: 2. Interference of adenylate kinase with the assay // Clin. Chem. 1976. V. 22. P. 650.
3. Henry R.J., Chiamori N., Berkman S. Revised spectrophotometric methods for the determination of glutamic-oxalacetic transaminase, glutamic-pyruvic transaminase, and lactic acid dehydrogenase // Amer. J. Clin. Pathol. 1960. V. 34. P. 381-387.
4. Федеральный закон от 30.03.99 N 52-ФЗ «О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения».
5. Корниенко И.А., Сонькин В.Д., Воробьев В.Ф. Эргометрическое тестирование работоспособности // Сб. науч. трудов «Моделирование и комплексное тестирование в оздоровительной физической культуре». М.: ВНИИФК, 1991. 68 с.
6. Бутова О.А., Масалов С.В., Фогель А.В., Та-булов А.Э. Конституциональный и биохимический аспекты здоровья юношей Северного Кавказа / Материалы Сателитного симпозиума 20 Съезда физиологов России // Экология и здоровье. М.: РУДН, 2008. С. 24-26.
7. Тиц Н. Энциклопедия клинических лабораторных тестов. М.: Лабин-форм, 2003. 540 с.
ADAPTATION TO PHYSICAL EXERCISE: ANAEROBIC METABOLISM OF MUSCULAR TISSUE
O.A. Butova, S. V. Masalov
We present the data on the different degree of activity of the creatine phosphokinase reaction and anaerobic glycolysis in the adolescent organism. Biochemical markers of urgent adaptation have been revealed in the body of athletes. In the body of young men who are not engaged in sports, we have found the shift of the creatinine index and creatine kinase activity to a minimum level.
Keywords: adaptation, sports, anaerobic mechanism of energy production, creatine kinase, creatinine, lactate dehydrogenase, lactate.
