Методика диагностики порога анаэробного обмена спортсменов по показателям кислотно-основного состояния крови

МЕТОДИКА ДИАГНОСТИКИ ПОРОГА АНАЭРОБНОГО ОБМЕНА СПОРТСМЕНОВ ПО ПОКАЗАТЕЛЯМ КИСЛОТНО-ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ КРОВИ

В.Д. КРЯЖЕВ, ФГБУ ФНЦ ВНИИФК; Р.Н. ВОЛОДИН,

Пензенский артиллерийский инженерный институт;

В.Б. СОЛОВЬЕВ, В.М. СКУДНОВ, Пензенский государственный университет

Аннотация

Изучены кислотно-основные показатели и буферные системы крови легкоатлетов разных квалификационных групп в норме и при физической работе в лабораторных условиях. Установлено, что начальные отличия кислотно-основного равновесия и буферной емкости цельной крови спортсменов высокой квалификационной группы ведут к изменению динамики закисления при повышающейся концентрации лактата. Проанализирована 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.

Abstract

The acid-basic parameters and buffer systems

of blood of different qualifying groups sportsmen

in a physiological condition and at physical work

were studied. It is shown, that initial differences

of the acid-basic condition and buffer capacity of integral

blood of sportsmen of high qualifying group conduct to

change of dynamics pH at raising concentration

of lactate. Dynamics of change of concentration

of lactate of blood is analyzed at step - raising exercise

at sportsmen of different qualification, the possible

molecular mechanism of sharp increase in concentration

of lactate in blood is discussed. It is shown, that the point

of a break on a curve of change of size pH precedes

in time to a point of a break on a curve of increase

in concentration of lactate at physical work.

The received results can be used for definition

of the moment of approach of an anaerobic

threshold by pH-measurement of blood.

Keywords: pH, lactate, anaerobic threshold, blood, exercise.

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 со-авт. [12] обнаружили, что при некотором уровне нагрузки концентрация лактата в крови увеличивается, что сопровождается снижением концентрации бикарбонатных ионов и усилением дыхания. Позднее Wasserman [23] и Holtmann [17] разработали концепцию «порога анаэробной нагрузки организма» и неинвазивные методы его определения, связав повышение концентрации лак-тата с возникающим кислородным долгом. В настоящее время гипотеза лактатного порога подвергается резкой критике со стороны физиологов и биохимиков [2, 24]. Некоторые авторы [3] 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, поддерживающий гипотезу анаэробного порога, состоит в том, что при нарастающей интенсивности физической нагрузки существует момент, начиная с которого концентрация лактата в крови резко увеличивается [14, 23]. Это наблюдение и было ранее ошибочно принято за внезапное начало продукции лактата [10]. Результаты экспериментов с применением радиоизотопной методики в состоянии мышечного покоя [16] и данные, полученные Connett et al. [6] 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 концентрации лактата в крови не дает информации о скорости его образования, а лишь отражает баланс между выходом лактата в кровь и его устранением из крови [4, 22]. Отстаивание гипотезы лактатного порога продолжается [10, 14, 20], 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 лак-тата прямыми, а не косвенными методами, подтвердив или опровергнув концепцию анаэробного порога.

Цель работы

1) Исследование кислотно-основных показателей крови, показателей буферной системы крови, а также концентрации лактата в крови легкоатлетов разных квалификационных групп в норме и при физической работе различной интенсивности в лабораторных условиях.

2) Апробация метода определения порога анаэробного обмена по показателям кислотно-основного равновесия в условиях специализированного теста у пловцов.

Методы исследования

Объектом исследования являлись мужчины 18-25 лет, занимающиеся бегом на средние и длинные дистанции, 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 6,0 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 S6. Время между взятием пробы крови и анализом не превышало 120 с. Кислотно-основные показатели крови рН и парциальное давление углекислого газа (рСО2) определяли с помощью потенциометрических микроэлектродов [13]. Концентрацию гемоглобина для расчета величины буферных систем крови определяли методом многоволновой спектрофотометрии [13].

Концентрацию лактата определяли с помощью ферментного электрода с иммобилизованной лактатдегид-рогеназой [14]. Статистическую обработку производили с помощью i-критерия Стьюдента и монофакторного дисперсионного анализа [13].

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 протяжении эксперимента концентрация лактата в крови спортсменов увеличивалась у обеих экспери-

ментальных групп. Однако у спортсменов высокой квалификации показатели были ниже, чем у начинающих спортсменов: на скоростях 3,0 м/с, 3,5 м/с, 4,0 м/с -приблизительно на 40%, на скорости 4,5 м/с - на 55%, на скоростях 5,0 м/с, 5,5 м/с, 6,0 м/с - примерно на 65% (рис. 1).

Концентрация ионов водорода увеличивается при увеличении скорости бега и повышении уровня лактата в крови. В состоянии покоя значения рН у спортсменов обеих экспериментальных групп были одинаковыми. Со скорости 3,0 м/с на всем протяжении эксперимента концентрация протонов у начинающих спортсменов была на 15-25% выше, чем у спортсменов высокой квалификации (рис. 1, А).

Парциальное давление углекислого газа рСО2 в физиологическом состоянии в крови спортсменов высокой квалификации было на 16% выше (рис. 2), чем у спортсменов первой группы, что приводило к повышению концентрации НСО3- 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). Таким образом, увеличенные буферные резервы крови спортсменов второй группы обеспечивают высокую степень связывания протонов, образующихся при диссоциации лактата, и отодвигают время наступления порога анаэробного обмена. Кривые величин рСО2, НСО3- и ВЕ при увеличении интенсивности работы не содержат изломов и представляют собой линейные процессы.

Обсуждение результатов

При скорости бега 4,0 м/с у спортсменов первой экспериментальной группы концентрация лактата начинает резко возрастать с 4,1 ± 0,36 до 16 ± 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 [10, 11, 14, 20]. Однако, у спортсменов высокой квалификации концентрация лактата начинает резко возрастать с 4,6 ± 0,47 ммоль/л при скорости 5,0 м/с (рис 1, Б). Возрастание величины лактатного порога при адаптации к спортивным тренировкам достаточно хорошо описано [1, 2, 9-11] и предложены гипотетические молекулярные механизмы подобного сдвига [2, 4, 9]. Тем не менее Davis [10] 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.

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 [7, 8, 26]. Однако, многочисленные попытки установить связь между легочной вентиляцией, потреблением кислорода и лактатным

порогом показали, что прямой связи нет [14, 15, 21], 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 5,0 м/с - у второй группы. Значение водородного показателя в этой точке соответствует нижней границе клинической нормы -рН = 7,35. Согласно литературным данным, пируват-дегидрогеназный комплекс и ферменты цикла трикарбо-новых кислот не активны при рН ниже физиологических значений [18]. Таким образом, можно предположить, что инактивация ферментов аэробного расщепления пиро-виноградной кислоты приводит к резкому увеличению концентрации лактата в мышечных клетках и крови, это

16 -

14 -

12 -

.0 10 -

Ц

о ? 8 -

?

6 -

4 -

2 -

0

Лактат

N 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

7,500 п

7,400

7,300

7,200

7,000

рН

N

3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0

Рис. 1. Концентрация молочной кислоты (лактат, ммоль/л) и значение водородного показателя (рН) в крови спортсменов (п = 19-24) в норме и при физической работе

*

Рис. 2. Парциальное давление углекислого газа

в норме и при физической работе

Пояснения к рис. 1 и 2:

А - первая экспериментальная группа, Б - вторая экспериментальная группа; * - Р < 0,05, ** - Р < 0,01, *** - Р < 0,001.

По оси абсцисс отмечены: N - физиологическое состояние; 3,0-6,5 - скорость бега (м/с) на тредбане.

в свою очередь приводит к появлению излома на кривой зависимости концентрации лактата от скорости бега (рис. 1). Ранее Wasserman [23] и Davis [9] указывали на ограниченную работоспособность систем, окисляющих пируват, как на возможную причину анаэробного порога. 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 [4, 9, 19].

Полученные результаты доказывают справедливость гипотезы лактатного порога и могут быть положены в основу разработки методики диагностики величины порога анаэробного обмена по водородному показателю.

Для демонстрации эффективности и универсальности предложенной нами методики была проведена работа по тестированию спортсменов специализации «плавание» в различных режимах работы. Было протестировано 2 группы пловцов (по 20 человек в каждой) квалификации «Мастер спорта» и «Мастер спорта международного класса». В ходе обследования определялись показатели рН и концентрации лактата крови.

Первая группа выполняла аэробно-анаэробный тест со ступенчато-повышающейся нагрузкой в виде 8 отрезков по 50 м, время отдыха между отрезками - 30 с,

в это время производился отбор капиллярной крови из пальца. Перед тестируемыми спортсменами была поставлена задача плыть первый отрезок со скоростью 60% от максимальной, прибавляя скорость в каждом отрезке по 5%.

Результаты проведенного исследования показывают, что после 4 этапа со скоростью 75% от максимальной наблюдается достижение значения рН = 7,35, что сопровождается концентрацией лактата 6,01 ммоль/л. Данная концентрация лактата является характерной для точки ПАНО у высококвалифицированных спортсменов, и соотносится с результатами в тесте на тредбане (рис. 1).

Вторая группа спортсменов выполняла сходный тест в виде 6 отрезков по 100 м, время отдыха между отрезками - 60 с, в это время производился отбор капиллярной крови из пальца. Перед тестируемыми спортсменами была поставлена задача плыть первый отрезок со скоростью 60% от максимальной, прибавляя скорость в каждом отрезке по 5%.

Полученные результаты показывают сходные с предыдущим тестом величины рН и концентрации лактата в крови, несмотря на различающиеся длины отрезков и время работы в тесте и на каждом отрезке, что свидетельствует об универсальности методики, базирующейся не на измерении концентраций лактата, а на определении значения рН в тесте.

Таблица 1

Средние значения рН и концентрации лактата в крови пловцов при выполнении теста

6 отрезков по 50 м

Показатель Этапы нагрузки

1 2 3 4 5 6

рН 7,39 7,37 7,37 7,35 7,31 7,22

Lac, ммоль/л 2,52 3,51 4,31 6,01 9,6 14

Таблица 2

Средние значения рН и концентрации лактата в крови пловцов при выполнении теста

6 отрезков по 100 м

Показатель Этапы нагрузки

1 2 3 4 5 6

рН 7,38 7,38 7,36 7,35 7,28 7,17

Lac, ммоль/л 2,7 3,48 4,7 6,00 10,4 15,5

Заключение

Концентрация лактата в точке ПАНО не является постоянной величиной и зависит от степени тренированности спортсмена, а значение рН в точке ПАНО, как показывают результаты нашего исследования, всегда

одинаковое - 7,35. Определение величины рН будет являться более универсальной методикой и не требовать объемной работы по построению графиков с определением точки излома в зависимости концентрации лактата от времени работы.

Литература/References

1. Billat, V.L., Koralsztein, J.P., Morton, R.H. Differential modeling of anaerobic and aerobic metabolism in the 800-m and 1,500-m run J. Appl. Physiol. 107 (2): 478-487. 2009.

2. Billat, V.L., Sirvent, P., Py, G, Koralsztein, J.P., and Mercier, J. The concept of maximal lactate steady state:

a bridge between biochemistry, physiology and sport science. Sports Med. 33: 407-426. 2005.

3. Brooks, G.A. Response to Davis' manuscript. Med. and Science in Sports and Exercise. 17 (1): 19-21. 1985.

4. Brooks, G.A., Dubouchaud, H., Brown, M., Sicurello, J.P., Butz, C.E. Role of mitochondrial lactate dehydrogenase

and lactate oxidation in the intracellular lactate shuttle. Pro. natl. Acad. Sci. USA. 96: 1129-1134. 1999.

5. Brooks, G.A., Fahey, T.D. Exercise Physiology: Human Bioenergetics and its Applications. John Wiley and Sons, New York. 1984.

6. Connett, RJ., Gaueski, T.E.J., Honig, C.R. Lactate accumulation in fully aerobic, working dog gracilis muscle. Am. J. Physiol. 246 (8): 120-128. 1984.

7. Corbett, J., Barwood, M.J., Parkhouse, K. Effect of task familiarisation on distribution of energy during a 2000 m cycling time trial. Br. J. Sports Med. 43 (10): 770-774. 2009.

8. Davis, H.A. and Gass, G.C. The anaerobic threshold as determined before and during lactic acidosis. Eur. J. Appl. Physiol. 47: 141-149, 1981.

9. Davis, J.A. Anaerobic threshold. Med. and Science in Sports and Exercise. 17 (1): 1-18. 1985.

10. Davis, J.A. Validation and determination of the anaerobic threshold. J. Appl. Physiol. 57 (1): 611. 1984.

11. Davis, J.A. Does the gas exchange anaerobic threshold occur at a fixed lactate concentration of 2 or 4 mM? Int. J. Sports Med. 4 (4): 89-93. 1983.

12. Douglas, C.G. Coordination of the respiration and circulation with variation in bodily activity. Lancet. 312 (1): 213-218. 1927.

13. Gaw, A.A., Cowan, R.A., Stewar,t M.J., Sheperd, J. Clinical Biochemistry. Churchill Livingstone, Edinburg. 1999.

14. Geir, S., Robstad, B., Skj0nsberg, O.H., Borchsenius, F. Respiratory gas exchange indices for estimating the threshold. Journal of Sports Science and Medicine. 4: 29-36. 2005.

15. Green, HJ., Hughson, R.L., Orr, G.W., Ranney, D.A. Anaerobic threshold, blood lactate, and muscle metabolites

in progressive exercise. J. Appl. Physiol. 54 (12): 1032-1038. 1983.

16. Hetenyi, G., Perez, G., Vranic, M. Turnover and precursor product relationships of nonlipid metabolites. Physi-ol. Rev. 63: 606-667. 1983.

17. Holtmann, W.F. Zur frange der dauerleistungsfahig-keit. Fortschr. Med. 7 (4): 443-453. 1961.

18. Inui, H., Miyatake, K., Nakano, Y. and Kitaoka, S. Occurrence of oxygen-sensitive, NADP+-dependent pyruvate dehydrogenase in mitochondria. J. Biochem. 96 (1): 931-934. 1984.

19. Perrey, S., Burnley, M., Millet, G.P., Borrani, F., Jones, A.M., Poole, D.C., Copp, S.W., Hirai, D.M., Gimenez, P., Bus-so, T. Comments on point: counterpoint: the kinetics of oxygen uptake during muscular exercise do/do not manifest time-delayed phase. Modeling concerns. J. Appl. Physiol. 107 (5): 1669-1670. 2009.

20. Ramsbottom, R., Kinch, R.F., Morris, M.G., Dennis, A.M. Practical application of fundamental concepts in exercise physiology. Advan. Physiol. Educ. 31 (4): 347-351. 2007.

21. Rees, B.B., Boily, P., Williamson, L.A. Exercise- and hypoxia-induced anaerobic metabolism and recovery: a student laboratory exercise using teleost fish. Advan. Physiol. Educ. 33 (1): 72-77. 2009.

22. Robergs, R.A., Ghiasvand, F., Parker, D. Biochemsitry of exercise-induced metabolic acidosis. American Journal of Physiology: Regulatory, Integrative and Comparative Physiology. 287: 502-516. 2004.

23. Wasserman, K.Y., McIlroy, M.B. Detecting the threshold of anaerobic metabolism in cardiac patient during exercise. Am. J. Cardiol. 14 (3): 844-852. 1964.

24. Westerblad, H., Allen, D., Jannergren, J. Muscle Fatigue: Lactic Acid or Inorganic Phosphate the Major Cause? News Physiol. Sci. 17: 17-21. 2002.