CC BY
3МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СПОРТИВНОЙ ТРЕНИРОВКИ
УДК 612.12
БИОХИМИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ СПОРТСМЕНА - МЕТОД ПЕРСОНИФИЦИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ АЛЛОСТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ
Н. В. Акулич, канд. биол. наук, доцент,
Государственное учреждение «Республиканский научно-практический
центр спорта»
Аннотация
В статье обосновано включение понятия аллостаз в спортивную биохимию и проведена оценка биохимического паспорта спортсмена. Проведенный частотный анализ биохимических параметров высококвалифицированных атлетов показал, что у мужчин в 50 % случаев содержание белка составляло 70-74 г/л, а у женщин его количество 6974 г/л было у 64 % спортсменов. При этом подгруппа, имевшая более низкие значения общего белка, у мужчин составляла 11 %, а у женщин - 4 %.
В работе на основе биохимических данных предпринята попытка паспортизации спортсменов для оценки и прогноза влияния на аллостатическую нагрузку, приводящую к системной перестройке биохимических механизмов (начиная с подросткового возраста), обеспечивающих работу организма спортсмена в области, выходящей за пределы нормы. Предложено использовать показатели общего белка, альбумина и холестерина для контроля индивидуальной переносимости физических нагрузок.
ATHLETE BIOCHEMICAL PASSPORT - A METHOD OF PERSONALIZED ASSESSMENT OF ALLOSTATIC LOAD
N. V. Akulich,
Public Institution «Republican Scientific and Practical Center of Sports»
Abstract
The article justifies the inclusion of the concept of allostasis in sports biochemistry and assessed the athlete biochemical passport. The conducted frequency analysis of biochemical parameters of highly qualified athletes showed that in men in 50% of cases the protein content was 70-74 g/l, and in women - its amount of 69-74 g/l was in 64 % of athletes. However, the subgroup with lower total protein values was 11% in men and 4% in women. In this article, on the basis of biochemical data an attempt was made to passportize athletes to assess and predict the impact on allostatic load, leading to a systemic restructuring of biochemical mechanisms (starting from adolescence), providing the work of the athlete's body in the area beyond the norm. It is suggested to use indices of total protein, albumin and cholesterol to control individual tolerance to physical activity.
Введение
Для поддержания нормальной жизнедеятельности, реагирования на низкую и высокую температуру окружающей среды, на изменение барометрического давления и т. д. требуется определенный уровень метаболизма и потребление оптимального количества питательных веществ. Гомеостатические механизмы, включая структурные и функциональные изменения, позволяют человеку поддерживать физиологическую и поведенческую стабильность, несмотря на колебания условий окружающей среды [1-5].
Ежедневные стереотипные действия (умывание, приготовление еды, учеба, работа и т. д.) могут дополняться физиологическими и поведенческими реакциями на раздражители (например, физическая нагрузка), которые требуют дополнительной энергии, получаемой из окружающей среды и/или из эндогенных запасов жира, гликогена и белка. Способность спортсмена реагировать на раздражители зависит еще и от социального статуса, психоэмоционального состояния, травм и др., которые могут стать дополнительными факторами, влияющими на адаптацию к физическим нагрузкам и к энергии, необходимой для ежедневной рутинной активности (1-й тип), требуется дополнение, которое будет обеспечивать реакцию на стрессоры (2-й тип). Оба типа факторов образуют континуум с переходными состояниями, которые определяют, сможет ли человек справиться с ситуацией или запустит физиологические и поведенческие реакции; при их недостаточности это приведет к появлению симптомов «аллостатической перегрузки» [6].
Понятия «аллостаз», «аллостатическое состояние», «аллостатическая нагрузка» и «аллостатическая перегрузка» входят в базовую структуру для организации и управления жизненными циклами, но они практически не применяются в биохимии спорта, где преобладают такие концепции, как гомеостаз и общий адаптационный синдром (стресс).
Цель исследования
Цель работы состоит в обосновании включения понятия аллостаз в спортивную биохимию и оценка с его позиции биохимического паспорта спортсмена.
Результаты исследования и их обсуждение
При проведении текущих этапных обследований, а также при плановых медицинских осмотрах врачу и тренеру необходимы инструменты, обеспечивающие возможность объективной оценки здоровья и/или уровня работоспособности спортсмена. Предметом изучения лаборатории биохимии Республиканского научно-практического центра спорта являются цито-биохимические показатели крови. Коллектив лаборатории накопил большой опыт в тестировании спортсменов, что проявилось в подготовке научных статей и методических рекомендаций. Поскольку организм высококвалифицированного спортсмена представляет собой уникальный биологический объект, его функционирование происходит на границе здоровья, а в некоторых случаях - выходя за пределы нормы.
Для предупреждения развития состояния перенапряжения и перетренированности, а также для объективизации переносимости физических нагрузок 2 раза в рамках недельного микроцикла сотрудниками лаборатории биохимии проводился мониторинг биохимических показателей спортсменов национальной команды по гребле на байдарках и каноэ. При этом объективное подтверждение мнения тренера
об удовлетворительном переносе нагрузок основывалось на динамике мочевины и активности креатинфосфокиназы (КФК). Установлено, что концентрация мочевины крови спортсменов в вечернее время может достигать 15 ммоль/л, а об удовлетворительной способности переносить нагрузки сообщает снижение ее концентрации после 44 часов отдыха по сравнению с 20 часами отдыха.
Для уточнения переносимости нагрузок проводится оценка активности КФК, и, несмотря на выраженные индивидуальные особенности, отмечены определенные закономерности. Так после отпуска активность КФК минимальна и находится на верхней границе нормы (200 Е/л). У некоторых спортсменов этот показатель несколько выше - 300-350 Е/л. Однако есть индивидуальные особенности у представителей обоих полов, при этом активность КФК находится на уровне 100 Е/л и даже менее.
В ходе тренировочного процесса у лиц с исходно высоким уровнем КФК прирост активности может не превышать 100 Е/л (прирост в 1,5-2 раза). У лиц с исходно высоким уровнем активности КФК прирост может составить 2000-3000 Е/л.
Таким образом, установленные индивидуальные биохимические особенности высококвалифицированных спортсменов предполагают как использование персонифицированного подхода к оценке переносимости тренировочных нагрузок, так и оценку биохимических параметров с позиции аллостаза.
Термин «аллостаз» был введен Стерлингом и Эйером в 1988 году, и он означает «достижение стабильности посредством изменений». Аллостаз относится к процессу, который поддерживает гомеостаз, но «целевые значения» и другие границы контроля аллостаза могут меняться для сохранения основной единицы живых организмов - клетки [1]. При этом концентрации сигнальных молекул, активность ферментов, состояние внутренней среды в целом может и должно отличаться от значений нормы. Например, для увеличения потребности в образовании АТР необходимо изменить (выше гомеостатической константы) концентрацию глюкозы крови, в последующем содержание глюкозы крови изменяется в зависимости от физических нагрузок, действия других раздражителей, запасов гликогена. В частности, такие колебания позволяли спортсмену национальной команды Л. функционировать в широком диапазоне концентрации глюкозы: от 1,8 в покое до 7,4 ммоль/л (собственные данные) в рамках недельного микроцикла, при этом обеспечивается полноценное функционирование клеток.
При увеличении продолжительности выполнения физической нагрузки или/и ее интенсивности требуется увеличение энерготрат, а поскольку АТР в клетках не запасается, то для его ресинтеза необходимо наличие жирных кислот и глюкозы крови, причем при нагрузке выше 65 % от МПК глюкоза является основным источником образования АТР [7].
Эффективность соединений для продукции энергии различна, и для кретинфосфата она составляет 9,0 мМ/кг/с, анаэробный гликолиз позволяет получить 4,0 мМ/кг/с, аэробный - 2,0 мМ/кг/с.
Наименее эффективным является процесс окисления жиров, который в максимуме позволяет получить менее 2,0 мМ/кг/с ATP (в некоторых учебниках приводится величина 1,0 мМ/кг/с [3]), и переход на жирные кислоты при истощении гликогена приводит к замедлению передвижения спортсмена. На рисунке 1 приведена схема, показывающая
преимущественное использование источников энергии при беге на различные дистанции в условиях соревнований.
Рисунок 1 - Зависимость между источниками энергообеспечения и скоростью бега
Определяющим признаком аллостатической нагрузки можно охарактеризовать состояние, при котором клеткам и тканям для поддержания гомеостаза необходимо запускать различные адаптационные реакции для увеличения притока крови. Высокое парциальное давление кислорода (гипероксия) на этапе реоксигенации может приводить к оксидативному стрессу, а рост активных форм кислорода, ацидоз и повышение температуры «ядра» являются наиболее вероятными причинами роста содержания креатинфосфокиназы плазмы [8]. Даже «хронический» стресс, вызванный проживанием в городе, характерен более высоким уровнем активности креатинфосфокиназы. Ее биологическое значение состоит в адаптации к аллостатическим нагрузкам, и за пределами клетки она принимает участие в образовании креатинфосфата, обладающего способностью к репарации мембран (рисунок 2).
Рисунок 2 - Схема участия креатинфосфата в мышечном сокращении
Известно, что для реакции «креатин+MgATP2 ^ креатинфосфат+МgАDP+Н+» требуется кислород, и в его отсутствие ресинтез ATP не происходит. В этих условиях возрастает роль анаэробного гликолиза, который преобладает в механизмах энергообеспечения у легкоатлетов в беге на дистанциях 200-800 метров и при работе на уровне 65 % МПК в процессе тренировки. Если при этом будет недостаточное поступление углеводов либо
их интенсивное расходование, то это приведет к углеводной недостаточности (аллостатическая нагрузка). При этом относительный углеводный дефицит может быстро восполняется за счет резервов организма без негативных последствий, не приводя к аллостатической перегрузке. Последняя развивается при длительном дефиците питания, а наиболее чувствительными являются клетки нервной и мышечной ткани, которые потребляют большую часть энергии. При нехватке углеводов для восполнения энергии начинают использоваться жиры и белки, что может вызывать аллостатическую перегрузку и привести к нарушению гомеостаза. При этом использование углеводов невозможно при дефиците белка, поскольку нарушается их биокаталитическая функция (гликолиз требует не менее 20 ферментов).
На рисунке 3 показана схема, на которой аминокислоты (основной компонент белков) могут превращаться в глюкозу с последующим ее окислением.
Рисунок 3 - Использование аминокислот для энергообеспечения
И в таком случае правомерно рассуждать о белковом дефиците при многочасовых или/и нагрузках, которые не прерываются достаточным периодом восстановления. Более того, можно говорить и об избыточном (аллостатическая нагрузка) функционировании митохондрий,
обеспечивающих образование огромного количества ATP у спортсменов. При этом происходят процессы михондриальной перестройки, когда в результате циклов гипоксии-реоксигенации, возникающих при физической нагрузке и восстановлении, активные формы кислорода (АФК) вызывают апоптоз в наиболее реактивных клетках, запуская положительную цитоселекцию, в которой погибают клетки с низкой устойчивостью к гипоксии/реоксигенации, и начинают преобладать миоциты (основная мишень действия АФК), устойчивые к изменениям напряжения кислорода в межклеточной среде. Так нами показано, при гипоксии, сопряженной с ишемическими и гипоксемическими нарушениями, изменяется роль митохондрий кардиомиоцитов, и развиваются нарушения в их
функционировании. Выраженное расстройство микроциркуляции и генерализованное воспаление лежат в основе критических состояний при инфаркте миокарда, сопровождающихся значительными изменениями в метаболизме [9], приводя к апоптозу. При этом установлено, что одной из причин, лежащих в основе гибели кардиомиоцитов в ишемических участках сердца, является реперфузия миокарда, инициирующая каспазнезависимый апоптоз кардиомиоцитов с участием эндонуклеазы G митохондрий [10, 11].
Известно, что уровень белка - жесткая генетическая константа, и снижение его содержания в плазме происходит после расходования депо в тканях. В руководстве Overtraining Syndrome in Athletes [4] авторами делается вывод, что «синдром перетренированности является результатом сочетания недостаточного потребление калорий и белка, неполноценного сна, отсутствия компенсаторного снижения тренировочной нагрузки (в случае дефицита калорий и белка) и одновременные интенсивные физические и когнитивные нагрузки». В распоряжении автора имеется результат биохимического анализа, проведенного в лаборатории Парижа, спортсмена, принимавшего участие в Олимпийских играх в 2024 году. Обращает на себя внимание тот факт, что нижний уровень белка, установленный как референсный в лаборатории, равен 75 г/л, что значительно отличается от референтных значений, принятых для взрослой популяции в мире и в Республике Беларусь в частности. В тоже время, анализ данных литературы о содержании общего белка спортсменов ряда стран указывает на иные значения, превышающие 70 г/л [12].
В программном документе Международного общества спортивного питания (International society of sport nutrition - ISSN) заявляется, что спортсмены должны употреблять больше белка, чем рекомендуемая суточная норма (0,8 г/кг массы тела), - более 1 г/кг массы тела, а спортсмены, выполняющие силовые тренировки, - 1,4-2 г/кг массы тела, поскольку интенсивные тренировки с отягощением повышают скорость синтеза и разрушения белка мышц [13, 14].
Считается, что увеличение потребления белка до 1,6-2,4 г/кг массы тела является эффективным при дефиците энергии, а также если есть необходимость в снижении жировой массы. Для оценки содержания белка нами проведен анализ биохимических параметров крови спортсменов (данные более 1000 спортсменов обоего пола), находящихся под наблюдением в РНПЦ спорта (спортсмены национальных и сборных команд) и Могилевском областном диспансере спортивной медицины (детско-юношеский спорт), который показал, что дети и подростки, занимающиеся спортом, имеют достоверно более низкие значения общего белка и альбумина сыворотки крови по сравнению с контрольной группой детей и подростков, не занимающихся спортом. Обращает на себя внимание факт прироста белка и альбумина по мере взросления детей и подростков контрольной группы, что типично для нормального процесса формирования организма. У спортсменов выявлена иная закономерность: отсутствие прироста уровня белка и альбумина сыворотки с 12 и до 18 лет. С изменениями уровня белка и альбуминов у подростков были связаны изменения содержания мочевины (Urea) и у-глутамилтрансферазы (ГГТ). В частности, в контрольной группе количество Urea более чем на 20 % превышало значения подростков основной группы соответствующего возраста. Активность ГГТ у подростков
основной группы была значительно снижена (1,3-1,5 раза), что характерно для анаболическх процессов, прежде всего, в мышцах.
Частотный анализ биохимических параметров (2023-2024 гг.) высококвалифицированных атлетов показал (рисунок 4), что у мужчин в 50 % случаев содержание белка составляло 70-74 г/л, а у женщин его количество 69-74 г/л было у 64 % спортсменов. При этом подгруппа, имевшая более низкие значения общего белка, у мужчин составляла 11 %, а у женщин 4 - %. Только по данным 2023-2024 гг. более чем у 50 мужчин (из 716 обследуемых) были низкие значения общего белка (эталонной считается величина 72 г/л [15]).
50 г
45
40
л
ш рд 35
с; (О 30
го
-Ь 25 ■
о
т 20
н о
ш
J 15 ■
с;
о 10
5
0^
110 г 100 90
^
¡и 80
70
2 с;
ю
го 60
50 40
0 ш
ь
<и
1 30 о
* 20
63 66 68 70 72 74 76 78 80 82
10 0
65 67 69 71 73 75 77 79 81 85
Рисунок 4 - Частотный анализ содержания белка (ось X, г/л) женщин (левый фрагмент) и мужчин, проходящих обследование в РНПЦ спорта в 2023-2024 гг.
Таким образом, в результате анализа данных о содержании белка сыворотки спортсменов Республики Беларусь получены сведения о возможном белковом дефиците, что создает предпосылки для проведения их паспортизации для оценки и прогноза влияния на аллостатическую нагрузку, приводящую к системной перестройке биохимических механизмов (начиная с подросткового возраста). Паспортизация должна включать этапный биохимический контроль с обязательными данными спортсменов после завершения переходного периода, который будет отражать минимальную аллостатическую нагрузку, вызванную тренировочным процессом (базовая линия для всех последующих исследований). Обязательными компонентами биохимического паспорта должны являться наиболее важные гомеостатические константы (общий белок, альбумин, холестерин как источник стероидных гормонов), которые не подвергаются статистически значимым колебаниям в течение микроцикла.
Заключение
В работе на основе биохимических данных, полученных в рамках этапных осмотров, предпринята попытка паспортизации спортсменов для оценки и прогноза влияния на аллостатическую нагрузку, приводящую к системной перестройке биохимических механизмов (начиная с подросткового возраста), обеспечивающих работу организма спортсмена в области, выходящей за пределы нормы. За счет этих приспособительных
(аллостатических) изменений происходит смещение гомеостатических констант, изменение функционирования организма, что обеспечивает иной характер физиологических реакций, не переходящих в перегрузку и предупреждающих развитие патологии. Используемый подход к анализу реакции на физическую нагрузку с позиции аллостаза (учет особенностей биохимических механизмов протекания восстановительных процессов) заключается еще и в том, что он позволяет учитывать межтренировочный интервал, а при его недостаточности, предупреждать срыв адаптации.
Таким образом, для контроля индивидуальной переносимости нагрузок рекомендуется использование такого интегрального гомеостатического параметра, как общий белок в сочетании с содержанием альбуминов и холестерина.
Список использованных источников
1. Акулич Н. В. Гомеостазис: анализ концепции с позиции межклеточных взаимодействий / Н. В. Акулич, Н. Г. Кручинский. - Могилев: Могилевский государственный университет им. А.А. Кулешова, 2004. - 176 с.
2. Diagnosing overtraining in athletes using the two-bout exercise protocol / R. Meeusen [et al.] // British Journal of Sports Medicine. - 2010. - Vol. 44, № 9. - P. 642-648.
3. Hultman E. Biochemistry of muscle fatigue / E. Hultman, L. L.Spriet, K. Soderlund // Biomed Biochim Acta. - 1986. - Т. 45, № 1-2. - Р. S97-106.
4. Kreher J. B. Overtraining syndrome: a practical guide / J. B. Kreher, J. B. Schwartz // Sports Health. - 2012. - Т. 4, № 2. - Р. 128-138.
5. Robergs, R. A. Biochemistry of exercise-induced metabolic acidosis / R. A. Robergs, F. Ghiasvand, D. Parker // American Journal of Physiology-Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. - 2004. - Vol. 287, № 3. -P. R502-R516.
6. McEwen, B. S. The concept of allostasis in biology and biomedicine / B. S. McEwen, J. C. Wingfield // Hormones and Behavior. - 2003. - Vol. 43, № 1.
- P. 2-15.
7. MacLaren, D. Biochemistry for sport and exercise metabolism : Wiley SportTexts series / D. MacLaren, J. Morton // Chichester: Wiley-Blackwell, a John Wiley &Sons, Ltd., Publication, 2012. - 249 с.
8. Акулич Н. В. Участие монооксида азота в адаптации эритроцитов к гипоксии/реоксигенации / Н. В. Акулич, В. В. Зинчук // Актуальные проблемы общей и клинической биохимии - 2023: сборник материалов республиканской научно-практической конференции. - Гродно: ГрГМУ, 2023.
- С. 144-146.
9. Кардиопротективное действие ишемического посткондиционирования у пациентов с ОИМ и подъемом сегмента ST / А. В. Гореликов [и др.] // Кардиология в Беларуси. - 2019. - Т. 11, № 2. - С. 237264.
10. Акулич Н. В. Апоптоз кардиомиоцитов: роль эндонуклеаз (экспериментальное исследование) / Н. В. Акулич, А. В. Сорока, В. Э. Сяхович // Весшк Маплёускага дзяржаунага ушверсггэта iмя А. А. Куляшова. Серыя
B. Прыродазнаучыя навукк Матэматыка, фiзiка, бiялогiя. - 2018. - № 1(51). -
C. 74-82.
11. Endo G Translocation and Cardiomyocyte Mitochondrial Potential Decrease after Myocardium Ischemia / N. V. Akulich [et al.] // Science.
Innovation. Production: Collection of materials of the 3rd Belarusian-Korean Forum. - Minsk, 2014. - P. 32-33.
12. Different Training Sessions Impact on Serum Protein Profile of Saudi Professional Soccer Players / G. O. Alshuwaier [et al.] // Nigerian Journal of Clinical Practice. - 2022. - Vol. 25, № 8. - P. 1287-1294.
13. Phillips, S. M. Protein "requirements" beyond the RDA: implications for optimizing health / S. M. Phillips , S. Chevalier, H. J. Leidy // Appl. Physiol. Nutr. Metab. - 2016. - Vol. 41, № 5. - P. 565-572.
14. Whole-body net protein balance plateaus in response to increasing protein intakes during post-exercise recovery in adults and adolescents / M. Mazzulla [et al.] // Nutr Metab (Lond). - 2018. - Vol. 15, № 1. - P. 62.
15. Фокина, Е. Г. Биохимический паспорт человека: 6 субстратов и 6 ферментов / Е. Г. Фокина, И. М. Рослый // Врач. - 2014. - № 7. - С. 6-12.
19.09.2024
