Физические нагрузки высокой интенсивности, сопровождающие современный спорт, могут приводить изначально к развитию утомления, а затем и переутомления либо физического перенапряжения [3, 5]. Развитие утомления приводит к снижению физической работоспособности спортсменов и эффективности тренировочного процесса [4], это обосновывает необходимость разработки максимально эффективных методов его распознавания. Существующие на сегодняшний день методы, позволяющие диагностировать утомление, недостаточно эффективны, поскольку не отражают состояние окислительных процессов в жизненно важных органах, от функционирования которых зависит резистентность организма к физическим нагрузкам [1].
Цель исследования – предложить биохимические тесты для прогнозирования развития утомления на основании выявленных взаимосвязей между показателями окислительных процессов в жизненно важных органах и крови экспериментальных крыс и крови спортсменов, подвергшихся интенсивным физическим нагрузкам.
Материалы и методы исследования
Исследование проводили на белых аутбредных крысах-самцах массой 240 ± 20 г. и спортсменах-пловцах. Исследуемые животные были разделены на три группы. Первую из них составляли контрольные крысы (Кк, n = 10), подвергавшиеся плаванию без груза по усредненному времени (3–7 мин) через день в течение пяти недель эксперимента. Во вторую группу вошли животные с оптимальным режимом физической нагрузки (ИНк, n = 10–15), подвергавшиеся принудительному плаванию с грузом, равным 10 % от массы тела, в течение пяти недель эксперимента через день. На крысах третьей группы (ИН + Ук, n = 10–15) моделировали интенсивные физические нагрузки принудительным плаванием с грузом, равным 10 % от массы тела, в течение первых трех недель эксперимента через день, последние две недели – ежедневно. Критерием ограничения времени плавания у крыс второй и третьей экспериментальных групп служило опускание животного на дно бассейна, после которого оно не могло самостоятельно подняться на поверхность.
Плавание крыс проводили в бассейне диаметром 45 см, глубиной 60 см, с температурой воды 28–30 °С, а воздуха в виварии – 19–21 °С. Исследования проводились в соответствии с требованиями Европейской конвенции по защите экспериментальных животных (86/609 ЕЕС). По окончании эксперимента проводили забор крови и сердца. Cердце гомогенизировали на 0,15 М растворе хлорида калия в стеклянном гомогенизаторе Поттера при температуре 0–2 °С. Готовили 20 % гомогенаты сердца.
В выборку вошли 81 спортсмен мужского пола, занимающихся плаванием, в возрасте от 17 до 20 лет. Обследуемые спортсмены имели первый спортивный разряд, разряд кандидата в мастера спорта или мастера спорта. Они были обследованы в подготовительном периоде тренировочного процесса, отличающемся интенсивными физическими нагрузками. Первую группу испытуемых составили спортсмены, не имеющие по данным анамнеза, физиологических и биохимических исследований признаки утомления (ИНс, n = 61). Во вторую группу вошли спортсмены, имеющие признаки утомления по данным тех же исследований (ИН + Ус, n = 20). Забор крови у спортсменов проводили через 5–10 минут после завершения тренировки.
Контрольную группу (Кс) составили 30 человек, не занимающихся спортом, того же возраста и пола. При проведении исследования соблюдались требования Хельсинкской декларации «Этические принципы проведения научных медицинских исследований с участием человека».
По окончании эксперимента в крови крыс, спортсменов и лиц контрольной группы определяли концентрацию молочной и мочевой кислот, активность аспартатаминотрансферазы (АсАТ) унифицированными методами лабораторной диагностики. В эритроцитах и гомогенатах сердца исследовали активность глутатионредуктазы (ГлР), содержание малонового диальдегида (МДА), глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы (Г-6-ФДГ) и глутатиона методами, описанными в работе [2]. Для биохимического исследования крови использовали реактивы фирм «Ольвекс» (Россия), «Hospitex» (Швейцария, Италия), «Randox» (Великобритания).
Результаты исследования обработаны статистически с использованием компьютерной программы «SPSS 13.0 for Windows». Статистическая обработка осуществлялась при помощи непараметрического U-критерия Манна – Уитни. Измерение связи между переменными проводили при помощи корреляционного анализа по Спирмену (rs).
Результаты исследования и их обсуждение
Из приведенных в табл. 1 и 2 данных следует, что и у экспериментальных животных, и у спортсменов-пловцов интенсивные физические нагрузки сопровождаются выраженной гиперлакцидемией. Концентрация лактата у крыс группы ИН + Ук превышает значение аналогичного показателя в группах Кк и ИНк соответственно на 33,3 % (Р = 0,0001) и 31,1 % (Р = 0,003). У спортсменов группы ИН + Ус концентрация молочной кислоты в крови на 173 и 24 % выше по сравнению с группами Кс (Р < 0,0001) и ИНс (Р = 0,041) соответственно. Развившийся лактоацидоз приводит к интенсивному катаболизму пуриновых мононуклеотидов до гипоксантина и ксантина с последующим окислением этих метаболитов ксантиноксидазой до урата. Уровень урикемии в крови крыс группы ИН + Ук превышает аналогичный показатель у животных группы Кк и ИНк соответственно на 89,6 % (Р = 0,0001) и 43,3 % (Р = 0,01). Аналогичная тенденция отмечена и у спортсменов группы ИН + Ук: уровень урикемии у них на 41,2 % выше, чем в контроле (Р = 0,0001), и на 42,4 % превышает аналогичный показатель в группе ИНк (Р = 0,0001) (табл. 1, 2).
Интенсивные физические нагрузки у крыс группы ИН + Ук приводят к интенсификации анаэробного гликолиза и развитию лактоацидоза, инициирующих усиленный катаболизм пуринов. Это приводит к повреждению мембран эритроцитов, на что указывает нарастание в этих клетках уровня МДА – промежуточного продукта перекисного окисления липидов (ПОЛ). Его содержание в эритроцитах крыс группы ИН + Ук превышает аналогичный показатель у животных групп К и ИН на 18,8 % (Р = 0,001) и 14,3 % (Р = 0,019) соответственно. Коэффициент корреляции между концентрацией мочевой кислоты в плазме крови и содержанием МДА в эритроцитах крыс составляет rs = 0,366 (Р = 0,09). Это свидетельствует о взаимосвязи между катаболизмом пуринов и интенсификацией процессов ПОЛ. Повышение содержания МДА в эритроцитах спортсменов группы ИН + Ус (на 29,2 % (Р = 0,042) и 32,6 % (Р = 0,003) по сравнению с группами Кс и ИНс соотвественно) указывает на развившуюся у них липопероксидацию мембранных структур этих клеток.
Таблица 1
Показатели окислительных процессов у крыс контрольных (Кк, n = 10), подвергшихся интенсивным физическим нагрузкам без развития утомления (ИНк, n = 10–15) и с его развитием (ИН + Ук, n = 10–15), М ± m
|
Показатели |
Кк |
ИНк |
ИН + Ук |
|
В крови крыс |
|||
|
Лактат, ммоль/л |
8,19 ± 0,49 |
8,33 ± 0,60 |
10,92 ± 0,45 к, ин |
|
Урат, мкмоль/л |
79,2 ± 6,4 |
104,8 ± 10,5 |
150,2 ± 16,4 к, ин |
|
Малоновый диальдегид, мкмоль/л |
282 ± 3 |
293 ± 8 |
335 ± 14 к, ин |
|
Глутатион, ммоль/л |
1,01 ± 0,02 |
1,02 ± 0,04 |
0,88 ± 0,04 к, ин |
|
Глутатионредуктаза, МЕ/мл |
0,48 ± 0,02 |
0,48 ± 0,02 |
0,33 ± 0,05 к, ин |
|
Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа, МЕ/л |
712 ± 76 |
663 ± 80 |
311 ± 53 к, ин |
|
В сердце крыс |
|||
|
Малоновый диальдегид, мкмоль/мг белка |
8,83 ± 1,41 |
9,34 ± 0,26 |
10,18 ± 0,42 |
|
Глутатион, ммоль/г белка |
38,5 ± 2,6 |
33,5 ± 1,7 |
26,4 ± 2,4 к, ин |
|
Глутатионредуктаза, МЕ/мг белка |
52,4 ± 2,6 |
51,1 ± 2,2 |
44,1 ± 0,5 к, ин |
|
Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа, МЕ/г белка |
3,21 ± 0,44 |
2,88 ± 0,26 |
1,94 ± 0,33 к, ин |
Примечание. к – различие статистически значимо по сравнению с группой Кк; ин – с группой ИНк.
Таблица 2
Показатели окислительных процессов в крови лиц, не занимающихся спортом (Кс, n = 30), и спортсменов-пловцов, испытывающих интенсивные физические нагрузки без развития утомления (ИНс, n = 61) и с его развитием (ИН + Ус, n = 20), М ± m.
|
Показатели |
Кс |
ИНс |
ИН + Ус |
|
Лактат, ммоль/л |
2,19 ± 0,15 |
4,82 ± 0,18 к |
5,98 ± 0,48 к, ин |
|
Урат, мкмоль/л |
345 ± 12 |
342 ± 7 |
487 ± 20 к, ин |
|
АсАТ, МЕ/л |
22,3 ± 1,1 |
23,7 ± 0,7 |
30,0 ± 1,9 к, ин |
|
Малоновый диальдегид, мкмоль/л |
274 ± 16 |
267 ± 8 |
354 ± 29 к, ин |
|
Глутатион, ммоль/л |
1,043 ± 0,08 |
0,956 ± 0,02 |
0,850 ± 0,03 к, ин |
|
Глутатионредуктаза, МЕ/мл |
4,26 ± 0,16 |
4,14 ± 0,11 |
3,48 ± 0,21 к, ин |
|
Глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназа, МЕ/л |
99,2 ± 7,7 |
94,5 ± 4,4 |
71,1 ± 8,3 к, ин |
Примечание. к – различие статистически значимо по сравнению с группой Кс, ин – с группой ИНс.
Следствием активации ксантиноксидазной реакции, сопровождающей катаболизм пуринов, является повреждение мембранных структур кардиомиоцитов крыс группы ИН + Ук. Об этом свидетельствует повышенное содержание в клетках сердца последних МДА (на 15,3 (Р = 0,48) и 9,0 % (Р = 0,16) по сравнению с аналогичными показателями у животных групп Кк и ИНк соответственно). Повышение содержания МДА в клетках сердца крыс группы ИН + Ук отрицательно коррелирует со снижением в их крови активности Г-6-ФДГ (rs = –0,794; Р = 0,003).
Интенсификация процессов ПОЛ в крови крыс и спортсменов с развившимся утомлением приводит к истощению антиоксидантной системы (АОС). Содержание G-SH в эритроцитах крыс, подвергшихся ИН + Ук, снижается на 12,9 % (Р = 0,011) и 13,7 % (Р = 0,041) по сравнению с уровнем этого показателя у крыс групп Кк и ИНк соответственно. Отрицательная корреляция между концентрацией G-SH в эритроцитах и содержанием урата в плазме крови подтверждает взаимосвязь между уровнем этого трипептида в организме крыс и интенсивностью катаболизма пуринов (rs = –0,265; Р = 0,17). Дефицит глутатиона развивается и у спортсменов группы ИН + Ус. Содержание этого трипептида в эритроцитах последних снижено на 18,5 % (Р = 0,033) и 11,1 % (Р = 0,017) по отношению к контролю и спортсменам группы ИНс соответственно. Содержание глутатиона снижается и в кардиомиоцитах крыс группы ИН + Ук [на 31,4 % (Р = 0,019) и 21,2 % (Р = 0,028) относительно значения аналогичного показателя у животных групп Кк и ИНк соответственно].
Развившийся дефицит глутатиона связан, очевидно, с торможением активности ГлР. В эритроцитах крыс группы ИН + Ук она на 31,3 % (Р = 0,018) ниже относительно активности данного фермента в крови животных групп Кк и ИНк. В эритроцитах спортсменов группы ИН + Ус активность данного энзима снижена по отношению к аналогичному показателю в группах Кк и ИНк на 18,3 % (Р = 0,024) и 15,9 % (Р = 0,017) соответственно. Снижение активности ГлР в крови спортсменов группы ИН + Ус положительно коррелирует со снижением показателя активности Г-6-ФДГ в крови крыс группы ИН + Ук (rs = 0,481; Р = 0,041). Активность ГлР снижается также в клетках сердца крыс группы ИН + Ук [на 15,8 % (Р = 0,017) и 13,7 % (Р = 0,023) по сравнению с аналогичными показателями у животных групп Кк и ИНк соответственно].
Снижение активности ГлР связано с недостаточной обеспеченностью данного энзима НАДФН2, генерируемого из глюкозы в реакциях пентозного цикла. О торможении последнего свидетельствует развившийся у крыс и спортсменов дефицит Г-6-ФДГ. В эритроцитах крыс группы ИН + Ук активность последней на 56,3 % (Р = 0,003) и 53,1 % (Р = 0,004) ниже по сравнению с аналогичными показателями в группах Кк и ИНк соответственно. В клетках крови спортсменов группы ИН + Ус активность Г-6-ФДГ снижена соответственно на 28,3 % (Р = 0,029) и 24,8 % (Р = 0,022) по сравнению с аналогичными показателями в группах Кс и ИНс. Она положительно коррелирует с показателем активности ГлР в крови крыс группы ИН + Ук (rs = 0,511; Р = 0,026). О снижении эффективности пентозного цикла свидетельствует также уменьшение активности Г-6-ФДГ в кардиомиоцитах крыс группы ИН + Ук на 39,6 % (Р = 0,044) и 32,6 % (Р = 0,046) по сравнению с уровнем аналогичного показателя у крыс групп Кк и ИНк соответственно. Снижение активности Г-6-ФДГ в клетках сердца крыс группы ИН + Ук тесно коррелирует со снижением в их крови активности ГлР (rs = 0,546; Р = 0,018).
Заключение
Таким образом, показано что утомление, развившееся вследствие интенсивных физических нагрузок, сопровождается развитием гиперлакцидемии, инициирующей катаболизм пуринов до урата. Следствием активации ксантиноксидазной реакции являются активация процессов ПОЛ, истощение компонентов АОС и угнетение пентозного цикла. Данные процессы происходят однонаправленно как в крови и жизненно важных органах крыс, так и в крови спортсменов. Это позволяет предложить биохимические показатели, о которых говорилось выше, в качестве биохимических тестов для диагностики развития утомления у спортсменов.