Кислотно-основные показатели крови спортсменов различных квалификационных групп в норме и при физической работе

УДК 796.8

Н. Д. Абрамочкина, В. Б. Соловьев, М. Т. Генгин,

В. М. Скуднов, О. П. Петрушова

КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ КРОВИ СПОРТСМЕНОВ РАЗЛИЧНЫХ КВАЛИФИКАЦИОННЫХ ГРУПП В НОРМЕ И ПРИ ФИЗИЧЕСКОМ РАБОТЕ1

Аннотация. Изучены кислотно-основные показатели и буферные системы крови спортсменов разных квалификационных групп в норме и при физической работе в лабораторных условиях. Показано, что исходные отличия кислотно-основного состояния и буферной емкости цельной крови спортсменов высокой квалификационной группы ведут к изменению динамики закисления при повышающейся концентрации лактата. Анализируется динамика изменения величины рН крови при ступенчато-повышающейся нагрузке у спортсменов разной квалификации, обсуждается возможный молекулярный механизм резкого увеличения концентрации лактата в крови. Показано, что точка излома на кривой изменения величины рН предшествует во времени точке излома на кривой увеличения концентрации лактата при физической работе. Предлагается внедрение результатов исследования в разработку способов определения момента наступления порога анаэробной нагрузки при физической работе по рН-метрии крови.

Ключевые слова: рН, лактат, анаэробный порог, кровь, физическая работа.

Введение

Физиологические и биохимические изменения, происходящие в организме при совершении физической работы, привлекают внимание исследователей более ста лет. В первой половине прошлого столетия Douglas с соавт. [1] обнаружили, что при некотором уровне нагрузки концентрация лактата в крови увеличивается, что сопровождается снижением концентрации бикарбонатных ионов и усилением дыхания. Позднее Was-serman [2] и Holtmann [3] разработали концепцию «порога анаэробной нагрузки организма» и неинвазивные методы его определения, связав повышение концентрации лактата с возникающим кислородным голодом. В настоящее время гипотеза лактатного порога подвергается резкой критике со стороны физиологов и биохимиков [4, 5]. Некоторые авторы [6] предлагают отказаться от данной концепции в связи с множеством противоречий и неточностью неинвазивных методов определения величины анаэробного порога и методов, основанных на измерении концентрации лактата в крови и показателей газообмена.

Основной результат, подтверждающий гипотезу анаэробного порога, состоит в том, что при нарастающей интенсивности физической нагрузки существует момент, начиная с которого концентрация лактата в крови резко увеличивается [2, 7]. Это наблюдение и было ранее ошибочно принято за внезапное начало продукции лактата [8]. Результаты экспериментов с применением радиоизотопной методики в состоянии мышечного покоя [9] и данные, полученные Connett et al. [10], показывают, что лактат образуется и в условиях достаточного поступления кислорода. Таким образом, продукция лактата не обязательно связана с анаэробными условиями, то есть образованием АТФ при дефиците кислорода. В настоящее время общепризнанным является тот факт, что измерение концен-

1 Работа выполнена в рамках задания Федерального агентства по образованию РФ 20082009 гг.

85

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

трации лактата в крови не дает информации о скорости его образования, а лишь отражает баланс между выходом лактата в кровь и его устранением из крови [11—13]. Отстаивание гипотезы лактатного порога продолжается [7, 8, 14], поскольку она имеет практическую ценность, позволяя оценивать работоспособность организма в изменяющихся условиях, уровень физической подготовки спортсменов и др.

Современные приемы биохимии позволяют нам исследовать легочную вентиляцию, буферные системы организма, динамику закисления и нейтрализации лактата прямыми, а не косвенными методами, подтвердив или опровергнув концепцию анаэробного порога.

Таким образом, целью нашей работы является исследование кислотно-основных показателей крови, показателей буферной системы крови, а также концентрации лактата в крови спортсменов разных квалификационных групп в норме и при физической работе различной интенсивности.

Методы исследования

Объектом исследования являлись мужчины 18-25 лет, разделенные на следующие экспериментальные группы:

1) студенты вузов, занимающиеся спортом в рамках учебной программы (n = 24);

2) мастера спорта и мастера спорта международного класса (n = 19).

Для определения величины исследуемых показателей отбирались пробы капиллярной крови:

1) в состоянии покоя;

2) при физической работе. Физическую работу создавали с помощью программируемого тредбана, начиная со скорости 3,0 м/с, повышая каждые две минуты на 0,5 м/с до скорости 6,5 м/с. После двух минут бега на каждой скорости тредбан останавливали на 30 с для взятия 200 мкл капиллярной крови в гепаринизированный стеклянный капилляр.

Непосредственно после отбора пробы кровь анализировали на анализаторе Roche Omni S 6. Время между взятием пробы крови и анализом не превышало 120 с. Кислотноосновные показатели крови - рН и парциальное давление углекислого газа (рСО2) -определяли с помощью потенциометрических микроэлектродов. Концентрацию гемоглобина для расчета величины буферных систем крови определяли методом многоволновой спектрофотометрии. Величину HCOg , показывающую концентрацию гидрокарбонатов в плазме крови, вычисляли по результатам измерения величин рН и рСО2 с использованием следующего уравнения:

cHCO“ = 0,0307 рСО2 • 10

Избыток буферных оснований в крови (ВЕ) вычисляется на базе измеренных параметров с помощью следующего уравнения [15]:

ВЕ = (1 - 0,014 cfflb)-[(1,43 cfflb + 7,7>(рН - 7,4) - 24,8 + cHCO“ ]

Концентрацию лактата определяли с помощью ферментного электрода с иммобилизованной лактатдегидрогеназой [7]. Статистическую обработку производили с помощью t-критерия Стьюдента и монофакторного дисперсионного анализа [15].

Результаты исследования

В состоянии покоя концентрация лактата в крови не отличалась у спортсменов первой и второй экспериментальных групп. Начиная со скорости 3,0 м/с и на всем протяже-

86

Гуманитарные исследования

нии эксперимента концентрация лактата в крови спортсменов увеличивалась у обеих экспериментальных групп, однако у спортсменов высокой квалификации показатели были ниже, чем у начинающих спортсменов: на скоростях 3,0; 3,5; 4,0 м/с - приблизительно на 40 %, на скорости 4,5 м/с - на 55 %, на скоростях 5,0; 5,5; 6,0 м/с - примерно на 65 % и на скорости 6,5 м/с - на 45 % (рис. 1).

Концентрация ионов водорода увеличивается при увеличении скорости бега и повышении уровня лактата в крови (рис. 1). В физиологическом состоянии не наблюдалось достоверных различий в значении рН у спортсменов обеих экспериментальных групп. Однако уже со скорости 3,0 м/с и на всем протяжении эксперимента концентрация протонов у начинающих спортсменов была приблизительно на 15-25 % выше, чем у спортсменов высокой квалификации (рис. 1,а).

Рис. 1. Концентрация молочной кислоты (лактат, ммоль/л) и значение водородного показателя (рН) в крови спортсменов (n = 19-24) в норме и при физической работе: а - первая экспериментальная группа; б - вторая экспериментальная группа;

* - P < 0,05; ** - P < 0,01; *** - P < 0,001. По оси категорий отмечены:

N - физиологическое состояние, 3,0-6,5 - скорость бега (м/с) на тредбане

Степень развитости буферных систем крови является причиной различий во времени наступления лактатного порога у спортсменов разных квалификационных групп. рСО2 в физиологическом состоянии в крови спортсменов высокой квалификации было на 16 % выше, чем у спортсменов первой группы, что приводило к повышению концентрации HCO” и ВЕ у второй экспериментальной группы по сравнению с первой на 10 и

150 % соответственно. Эти различия наблюдаются на всех этапах физической работы (рис. 2). Следовательно, повышенные буферные резервы крови спортсменов второй

87

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

группы обеспечивают высокую степень связывания протонов, образующихся при диссоциации лактата, и отодвигают время наступления порога анаэробного обмена. Кривые величин рСО2, HCO33 и ВЕ при увеличении интенсивности работы не содержат изломов и представляют собой линейные процессы.

Рис. 2. Парциальное давление углекислого газа (рСО2, мм ртутного столба), концентрация гидрокарбонат-анионов (HCO3 , ммоль/л) и концентрация избытка буферных оснований (ВЕ, ммоль/л) в крови спортсменов (n = 19-24) в норме и при физической работе

Обсуждение результатов

При скорости 4,0 м/с у спортсменов первой экспериментальной группы концентрация лактата начинает резко возрастать с 4,1±0,з6 до 1б±1,2 ммоль/л (рис. 1,а). Согласно гипотезе анаэробного порога эта точка соответствует величине порога анаэробного обмена, что совпадает с данными, имеющимися в литературе [7, 8, 14, 16]. Однако у спортсменов высокой квалификации концентрация лактата начинает резко возрастать с 5,9±0,47 ммоль/л при скорости 6,0 м/с (рис. 1,6). Возрастание величины лактатного порога при адаптации к спортивным тренировкам достаточно хорошо описано [4, 8, 16-18] и предложены гипотетические молекулярные механизмы подобного сдвига [4, 11, 18]. Тем не менее, Davis показывает, что определение динамики изменения концентрации лактата не может служить методикой определения величины анаэробного порога, поскольку усиленный выброс лактата является лишь показателем уже совершившегося перехода метаболизма глюкозы на преимущественно гликолитический и не отражает причину начала повышенного образования лактата, а соответственно, и истинную точку порога анаэробного обмена [8].

88

Гуманитарные исследования

Практически все исследования в области метаболизма при физической работе оперируют предположением о том, что увеличение концентрации лактата связано с началом локальной мышечной гипоксии при определенной интенсивности работы [13, 19, 20]. Однако многочисленные попытки установить связь между легочной вентиляцией, потреблением кислорода и лактатным порогом показали, что прямой связи нет [7, 21, 22], и если процессы вентиляции и потребления кислорода изменяются линейно при линейно нарастающей интенсивности физической нагрузки, то и увеличение концентрации лактата должно происходить линейно, без точки излома.

Интересным является тот факт, что на кривой зависимости величины рН от интенсивности работы обнаруживается явный излом, точка, по времени предшествующая точке излома в концентрации лактата - 4,0 м/с у первой экспериментальной группы и 6,0 м/с у второй группы. Значение водородного показателя в этой точке соответствует нижней границе клинической нормы - рН = 7,35. Согласно литературным данным, пи-руватдегидрогеназный комплекс и ферменты цикла трикарбоновых кислот неактивны при рН ниже физиологических значений [23, 24]. Таким образом, можно предположить, что инактивация ферментов аэробного расщепления пировиноградной кислоты приводит к резкому увеличению концентрации лактата в мышечных клетках и крови, это в свою очередь приводит к появлению излома на кривой зависимости концентрации лактата от скорости бега (рис. 1). Ранее Wasserman и Davis указывали на ограниченную работоспособность систем, окисляющих пируват, как на возможную причину анаэробного порога [2, 18]. Однако эта гипотеза не объясняла наличие излома на кривой зависимости концентрации лактата от интенсивности физической работы. К настоящему времени имеются сведения об увеличенной активности ферментов митохондрий у спортсменов высокой квалификации по сравнению с начинающими спортсменами [11, 18, 25].

Полученные результаты доказывают справедливость гипотезы лактатного порога и могут быть положены в основу разработки методики диагностики величины порога анаэробного обмена по водородному показателю. Адаптационные процессы к физической работе достаточно хорошо характеризуются различием в величине концентрации избытка буферных оснований у спортсменов разных квалификационных групп за счет повышения емкости гидрокарбонатной буферной системы. Дальнейшие исследования будут направлены на изучение корреляционной взаимосвязи динамики изменения концентрации лактата, величины рН в крови и активности пируватдегидрогеназного комплекса и ферментов цикла трикарбоновых кислот в мышцах крыс при физической работе различной интенсивности.

Список литературы

1. Douglas, C. G. Coordination of the respiration and circulation with variation in bodily activity / C. G. Douglas // Lancet. - 1927. - V. 312, № 1. - Р. 213-218.

2. Wasserman, K. Y. Detecting the threshold of anaerobic metabolism in cardiac patient during exercise / K. Y. Wasserman, M. B. Mcllroy // Am. J. Cardiol. - 1964. - V. 14, № 3. - Р. 844-852.

3. Holtmann, W. F. Zur frange der dauerleistungsfahigkeit / W. F. Holtmann // Fortschr. Med. -1961. - V. 7, № 4. - Р. 443-453.

4. The concept of maximal lactate steady state: a bridge between biochemistry, physiology and sport science / V. L. Billat, P. Sirvent, G. Py, J. P. Koralsztein, J. Mercier // Sports Med. - 2005. -№ 33. - Р. 407-426.

5. Westerblad, H. Muscle Fatigue: Lactic Acid or Inorganic Phosphate the Major Cause? / H. Wester-blad, D. Allen, J. Jannergren // News Physiol Sci. - 2002. - № 17. - Р. 17-21.

6. Brooks, G. A. Response to Davis’ manuscript / G. A. Brooks // Med. and Science in Sports and Exercise. - 1985. - V. 17, № 1. - Р. 19-21.

89

Вестник Пензенского государственного университета № 4 (12), 2015

7. Respiratory gas exchange indices for estimating the threshold / S. Geir, B. Robstad, O. H. Skjons-berg, F. Borchsenius // Journal of Sports Science and Medicine. - 2005. - № 4. - Р. 29-36.

8. Davis, J. A. Validation and determination of the anaerobic threshold / J. A. Davis // J. Appl. Physiol. - 1984. - V. 57, № 1. - Р. 611.

9. Hetenyi, G. Turnover and precursor product relationships of nonlipid metabolites / G. Hetenyi, G. Perez, M. Vranic // Physiol. Rev. - 1983. - № 63. - Р. 606-667.

10. Connett, R. J. Lactate accumulation in fully aerobic, working dog gracilis muscle / R. J. Connett, T. E. J. Gaueski, C. R. Honig // Am. J. Physiol. - 1984. - V. 246, № 8. - Р. 120-128.

11. Role of mitochondrial lactate dehydrogenase and lactate oxidation in the intracellular lactate shuttle / G. A. Brooks, H. Dubouchaud, M. Brown, J. P. Sicurello, C. E. Butz // Proc natl Acad Sci USA. - 1999. - № 96. - Р. 1129-1134.

12. Robergs, R. A. Biochemsitry of exercise-induced metabolic acidosis / R. A. Robergs, F. Ghiasvand, D. Parker // American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. -

2004. - № 287. - Р. 502-516.

13. Negligible direct lactate oxidation in subsarcolemmal and intermyofibrillar mitochondria obtained from red and white rat skeletal muscle / Y. Yoshida, G. P. Holloway, V. Ljubicic, H. Hatta, L. L. Spri-et, D. A. Hood, A. Bonen // J Physiol. - 2007. - V. 584, № 2. - Р. 705-706.

14. Practical application of fundamental concepts in exercise physiology / R. Ramsbottom, R. F. Kinch, M. G. Morris, A. M. Dennis // Advan Physiol Educ. - 2007. - V. 31, № 4. - Р. 347-351.

15. Clinical Biochemistry / A. A. Gaw, R. A. Cowan, M. J. Stewart, J. Sheperd. - Edinburg : Churchill Livingstone, 1999.

16. Davis, J. A. Does the gas exchange anaerobic threshold occur at a fixed lactate concentration of 2 or 4 mM / J. A. Davis // Int. J. Sports Med. - 1983. - № 4 (4). - Р. 89-93.

17. Billat, V. L. Differential modeling of anaerobic and aerobic metabolism in the 800-m and 1,500-m run / V. L. Billat, J. P. Koralsztein, R. H. Morton // J Appl Physiol. - 2009. - V. 107, № 2. -Р. 478-487.

18. Davis, J. A. Anaerobic threshold / J. A. Davis // Med. and Science in Sports and Exercise. - 1985. -V. 17, № 1. - Р. 1-18.

19. Corbett, J. Effect of task familiarisation on distribution of energy during a 2000 m cycling time trial / J. Corbett, M. J. Barwood, K. Parkhouse // Br. J. Sports Med. - 2009. - V. 43, № 10. -

Р. 770-774.

20. Davis, H. A. The anaerobic threshold as determined before and during lactic acidosis / H. A. Davis,

G. C. Gass // Eur. J. Appl. Physiol. - 1981. - № 47. - Р. 141-149.

21. Anaerobic threshold, blood lactate, and muscle metabolites in progressive exercise / H. J. Green, R. L. Hughson, G. W. Orr, D. A. Ranney // J. Appl. Physiol. - 1983. - № 54 (12). - Р. 1032-1038.

22. Rees, B. B. Exercise- and hypoxia-induced anaerobic metabolism and recovery: a student laboratory exercise using teleost fish / B. B. Rees, P. Boily, L. A. Williamson // Advan Physiol Educ. - 2009. -V. 33, № 1. - Р. 72-77.

23. Occurrence of oxygen-sensitive, NADP+-dependent pyruvate dehydrogenase in mitochondria /

H. Inui, K. Miyatake, Y. Nakano, S. Kitaoka // J. Biochem. - 1984. - V. 96, № 1. - Р. 931-934.

24. Weyand, P. G. Energetics of high-speed running: integrating classical theory and contemporary observations / P. G. Weyand, M. W. Bundle // Am J Physiol Regulatory Integrative Comp Physiol. -

2005. - V. 288, № 4. - Р. 956-965.

25. Comments on point: counterpoint: the kinetics of oxygen uptake during muscular exercise do/do not manifest time-delayed phase Modeling concerns / S. Perrey, M. Burnley, G. P. Millet, F. Borrani, A. M. Jones, D. C. Poole, S. W. Copp, D. M. Hirai, P. Gimenez, T. Busso // J Appl Physiol. - 2009. -V. 107, № 5. - Р. 1669-1670.

Абрамочкина Надежда Дмитриевна Abramochkina Nadezhda Dmitrievna

студентка, student,

Пензенский государственный университет Penza State University

E-mail: nabramochkina@bk.ru

90

Гуманитарные исследования

Соловьев Владимир Борисович

доктор биологических наук, профессор, кафедра общей биологии и биохимии, Пензенский государственный университет E-mail: solowew@rambler.ru

Генгин Михаил Трофимович

доктор биологических наук, профессор, кафедра общей биологии и биохимии, Пензенский государственный университет E-mail: gengin07@yandex.ru

Скуднов Вячеслав Михайлович

доцент,

кафедра физического воспитания, Пензенский государственный университет E-mail: solowew@rambler.ru

Петрушова Ольга Петровна

кандидат биологических наук, доцент, кафедра физиологии человека, Пензенский государственный университет E-mail: solowew@rambler.ru

Solov'ev Vladimir Borisovich

doctor of biological sciences, professor, sub-department of general biology and biochemistry, Penza State University

Gengin Mikhail Trofimovich

doctor of biological sciences, professor, sub-department of general biology and biochemistry, Penza State University

Skudnov Vyacheslav Mikhaylovich

associate professor, sub-department of physical education,

Penza State University

Petrushova Ol'ga Petrovna

candidate of biological sciences, associate professor, sub-department of human physiology,

Penza State University

УДК 796.8 Абрамочкина, Н. Д.

Кислотно-основные показатели крови спортсменов различных квалификационных групп в норме и при физической работе / Н. Д. Абрамочкина, В. Б. Соловьев, М. Т. Генгин, В. М. Скуднов, О. П. Петрушова // Вестник Пензенского государственного университета. - 2015. - № 4 (12). - C. 85-91.