Оценка физиологического состояния спортсменов до и после максимальной и стандартной физической нагрузки

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ЕСТЕСТВЕННО ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра биохимии

Отчёт о практике по специализации

ГОУ ДОД

Школа высшего спортивного мастерства

Студентка гр. БХ-41

Прохорова Ю.В.

Руководитель практики от ВУЗа:

Генгин М.Т.

Руководитель практики от организации:

Соловьёв В.Б.

Пенза 2009

Содержание

Глава 1. Общая информация о месте прохождения практики

1.1 Наименование учреждения: ГОУ ДОД ШВСМ

Глава 2. Основные задачи биохимии спорта. Значение биохимических исследований в подготовке спортсменов

1.1 Изменение основных биохимических показателей состава крови при физической работе

1.2 Биоэнергетика мышечной деятельности

1.3 Результаты исследований

Литература

Глава 1. Общая информация о месте прохождения практики

1.1 Наименование учреждения: ГОУ ДОД ШВСМ

Основные задачи, решаемые коллективом: определение уровня гормонов и клинико-биохимических показателей в крови спортсменов для оценки физиологического состояния до и после максимальной и стандартной физической нагрузки.

Описание лаборатории, методы исследований:

Биохимическая лаборатория расположена в г. Пензе, в здании современного спортивного комплекса "Олимпийский", находящегося по адресу: ул. Антонова, д.39А, микрорайона "ГПЗ-24".

Лаборатория оснащена современными биохимическими анализаторами:

• Автоматический анализатор критических состояний Roche Omni S 6, принцип работы которого основан на методе фотометрии, ферментных электродах, ионселективных электродах, рН-метрии. Анализатор измеряет следующие биохимические параметры цельной артериальной крови:

Парциальное давление газов: p CO_2, p O₂;

Кислотно-основные параметры: pH, H⁺, BE, BEakt, BEecf, BB, cHCO_{3 -} , cHCO_3st ^-

Ионы (анионы, катионы): Ca²⁺, K⁺, Na⁺, Cl^-;

Биохимические показатели физиологического состояния: tHb, Hct, SO₂, O₂Hb, MetHb, HHb, Bill, Glu, Lac и др.

Биохимический анализатор Reflotron Plus использующий метод рефликсионной фотометрии. Анализатор измеряет следующие биохимические параметры цельной артериальной крови:

билирубин (BIL), гемоглобин (НВ), глюкоза (Glu), холестерин (Choi), триглицериды (TG), АЛТ (СРТ), ACT (GOT), мочевина (Urea), креатинкиназа (СК) и креатинин (Сгеа), щелочная фосфотаза (Alk. Phosphotase), панкреатическая амилаза (P. AM).

• Инкубатор-шейкер Stat Fax 2200, автоматический мойщик пластин Stat Fax 2600, автоматический ридер Stat Fax 3200, укомплектованный биохимический набор для проведения имунноферментного анализа, включающий стрипы с иммобилизованными на твердой фазе антителами, стандартные растворы гормонов, ферментный коньюгат, раствор субстрата ТМВ-тетраметилбензоидин, раствор для остановки ферментной реакции, раствор для промывки.

Глава 2. Основные задачи биохимии спорта. Значение биохимических исследований в подготовке спортсменов

Спортивный результат лимитируется уровнем развития механизмов энергообеспечения организма. Поэтому проводится контроль мощности, емкости и эффективности анаэробных и аэробных механизмов энергообеспечения в процессе тренировки.

Для характеристики анаэробного (гликолитического, лактатного) механизма энергообеспечения используют величину максимального накопления лактата в крови при максимальных физических нагрузках, а также значение рН крови и показатели КОС. О повышении возможностей гликолитического (лактатного) энергообеспечения у спортсменов свидетельствует увеличение продолжительности и мощности нагрузки для выхода на максимальные значения концентрации лактата в крови при предельных физических нагрузках, а также более высокий его уровень. У высококвалифицированных спортсменов, специализирующихся в скоростных видах спорта, количество лактата в крови при интенсивных физических нагрузках может возрастать до 26 ммоль/л и более, тогда как у нетренированных людей максимально переносимое количество лактата составляет до 15 ммоль/л при физиологической норме 1-1,5 ммоль/л.

Для оценки мощности аэробного механизма синтеза АТФ чаще всего используются значения максимального потребления кислорода (МПК), время наступления ПАНО, а также показатель кислородтранспортной системы крови - концентрация гемоглобина. Повышение уровня МПК свидетельствует об увеличении мощности аэробного механизма энергообразования. Также об увеличении мощности аэробного механизма свидетельствует более длительное время наступления ПАНО. Нетренированные люди не могут выполнять физическую работу на уровне ПАНО более 5-6 мин. У спортсменов, специализирующихся на выносливость, длительность работы на уровне ПАНО может достигать 1-2 ч.

Уровень тренированности спортсменов оценивается по изменению концентрации лактата в крови при выполнении стандартной либо предельной физической нагрузки. О более высоком уровне тренированности свидетельствуют меньшее накопление лактата (по сравнению с нетренированными людьми) при выполнении стандартной нагрузки, что связано с увеличением доли аэробных механизмов в энергообеспечении данной физической работы; большее накопление молочной кислоты при выполнении предельной работы, что связано с увеличением емкости анаэробного (гликолитического) механизма энергообеспечения; повышение ПАНО (мощность работы, при которой резко возрастает уровень лактата в крови) у тренированных лиц по сравнению с нетренированными; более длительная работа на уровне ПАНО; меньшее увеличение содержания лактата в крови при возрастании мощности работы, что объясняется совершенствованием анаэробных процессов и экономичностью энергозатрат организма; увеличение скорости утилизации лактата в период восстановления после физических нагрузок.

2.1 Изменение основных биохимических показателей состава крови при физической работе

Изменение химического состава крови является отражением тех биохимических сдвигов, которые возникают при мышечной деятельности в различных внутренних органах, скелетных мышцах и миокарде. Поэтому на основании анализа химического состава крови можно оценить биохимические процессы, протекающие во время работы. Это имеет большое практическое значение, так как из всех тканей организма кровь наиболее доступна для исследования. Биохимические сдвиги, наблюдаемые в крови, в значительной мере зависят от характера работы, и поэтому их анализ следует проводить с учетом мощности и продолжительности выполненных нагрузок.

Глюкоза. Содержание глюкозы в крови поддерживается на относительно постоянном уровне специальными регуляторными механизмами в пределах 3,3-5,5 ммоль/л (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.

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 (15-30 мг%) и существенно возрастает при выполнении интенсивной физической работы. При этом накопление ее в крови совпадает с усиленным образованием в мышцах, которое существенно повышается после напряженной кратковременной нагрузки и может достигать около 30 ммоль/кг массы при изнеможении. С увеличением мощности нагрузки содержание ее в крови может возрастать у нетренированного человека до 15 ммоль/л, у тренированного - до 25 ммоль/л и выше. В аэробной зоне физических нагрузок лактат составляет 2-4 ммоль/л, в смешанной - 4-10 ммоль/л, в анаэробной - более 12 ммоль/л. Условная граница анаэробного обмена соответствует 4-6 ммоль лактата в 1 л крови (для спортсменов) 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 рН 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.

Водородный показатель крови (рН). Образующийся при интенсивной работе лактат является сильной кислотой и его поступление в кровяное русло должно вести к повышению кислотности крови. Однако первые порции лактата, диффундирующие из мышц в кровяное русло, нейтрализуются буферными системами крови. В дальнейшем, по мере исчерпания емкости буферных систем, наблюдается повышение кислотности крови, возникает так называемый некомпенсированный ацидоз. В покое значение рН венозной крови равно 7,35-7,36. При мышечной работе, вследствие накопления в крови лактата, величина рН уменьшается. При выполнении физических упражнений субмаксимальной мощности pН снижается у спортсменов средней квалификации до 7,1-7,2, а у спортсменов мирового класса снижение pH может быть до 6,8.

2.2 Биоэнергетика мышечной деятельности

Обе фазы мышечной деятельности - сокращение и расслабление - протекают при обязательном использовании энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ).

Однако запасы АТФ в мышечных клетках незначительны (в покое концентрация АТФ в мышцах около 5 ммоль/л) и их достаточно для мышечной работы в течение 1-2 с. Поэтому для обеспечения более продолжительной мышечной деятельности в мышцах должно происходить пополнение запасов АТФ. Образование АТФ в мышечных клетках непосредственно во время физической работы называется ресинтезом АТФ и идет с потреблением энергии. В зависимости от источника энергии выделяют несколько путей ресинтеза АТФ.

Для количественной характеристики различных путей ресинтеза АТФ обычно используются следующие критерии:

а) максимальная мощность, или максимальная скорость, - это наибольшее количество АТФ, которое может образоваться в единицу времени за счет данного пути ресинтеза. Измеряется максимальная мощность в калориях или джоулях, исходя из того, что 1 ммоль АТФ (506 мг) соответствует в физиологических условиях примерно 12 кал или 50 Дж (1 кал =4,18 Дж). Поэтому данный критерий имеет размерность кал/мин*кг мышечной ткани или соответственно Дж/мин*кг мышечной ткани;

б) время развертывания - это минимальное время, необходимое для выхода ресинтеза АТФ на свою наибольшую скорость, т.е. для достижения максимальной мощности. Этот критерий измеряется в единицах времени (с, мин);

в) время сохранения или поддержания максимальной мощности - это наибольшее время функционирования данного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью. Единицы измерения - с, мин, ч;

г) метаболическая емкость - это общее количество АТФ, которое может образоваться во время мышечной работы за счет данного пути ресинтеза АТФ.

В зависимости от потребления кислорода пути ресинтеза делятся на аэробные и анаэробные.

Аэробный путь ресинтеза АТФ (тканевое дыхание) - это основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород, доставляемый кровью в мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счет энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез трех молекул АТФ.

Скорость аэробного пути ресинтеза АТФ контролируется содержанием в мышечных клетках АДФ, который является активатором ферментов тканевого дыхания. В состоянии покоя, когда в клетках почти нет АДФ, тканевое дыхание протекает с очень низкой скоростью. При мышечной работе за счет интенсивного использования АТФ происходит образование и накопление АДФ. Появившийся избыток АДФ ускоряет тканевое дыхание, и оно может достигнуть максимальной интенсивности.

Другим активатором аэробного пути ресинтеза АТФ является CO₂. Возникающий при физической работе в избытке углекислый газ активирует дыхательный центр мозга, что в итоге приводит к повышению скорости кровообращения и улучшению снабжения мышц кислородом. Аэробный путь образования АТФ характеризуется следующими критериями:

Максимальная мощность составляет 350-450 кал/мин*кг. По сравнению с анаэробными путями ресинтеза АТФ тканевое дыхание обладает самой низкой величиной максимальной мощности. Это обусловлено тем, что возможности аэробного процесса ограничены доставкой кислорода в митохондрии и их количеством в мышечных клетках. Поэтому за счет аэробного пути ресинтеза АТФ возможно выполнение физических нагрузок только умеренной мощности.

Время развертывания - 3-4 мин (у хорошо тренированных спортсменов может быть около 1 мин). Такое большое время развертывания объясняется тем, что для обеспечения максимальной скорости тканевого дыхания необходима перестройка всех систем организма, участвующих в доставке кислорода в митохондрии мышц.

Время работы с максимальной мощностью составляет десятки минут. Как уже указывалось, источниками энергии для аэробного ресинтеза АТФ являются углеводы, жиры и аминокислоты, распад которых завершается циклом Кребса. Причем для этой цели используются не только внутримышечные запасы данных веществ, но и углеводы, жиры, кетоновые тела и аминокислоты, доставляемые кровью в мышцы во время физической работы. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ функционирует с максимальной мощностью в течение такого продолжительного времени.

По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ. Он отличается высокой экономичностью: в ходе этого процесса идет глубокий распад окисляемых веществ до конечных продуктов - СО₂ и Н₂О и поэтому выделяется большое количество энергии. Так, например, при аэробном окислении мышечного гликогена образуется 39 молекул АТФ в расчете на каждую отщепляемую от гликогена молекулу глюкозы, в то время как при анаэробном распаде этого углевода (гликолиз) синтезируется только 3 молекулы АТФ в расчете на одну молекулу глюкозы. Другим достоинством этого пути ресинтеза является универсальность в использовании субстратов. В ходе аэробного ресинтеза АТФ окисляются все основные органические вещества организма: аминокислоты (белки), углеводы, жирные кислоты, кетоновые тела и др. Еще одним преимуществом этого способа образования АТФ является очень большая продолжительность его работы: практически он функционирует постоянно в течение всей жизни. В покое скорость аэробного ресинтеза АТФ низкая, при физических нагрузках его мощность может стать максимальной.

Однако аэробный способ образования АТФ имеет и ряд недостатков. Так, действие этого способа связано с обязательным потреблением кислорода, доставка которого в мышцы обеспечивается дыхательной и сердечно-сосудистой системами (вместе они обычно обозначаются термином "кардиореспираторная система"). Функциональное состояние кардиореспираторной системы является лимитирующим фактором, ограничивающим продолжительность работы аэробного пути ресинтеза АТФ с максимальной мощностью и величину самой максимальной мощности.

Возможности аэробного пути ограничены еще и тем, что все ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в форме дыхательных ансамблей и функционируют только при наличии неповрежденной мембраны. Любые факторы, влияющие на состояние и свойства мембран, нарушают образование АТФ аэробным способом. Например, нарушения окислительного фосфорилирования наблюдаются при ацидозе (повышение кислотности), набухании митохондрий, при развитии в мышечных клетках процессов свободно-радикального окисления липидов, входящих в состав мембран митохондрий.

Еще одним недостатком аэробного образования АТФ можно считать большое время развертывания (3-4 мин) и небольшую по абсолютной величине максимальную мощность. Поэтому мышечная деятельность, свойственная большинству видов спорта, не может быть полностью обеспечена этим путем ресинтеза АТФ и мышцы вынуждены дополнительно включать анаэробные способы образования АТФ, имеющие более короткое время развертывания и большую максимальную мощность.

Анаэробный путь ресинтеза АТФ (гликолитический) является дополнительными способами образования АТФ в тех случаях, когда основной путь получения АТФ - аэробный - не может обеспечить мышечную деятельность необходимым количеством энергии. Это бывает на первых минутах любой работы, когда тканевое дыхание еще полностью не развернулось, а также при выполнении физических нагрузок высокой мощности.

Источником энергии, необходимой для ресинтеза АТФ путем гликолиза, является мышечный гликоген, концентрация которого в саркоплазме колеблется в пределах 0,2-3%. При анаэробном распаде гликогена от его молекулы под воздействием фермента фосфорилазы поочередно отщепляются концевые остатки глюкозы в форме глюкозо-1-фосфата. Далее молекулы глюкозо-1-фосфата через ряд последовательных стадий (их всего 10) превращаются в молочную кислоту (лактат), которая по своему химическому составу является как бы половинкой молекулы глюкозы. В процессе анаэробного распада гликогена до молочной кислоты, называемого гликолизом, образуются промежуточные продукты, содержащие фосфатную группу с макроэргической связью, которая легко переносится на АДФ с образованием АТФ.

Максимальная мощность - 750-850 кал/мин*кг, что примерно вдвое выше соответствующего показателя тканевого дыхания. Высокое значение максимальной мощности гликолиза объясняется содержанием в мышечных клетках большого запаса гликогена, наличием механизмов активации ключевых ферментов, приводящих к значительному росту скорости гликолиза (в 2000 раз), отсутствием потребности в кислороде.

Время развертывания - 20-30 сек. Это обусловлено тем, что все участники гликолиза (гликоген и ферменты) находятся в саркоплазме миоцитов, а также возможностью активации ферментов гликолиза. Как уже отмечалось, фосфорилаза - фермент, запускающий гликолиз, - активируется адреналином, который выделяется в кровь непосредственно перед началом работы. Ионы кальция, концентрация которых в саркоплазме повышается примерно в 1000 раз под воздействием двигательного нервного импульса, также являются мощными активаторами фосфорилазы.

Время работы с максимальной мощностью - 2-3 мин. Существуют две основные причины такой небольшой величины этого критерия. Во-первых, гликолиз протекает с высокой скоростью, что быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрации гликогена и, следовательно, к последующему снижению скорости его распада. Во-вторых, в процессе гликолиза образуется молочная кислота (лактат), накопление которой приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток. В условиях повышенной кислотности снижается каталитическая активность ферментов, в том числе ферментов гликолиза, что также ведет к уменьшению скорости этого пути ресинтеза АТФ.

Гликолитический способ образования АТФ имеет ряд преимуществ перед аэробным путем. Он быстрее выходит на максимальную мощность (за 20-30 сек, в то время как аэробный путь - за 3-4 мин), имеет более высокую величину максимальной мощности (в 2 раза больше, чем у тканевого дыхания) и не требует участия митохондрий и кислорода.

Однако у этого пути есть и существенные недостатки. Этот процесс малоэкономичен. Распад до лактата одного остатка глюкозы, отщепленного от гликогена, дает только 3 молекулы АТФ, тогда как при аэробном окислении гликогена до воды и углекислого газа образуется 39 молекул АТФ в расчете на один остаток глюкозы. Такая неэкономичность в сочетании с большой скоростью быстро приводит к исчерпанию запасов гликогена.

Другой серьезный недостаток гликолитического пути ресинтеза АТФ - образование и накопление лактата, являющегося конечным продуктом этого процесса. Повышение концентрации лактата в мышечных волокнах вызывает сдвиг рН в кислую сторону, при этом происходят конформационные изменения мышечных белков, приводящие к снижению их функциональной активности. Таким образом, накопление молочной кислоты в мышечных клетках существенно нарушает их нормальное функционирование и ведет к развитию утомления.

При снижении интенсивности физической работы, а также в промежутках отдыха во время тренировки образовавшийся лактат может частично выходить из мышечных клеток в лимфу или кровь, что делает возможным повторное включение гликолиза.

При любой мышечной работе функционируют все пути ресинтеза АТФ, но включаются они последовательно. В первые секунды работы ресинтез АТФ идет за счет анаэробного механизма, затем, по мере продолжения работы, на смену гликолизу приходит тканевое дыхание.

Переход энергообеспечения мышечной деятельности с анаэробного механизма на аэробный ведет к уменьшению суммарной выработки АТФ за единицу времени, что находит отражение в снижении мощности выполняемой работы.

Конкретный вклад каждого из механизмов образования АТФ в энергообеспечение мышечных движений зависит от интенсивности и продолжительности физических нагрузок.

Для выполнения поставленных задач и проведения исследовательской работы в лаборатории используя вышеописанные методы, с помощью которых качественно и количественно определяют биохимические и клиника - биохимические показатели. В частности: гормоны гипофиза - адренокортикотропный гормон (АКТГ), пролактин, гормон роста (соматотропин, СТГ), тиреотропный гормон (ТТГ), гонадотропные гормоны фолликулостимулирующий (фоллитропин, ФСГ), лютеинизирующий гормон (лютропин, ЛГ), гормоны щитовидной железы - тироксин и трииодтиронин, гормоны мозгового слоя надпочечников - адреналин, гормоны коры надпочечников - кортизол и кортикостерон, половые гормоны

тестостерон, дигидротестостерон, эстрадиол, прогестерон, эстрон,

андростендион, гормоны поджелудочной железы - инсулин. Биохимические показатели крови, такие как: билирубин (BIL), гемоглобин (НВ), глюкоза (Glu), холестерин (Choi), триглицериды (TG), АЛТ (СРТ), ACT (GOT), мочевина (Urea), креатинкиназа (СК) и креатинин (Сгеа).

2.3 Результаты исследований

Результаты обследования спортсменов-триатлонистов в условиях соревновательной деятельности на чемпионате России.

1. Турбаевский

Для исследования некоторых биохимических показателей капиллярной крови спортсменов использовали анализатор Reflotron Plus.