Биохимия в практике спорта

Индекс насыщения кислородом (индекс гипоксии) – лактат / пируват. Норма – 10–15. Повышение больше 18 – выраженная гипоксия.

Аэробный механизм энергообеспечения

Выработка энергии при физической нагрузке повышает потребность организма в кислороде (рО2), что отображается в следующем:

Скорость кровотока во время физической нагрузки повышается, начинают функционировать запасные капилляры, полноценно функционировать вся микроциркуляционная сеть.

Гематокрит (Ht) увеличивается до определенных пределов; увеличивается способность крови транспортировать кислород к тканям. Оценивается состояние кровообращения в микроциркуляторном русле и определяются факторы, затрудняющие доставку кислорода в ткани.

Гемоглобин (Hb). Его количество и увеличение отражают адаптацию организма к физическим нагрузкам. Насыщение железом эритроцитов возрастает. Меняется содержание и концентрация гемоглобина в эритроците и в их популяции.

Эритроциты – меняется количество, размеры, форма и разновозрастность.

Ретикулоциты – количество увеличивается.

Железо (Fe) – его количество увеличивается.

Трансферрин – увеличивается.

Ферритин снижается за счет мобилизации из депо.

Креатин. Увеличивается концентрация в эритроцитах (специфический признак гипоксии), что свидетельствует об увеличении числа молодых клеток (ретикулоцитов), т. е. о стимуляции эритропоэза.

Липидный метаболизм усиливается.

Триглицериды и жирные кислоты. Увеличивается количество.

Перекисное окисление липидов (ПОЛ) увеличивается.

Супероксиддисмутаза снижается.

Источниками энергетических субстратов аэробного окисления являются глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты (при отсутствии других источников) и промежуточные метаболиты гликолиза молочной кислоты, кетоновые тела.

При правильном энергообеспечении организма спортсмена происходит адаптация к значительным физическим нагрузкам, которая делится на два этапа – срочную и долговременную адаптацию. Как правило, срочная адаптация сочетает катаболические и анаболические фазы, долговременная адаптация проходит в основном в фазе анаболизма и заканчивает подготовку к соревнованиям. Взаимодействие и взаимопроникновение этих фаз обмена повышает работоспособность спортсмена и готовит его организм к соревнованиям.

Соревнование характеризуется катаболическими процессами, и успешность его зависит от успешности долговременной адаптации и накопленных (запасенных) резервов. По сути, во время соревнований спортсмены меряются уровнем адаптационных процессов и резервов. А при равных возможностях – и психоэмоциональными (волевыми) качествами.

Катаболические процессы: замедляется анаболизм (в основном синтез белка); вовлекается в энергообеспечение запасенный гликоген в любом режиме (стимулируется катехоламинами); повышается скорость тканевого дыхания и образования АТФ; повышается скорость окисления жирных кислот и образование продуктов распада, используемых в энергоснабжении организма. Катаболическая фаза начинается в момент тренировки и продолжается какое-то время после нее.

Далее начинаются процессы восстановления и, соответственно, анаболические реакции. Если спортсмен к следующей тренировке (после отдыха) не готов выполнить тренировочную нагрузку, значит он не восстановился, и катаболические процессы все еще преобладают. И следовательно, не имеет смысла предлагать следующую, текущую физическую нагрузку, а надо с помощью инструментальных средств (в т. ч. биохимии) тщательно разобраться в причинах.

Анаболические процессы: ускорение синтеза белка, увеличение количества органоидов в клетках миофибрилл, и как следствие – гипертрофия мышц; совершенствование (улучшение) процессов регуляции – эндокринных, неврологических, психоэмоциональных; создание устойчивости биохимических сдвигов организма и эффекта суперкомпенсации.

2.2. Срочный биохимический контроль в спорте

Те или иные виды применяемого биохимического контроля зависят от периода тренировочного процесса, планируемого конечного результата.

Понятно, что первоначальное обследование (базовое) проводят при начале спортивного сезона. Это УМО – углубленное медицинское обследование, которое включает не только наиболее расширенное биохимическое обследование, но и другие виды исследований.

Далее следует этапное обследование (ЭКО).

Чаще всего прибегают к текущему обследованию (ТО).

Последнее выполняется в зависимости от поставленных задач в микроцикле, периоде; определяется кратность, содержание и регулярность проведения анализов; решаются задачи текущего времени, что позволяет контролировать текущий отрезок тренировки в части сдвигов и глубины биохимических процессов, их направленность.

Для членов сборных команд регламентирующими документами предлагается оценка уровня здоровья и объема физической нагрузки (см. Приложение 3).

В то же время, спортсмены-любители (физкультурники) не имеют представления, какие лабораторные показатели следует использовать для оценки уровня тренированности. Эти спортсмены, которых становится все больше, тренируются самостоятельно, используя в качестве пособия наиболее популярные тренировочные интернет-программы, или с ними занимается на коммерческой основе тренер по так называемой «удаленно-дистанционной» программе. Последний в лучшем случае присутствует и наблюдает спортсмена в тренировке 1–2 раза в месяц. Чаще всего тренер не видит спортсмена ни до, ни во время и ни после достаточно интенсивной физической нагрузки, не имеет четкого представления об уровне его здоровья и тренированности, ориентируется только на отчет спортсмена о самочувствии и на его спортивные достижения. Вместе с тем в настоящее время возрастает количество соревнований для спортсменов любителей, которые организаторы проводят с бизнес-целями.

Нам видится важным дать представление о наборе необходимых лабораторно-биохимических исследований в тренировочном процессе для информирования тренера и спортсмена-любителя и профессионала – о движении в уровне адаптации/дезадаптации организма к физической нагрузке.

Важно умение управлять качеством тренировки, интенсивностью и плотностью тренировочного процесса, тренировочного стимула. Организм нужно приучать к режиму работы и отдыха (восстанавливаться). На самом деле, восстановление – это 60 % успеха спортсмена.

Состояние спортсмена в микроцикле, его восстановление, помимо функциональных проб, отображают молочная кислота (La – лактат), мочевина, КФК.

Чаще всего на практике во время интенсивных тренировок или контрольных тестов используют определение в периферической крови уровня молочной кислоты, глюкозы, и на следующий день после дня отдыха – мочевины. Определение содержания мочевины в крови производится утром в состоянии покоя натощак.

Молочная кислота может определяться с достаточной точностью в полевых условиях бытовым прибором – лактометром. Уровень глюкозы – глюкометром. С молочной кислотой все понятно – на максимуме интенсивности она максимальна, но, согласно современным представлениям, должна при адекватных возможностях спортсмена нормализоваться, переходя из сосудов в ткани за 0,5–1,5 ч и нейтрализуясь в тканях за 12–36 ч.

1. Интенсивная работа скелетных мышц (особенно в начале занятий у нетренированных лиц или после длительного перерыва) сопровождается накоплением молочной кислоты в мышцах. Проявляется болями в нагружаемых мышцах.

Процесс течет так: тканевая гипоксия – лактоацидоз (повышение La) – изменение КОС (рН).

Уровень лактата, способствующий развитию качеств:

– меньше 2,5 ммоль/л – компенсирующая нагрузка;

– 2–4 ммоль/л – стабилизирующие и экономизирующие аэробные возможности;

– 4–7 ммоль/л – развитие МПК;

– больше 8 ммоль/л – анаэробный гликолиз.

2. Достоверным и информативным показателем переносимости тренировочных и соревновательных нагрузок, средством контроля восстановления после тяжелой физической работы в микроцикле является исследование крови на мочевину. По изменению постнагрузочного содержания мочевины в крови выделяют три типа реакции организма на нагрузку:

Первый. Объем нагрузок и содержание мочевины находятся в прямой зависимости, что указывает на сбалансированность катаболических и анаболических процессов и свидетельствует о соответствии тренинга резервным возможностям спортсмена.

Второй. Неадекватно большая нагрузка приводит к парадоксальному уменьшению уровня мочевины, иногда ниже исходного уровня. Эта корреляция расценивается как необходимость предоставить больше времени на восстановительные процессы. Как правило, сопровождается неудовлетворительным общим самочувствием.

Третий. Зависимости между изменением нагрузок и содержанием мочевины не наблюдается. Уровень мочевины выше стандартной нормы держится дольше трех дней и более. Количество мочевины, как правило, увеличивается и далее, независимо от величины последующих нагрузок. Выявляет несоответствие функциональных возможностей организма предъявляемым нагрузкам, – как реакция на нагрузки ударные, высокоинтенсивные.

Иногда увеличение содержания углеводов в пищевом рационе спортсмена может нормализовать содержание мочевины крови. Избыток же потребления белковых продуктов приводит к обратному результату.

* * *

Предложенный набор анализов соответствует тому минимуму, который возможен в качестве контроля за объемом и интенсивностью физической нагрузки.

Следующий этап – расширенный набор анализов для контроля объема физической нагрузки.

Биохимия крови: КФК, аммиак, ЛДГ, миоглобин, ферритин. Дополнительно – магний, калий, общий белок, холестерин, триглицериды.

Гормоны: кортизол, тестостерон, индекс кортизол/тестостерон, инсулин. Дополнительно – АКТГ, СТГ, Т4, дофамин.

Общий анализ мочи:

– удельный вес – повышение (концентрированная моча).

– наличие белка – 0,5–1,5 % обозначает значительную мощность и длительность физической нагрузки. Норма – отсутствие белка в моче.

Наличие кетонов, глюкозы – патология.

Биохимический и лабораторный контроль нагрузки в спорте

При оценке адекватности физических нагрузок подготовленности спортсмена в период интенсивных занятий спортом стоит задача оценки работы внутренних органов и систем, обеспечивающих деятельность организма, и состояния мышечной ткани. В качестве критериев использутся биохимические показатели функционирования основных органов.

Контроль интенсивности физической нагрузки.

Общий анализ крови:

– количество эритроцитов – снижение;

– гемоглобин – снижение;

– ретикулоциты – повышение;

– гематокрит – повышение показателя;

– количество лейкоцитов – снижение или повышение.

Общая КФК – повышение должно быть умеренным. При резком и высоком повышении (глубокая недостаточность кровоснабжения мышц) необходимо проверить миокардиальную фракцию КФК-МВ (контроль сердечной мышцы). При выявлении повышенных уровней КФК-MB или значительном и резком увеличении концентрации миоглобина на фоне тренировок необходимо сразу же назначить тест на тропонин (количественный) для выявления возможной патологии миокарда.

Для диагностики хронической сердечной недостаточности определяется уровень BNP (натрийуретический гормон). Производится коррекция нагрузок.

ЛДГ и ACT – оценка состояния сердечной мышцы и скелетной мускулатуры.

Электролитный баланс (Na, К, Cl, Са, Mg). При недостатке – фармакологическая, диетическая коррекция. При увеличенном количестве – диетическая коррекция.

Миоглобин. Значительное увеличение концентрации миоглобина в крови наблюдается при повреждении клеток скелетных мышц. При деструкции мышц он выявляется и в моче. Необходим контроль уровня лактата и кислотно-основного состояния. Производится коррекция тренировочных нагрузок.

Чаще всего гипоксия возникает в несоответствии между запросами и их удовлетворением. Чтобы в полной мере удовлетворить запросы необходимо повысить содержание железа, витамина В12 и фолатов. При этом важен контроль гематокрита, количества эритроцитов (в пределах допустимых правилами WADA). Синтез и распад эритроцитов контролируется и уровнем билирубина. Назначается соответствующая коррекция.

Анализы мочи и контроль нагрузки в спорте

С мочой выводятся многие конечные и промежуточные продукты обмена жизнедеятельности, гормоны, витамины, электролиты, бактерии, избыток воды.

Реакция мочи (pH) находится в прямой зависимости от КОС. При метаболическом ацидозе кислотность мочи увеличивается (pH до 5), а при метаболическом алкалозе снижается (pH до 7).

Глюкоза. Появление глюкозы в моче при физических нагрузках свидетельствует об интенсивной мобилизации гликогена печени. Постоянное, стойкое наличие глюкозы в моче требует поиска патологии, не связанной со спортом.

Кетоновые тела. В норме кетоновые тела в моче отсутствуют. При накоплении в крови кетоновых тел (кетонемия) более 10–15 мг%, они преодолевают почечный порог и появляются в моче. Кетонурия может появляться при физических нагрузках большой мощности или длительности их. Также наблюдается при голодании, ограничении или исключении углеводов из рациона питания. Постоянное обнаружение кетоновых тел в моче всегда указывает на развитие патологии.

Белок. В срочных постнагрузочных порциях мочи однонаправленно изменяется содержание белка и выщелоченных эритроцитов. Прирост содержания белка проявляется в адекватном увеличении его количества соответственно увеличению супернагрузки.

Наблюдается стабильная микроальбуминурия у значительной части спортсменов высокой квалификации, специализирующихся в видах спорта на выносливость, причем даже при длительном постнагрузочном отдыхе. Микроальбуминурия отражает метаболические нарушения в стенке сосудов почек.

В норме в суточном количестве мочи человека, не находящегося под физической нагрузкой, содержится 50 мг белка.

Соли в моче. Состав солей в постнагрузочных порциях мочи в отдельных случаях не соответствует ее pH.

Креатин. Обнаружение креатина в моче может использоваться как тест для выявления перетренированности и патологических изменений в мышцах. Дефицит фосфокреатина и увеличения креатина, которое нарастает к концу интенсивной тренировки, приводит к утомлению.

3-метилгистидин – специфический метаболит мышечных белков. Усиленный катаболизм мышечных белков, затрагивающий скелетную мускулатуру, может быть измерен по выделению с мочой 3-метилгистидина.

Креатинин. Суточное выделение его с мочой относительно постоянно для человека и зависит от мышечной массы его тела. По содержанию креатинина в моче можно косвенно оценить скорость креатинфосфокиназной реакции, а также содержание мышечной массы тела.

Степень выраженности срочных и отставленных постнагрузочных изменений состава мочи отражает преимущественно индивидуальную реакцию системы мочевыделения на физические нагрузки.

2.3. Биохимия скоростно-силовых качеств

Тренировочные занятия, направленные на развитие силы, мощности или скорости, оказывает незначительное влияние (или не оказывает вообще) на аэробные возможности и вызывают относительно небольшие адаптационные изменения в сердечно-сосудистой системе. Это находится в соответствии с принципом специфичности спортивной тренировки. Относительно кратковременные физические нагрузки с отягощениями либо спринт, которые требуют проявления высокого уровня анаэробного метаболизма, вызывают специфические изменения в немедленной (АТФ и КФ) и короткоотставленной (гликолиз) системах энергообеспечения, улучшают спринтерские способности. К гликолизу относится увеличение максимальной мощности мышечных сокращений, количества производимой за короткий промежуток времени интенсивной работы, а также увеличение продолжительности выполнения высокоинтенсивных физических упражнений (скоростной выносливости).

Один из существенных моментов, определяющих мышечную силу, – режим работы мышц:

– преодолевающий режим работы – при преодолении внешнего сопротивления мышцы сокращаются и укорачиваются;

– уступающий режим – мышцы при напряжении удлиняются;

– статический (изометрический).

Преодолевающий и уступающий режимы объединяются понятием динамического режима. Вместе с тем очень часто возникает ситуация, когда человеку приходится проявлять силу без изменения длины мышц. Такой режим их работы называется изометрическим или статическим. Наибольшую силу мышцы проявляют в статическом режиме, хотя в целом для организма этот режим оказывается самым неблагоприятным.

Сила, развиваемая мышцей, в основном зависит:

1) от ее физиологического поперечника;

2) активирующего влияния со стороны ЦНС;

3) соотношения в ней двух основных типов волокон: сильных и быстрых – белых (тип II), выносливых и медленных – красных (тип I);

4) от внешних биомеханических условий (например, от показателей телосложения, индивидуальных особенностей техники выполнения упражнений), а также от некоторых других внешних и внутренних особенностей.

Анаэробные возможности можно оценить непрямым стендовым способом. Определяется величина кислородного долга после бега на «бегущей дорожке» до отказа. Спринтерская тренировка способствует увеличению анаэробных возможностей. Кратковременная высокоинтенсивная тренировка оказывает незначительное влияние (или совсем не оказывает влияния) на композиционный состав мышечных волокон.

Исследования мышц спортсменов, занимавшихся силовыми видами спорта, показало, что мышечных волокон у них было не больше, чем у нетренированных лиц.

Анализ мышечных биоптатов, полученных до и после тренировки с отягощениями, которая способствовала увеличению мышечной силы, показал увеличение внутримышечной концентрации АТФ, КФ и гликогена. Показатели концентраций в мышечных образцах отражают относительное их увеличение в волокнах типа II. Согласно имеющимся данным, эти волокна в состоянии покоя имеют более высокие концентрации фосфагена и гликогена по сравнению с волокнами типа I. После такого типа тренировки запасы мышечного гликогена повышались, что не удивительно, поскольку гликоген служит важным энергетическим источником, используемым при повторных выполнениях спринтерских упражнений.

В случае, когда в результате спринтерской тренировки беговые спринтерские возможности улучшались, это сопровождалось увеличением обращаемости АТФ благодаря повышению вклада анаэробного гликолиза в энергообеспечение. Количество и активность ферментов, задействованных в гликолитическом пути (например, фосфофруктокиназа), постоянно проявляют тенденцию к возрастанию под влиянием как спринтерской, так и силовой тренировки с наиболее выраженными изменениями в волокнах типа II. Однако степень этих изменений не столь велика, как в отношении окислительных ферментов при аэробной тренировке, направленной на развитие выносливости. Активность ЛДГ у тяжелоатлетов высокой квалификации в волокнах типа II была на 62 %, а в волокнах типа I – на 50 % выше по сравнению с мужчинами, ведущими малоподвижный образ жизни (Р. Мохан, 2001).

Различий в миокиназной активности в волокнах типа I между тяжелоатлетами и испытуемыми контрольной группы отмечено не было, тогда как в волокнах типа II у первых она оказалась на 40 % выше.

В отношении изменений, касающихся аэробных (митохондриальных) ферментов, отмечается значительная гипертрофия волокон, в которых происходит снижение активности окислительных энзимов и цитохромов, связанное с увеличением площади поперечного сечения мышечных клеток (преимущественно волокон типа II), без адаптивного повышения количества митохондрий. У тренирующихся в видах спорта, требующих проявления силовых возможностей, количество капилляров может оставаться неизменным за счет большей их поверхности, которая обусловливает снижение капиллярной плотности, приходящейся на единицу площади сечения.

Под влиянием тренировочных занятий анаэробной направленности при выполнении физических упражнений максимальной интенсивности концентрация лактата в крови достигает более высоких значений с более высоким содержанием внутримышечного гликогена и ферментов гликолиза. Напряженная тренировка требует значительной мотивации и толерантности к болевым ощущениям, возникающим в результате метаболического ацидоза из-за повышения уровня лактата в крови.

Повышение способности мышц к буферированию протонов, накапливающихся в связи с накоплением лактата, имеет немаловажное значение. Волокна типа II характеризуются высокими буферными возможностями, поэтому их увеличение по сравнению с волокнами типа I указывает на повышение этой способности. Значительное увеличение в мышцах физико-химического буферирования после выполнения тренировочных программ (если буферная способность рассчитывается на основании показателей рН и содержания лактата), определяемое после физической нагрузки, под влиянием спринтерской тренировки возрастает.

Повышение мышечной силы в течение первых нескольких недель тренировочных занятий, направленных на развитие силовых возможностей, способствует нейтральному «растормаживанию», приводящему к полной активации двигательных единиц и мышечных групп. Первоначальный быстрый прирост силы, отмечаемый на первых этапах тренировочного процесса, оказывается не связанным с увеличением размеров мышц и площади их физиологического поперечника.

Более продолжительная и напряженная тренировочная программа, направленная на развитие силовых возможностей, приводит к гипертрофии мышц и дальнейшему приросту их силы. Последний эффект весьма важен, поскольку в работающих мышцах он способствует снижению доли проявления их максимальной сократительной активности при физической нагрузке. Увеличение мышечной массы означает, что большее количество мышечной ткани задействовано в выполнении работы, в результате которой повышаются предельная мощность и общая энергопродукция анаэробных систем.

Метаболические изменения, происходящие в организме под влиянием аэробной тренировки, направленной на развитие выносливости, достаточно широко изучены в лабораторных условиях. Следует учитывать, что эти эффекты специфичны для мышц, задействованных в реализации тренировочной программы, особенно для отдельных типов мышечных волокон, рекрутированных в выполнение физических упражнений.

Вполне очевидно, что очень высокоинтенсивные тренировочные занятия требуют активации волокон типа IIб.

Адаптация мышц к силовой тренировке происходит при следующих изменениях:

Гипертрофия мышечных волокон.

Увеличение площади анатомического поперечника.

Повышение содержания КФ и гликогена.

Повышение гликолитической способности.

Улучшение буферных свойств мышц.

Снижение (оптимальное) митохондриальной плотности.

Повышение способности к выполнению физических упражнений высокой интенсивности.

2.4. Биохимия выносливости

Значительные тренировочные воздействия, включающие выполнение физических упражнений на уровне 50–80 % максимального потребления кислорода (VO2max) в течение длительного периода, несколько раз в неделю, вызывают в организме адаптационные изменения, улучшающие функциональные возможности, связанные с доставкой кислорода, его поступлением в ткани и утилизацией.

Возможность поддерживать выполнение пролонгированных физических упражнений зависит от соответствия скорости утилизации АТФ скорости его ресинтеза в активных мышечных волокнах. Отсутствие такого соответствия приводит к развитию утомления, скорость утилизации АТФ начинает снижаться, и, следовательно, снижается и мощность выполняемой работы.

Во время любого физического упражнения, продолжающегося больше нескольких минут, основным путем ресинтеза АТФ является окислительное фосфорилирование в митохондриях, утилизирующих в качестве энергетического топлива углеводы и липиды.

Адаптация мышц к тренировке, направленной на развитие выносливости, включает следующие позиции:

– избирательную гипертрофию волокон I типа;

– увеличение количества капилляров, приходящихся на одно волокно;

– увеличение содержания миоглобина;

– повышение способности митохондрий к окислительному ресинтезу АТФ;

– увеличение размеров и количества митохондрий;

– повышение способности к окислению липидов и углеводов;