Дипломная работа: Уровень инсулина, глюкозы и лактаты в крови

Дипломная работа: Уровень инсулина, глюкозы и лактаты в крови

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АТФ – аденозинтрифосфат

АДФ – аденозиндифосфат

АМФ – аденозинмонофосфат

Ацетил-СоА ацетилкофермент А

Гл-1-ф – глюкозо-1-фосфат

Гл-6-ф – глюкозо-6-фосфат

КрФ – креатинфосфат

МПК – максимальное потребление кислорода

ПАНО – порог анаэробного обмена

NADFH – никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный

АГ – аппарат гольджи

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время биохимические исследования в спортивной практике входят в комплексный медико биологический контроль подготовки спортсменов высокой квалификации. Особенностью проведения биохимических исследований в спорте является их сочетание с физической нагрузкой. Это обусловлено тем, что в состоянии покоя биохимические параметры тренированного спортсмена находятся в пределах нормы и не отличаются от аналогичных показателей здорового человека. Однако характер и выраженность возникающих под влиянием физической нагрузки биохимических сдвигов существенно зависят от уровня тренированности и функционального состояния спортсмена. Поэтому при проведении биохимических исследований в спорте пробы для анализа берут до тестирующей физической нагрузки, во время её выполнения, после её завершения и в разные сроки восстановления. Специалист в области физической культуры должен иметь необходимые представления о химическом составе крови и о его изменениях под воздействием физических нагрузок различного характера.

Целью нашей работы являлось сравнительное изучение уровня инсулина, глюкозы и лактата в сыворотке крови здоровых людей и спортсменов экстра-класса на максимальной физической нагрузке.

Научная новизна и практическая ценность работы. Было изучено влияние физической нагрузки на изменения метаболических процессов у контрольной группы людей и высококвалифицированных спортсменов. В современной литературе отличия в изменении метаболизма спортсменов экстра-класса от менее квалифицированных спортсменов при физической нагрузке практически не охарактеризованы. Полученные результаты могут быть использованы тренером для управления тренировочным процессом, для контроля протекания восстановления после тренировки, для оценки состояния здоровья спортсмена.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ В МЫШЦАХ

Мышцы – главный биохимический преобразователь химической энергии АТФ непосредственно в механическую энергию сокращения и движения. Мышечная ткань занимает первое место по объёму среди других тканей человека; на её долю при рождении приходится чуть меньше 25%, у людей среднего возраста – более 40%, у пожилых чуть меньше 30%, а у спортсменов, наращивающих мускулатуру – 60% и более от общей массы тела [6, 37].

Эффективное преобразование химической энергии в механическую возможно при соблюдении ряда условий:

1) должно быть обеспечено постоянное снабжение химической энергией. В мышцах человека химическая энергия заключена в молекулах АТФ и КрФ;

 2) должны существовать средства регуляции механической активности – скорости, длительности и силы сокращения;

 3) процесс преобразования должен находиться под контролем оператора – нервной системы;

4) для того, чтобы система преобразования энергии могла использоваться многократно, необходим механизм возврата системы в исходное состояние [2,17].

В настоящее время мышца рассматривается как высокоэффективная, универсальная машина, которая «тянет», но не «толкает», следовательно, каждая мышца должна находиться под антагонистическим воздействием другой группы мышц или какой-либо иной силы, такой, как сила тяжести или эластичная отдача [41].

       Обе фазы мышечной деятельности – сокращение и расслабление – протекают при обязательном использовании энергии, которая выделяется при гидролизе АТФ. Однако запасы АТФ в мышечных клетках незначительны и их достаточно для мышечной работы в течение 1 – 2 секунд. 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 идёт с потреблением энергии. В зависимости от источника энергии выделяют несколько путей ресинтеза АТФ.

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

1) максимальная мощность, или максимальная скорость, – это наибольшее количество АТФ, которое может образоваться в единицу времени за счёт данного пути ресинтеза. Измеряется максимальная мощность в калориях или джоулях, исходя из того, что 1 ммоль АТФ соответствует в физиологических условиях примерно 12 кал или 50 Дж. Поэтому данный критерий имеет размерность кал/мин×кг мышечной ткани или соответственно Дж/мин×кг мышечной ткани.

2) 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).

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

4) метаболическая емкость общее количество АТФ, которое может образоваться во время мышечной работы за счёт данного пути ресинтеза АТФ [1, 15, 29].

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

1.2. АЭРОБНЫЙ ПУТЬ РЕСИНТЕЗА АТФ

Аэробный путь ресинтеза АТФ (тканевое дыхание) – основной, базовый способ образования АТФ, протекающий в митохондриях мышечных клеток. В ходе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода и по дыхательной цепи передаются на молекулярный кислород, доставляемый кровью в мышцы из воздуха, в результате чего возникает вода. За счёт энергии, выделяющейся при образовании воды, происходит синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно на каждую образовавшуюся молекулу воды приходится синтез трёх молекул АТФ [4].

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 [20,32]. При мышечной работе за счёт 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 углекислый газ. Возникая при физической работе в избытке, он активирует дыхательный центр мозга, что в итоге приводит к повышению скорости кровообращения и улучшению снабжения мышц кислородом [40].

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 счёт аэробного пути ресинтеза АТФ возможно выполнение физических нагрузок только умеренной мощности.

Время развёртывания – 3 4 мин (у хорошо тренированных спортсменов может быть около 1 мин). Такое большое время развёртывания 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. Источниками энергии для аэробного ресинтеза АТФ являются углеводы, жиры и аминокислоты, распад которых завершается циклом Кребса. Причём 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 [27,31].

По сравнению с другими идущими в мышечных клетках процессами ресинтеза АТФ аэробный ресинтез имеет ряд преимуществ. Он отличается высокой экономичностью: в ходе этого процесса идёт глубокий распад окисляемых веществ до конечных продуктов – углекислого газа и воды, поэтому выделяется большое количество энергии. Другим достоинством этого пути ресинтеза является универсальность в использовании субстратов. В ходе аэробного ресинтеза окисляются все основные органические вещества организма: белки, углеводы, жирные кислоты и др. Ещё одним преимуществом этого способа образования АТФ является очень большая продолжительность его работы: практически он функционирует постоянно в течение всей жизни.

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 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 ещё и тем, что все ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в форме дыхательных ансамблей и функционируют только при наличии неповреждённой мембраны. Любые факторы, влияющие на состояние и свойства мембран, нарушают образование АТФ аэробным способом. Ещё одним недостатком аэробного образования АТФ можно считать большое время развёртывания (3 – 4 мин) и небольшую по абсолютной величине максимальную мощность. В спортивной практике для оценки аэробного фосфорилирования часто используют три показателя: максимальное потребление кислорода (МПК), порог анаэробного обмена (ПАНО), кислородный приход.

МПК – максимально возможная скорость потребления кислорода организмом при выполнении физической работы. Этот показатель характеризует максимальную мощность аэробного пути ресинтеза АТФ: чем выше величина МПК, тем больше значение максимальной скорости тканевого дыхания, это обусловлено тем, что практически весь поступающий в организм кислород используется в этом процессе. МПК представляет собой интегральный показатель, зависящий от многих факторов: от функционального состояния кардиореспираторной системы, от содержания в крови гемоглобина, от количества и размера митохондрий. У нетренированных молодых людей МПК обычно равно 3 – 4 л/мин, у спортсменов высокого класса, выполняющие аэробные нагрузки, МПК – 6 – 7 л/мин. На практике, для исключения влияния на эту величину массы тела МПК рассчитывают на кг массы тела [25]. В этом случае у молодых людей, не занимающихся спортом, МПК равно 40 – 50 мл/мин×кг, а у хорошо тренированных спортсменов – 80 – 90 мл/мин×кг.

ПАНО – минимальная относительная мощность работы, измеренная по потреблению кислорода в процентах по отношению к МПК, при которой начинает включаться гликолитический путь ресинтеза АТФ. У нетренированных ПАНО составляет 40 – 50% от МПК, а у спортсменов ПАНО может достигать 70% от МПК.

Кислородный приход – это количество кислорода, использованное во время выполнения данной нагрузки для обеспечения аэробного ресинтеза АТФ. Кислородный приход характеризует вклад тканевого дыхания в энергообеспечение проделанной работы [7].

1.3. КРЕАТИНФОСФАТНЫЙ ПУТЬ ОБРАЗОВАНИЯ АТФ

Анаэробные пути ресинтеза АТФ являются 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 ещё полностью не развернулось, а также при выполнении физических нагрузок высокой мощности.

В мышечных клетках всегда имеется креатинфосфат – соединение, содержащее фосфатную группу, связанную с остатком креатина макроэргической связью [10]. Содержание  КрФ в мышцах в покое 15 – 20 ммоль/кг.

КрФ обладает большим запасом энергии и высоким сродством к АДФ. Поэтому он легко вступает во взаимодействие с молекулами АДФ, появляющимися в мышечных клетках при физической работе в результате гидролиза АТФ. В ходе этой реакции остаток фосфорной кислоты с запасом энергии переносится с КрФ на молекулу АДФ с образованием креатина и АТФ. Эта реакция катализируется ферментом креатинкиназой. В связи с этим данный путь ресинтеза АТФ ещё называют креатинкиназным. Креатинфосфатная реакция обратима, но её равновесие смещено в сторону образования АТФ, и поэтому она начинает осуществляться сразу же, как только в миоцитах появляются первые порции АДФ.

При мышечной работе активность креатинкиназы значительно возрастает за счёт активирующего воздействия на неё ионов кальция, концентрация которых в саркоплазме под действием нервного импульса увеличивается почти в 1000 раз [39]. Другой механизм регуляции креатинфосфатной реакции связан с активирующим воздействием на креатинкиназу креатина, образующегося в ходе данной реакции. За счёт этих механизмов активность креатинкиназы в начале мышечной работы резко увеличивается и креатинфосфатная реакция очень быстро достигает максимальной скорости.

Креатинфосфат, обладая большим запасом химической энергии, является веществом непрочным. От него легко может отщепляться фосфорная кислота, в результате чего происходит циклизация остатка креатина, приводящая к образованию креатинина, которое происходит без участия ферментов, спонтанно. Образовавшийся креатинин в организме не используется и выводится с мочой. Поэтому по выделению креатинина с мочой можно судить о содержании креатинфосфата в мышцах, так как в них находятся основные запасы этого соединения.

Синтез креатинфосфата в мышечных клетках происходит во время отдыха путём взаимодействия креатина с избытком АТФ. Частично запасы КрФ могут восстанавливаться и при мышечной работе умеренной мощности, при которой АТФ синтезируется за счёт тканевого дыхания в таком количестве, которого хватает и на обеспечение сократительной функции миоцитов, и на восполнение запасов креатинфосфата [19]. Поэтому во время выполнения физической работы креатинфосфатная реакция может включаться многократно.

Образование креатина в печени происходит с использованием трёх аминокислот: глицина, метионина и аргинина. В спортивной практике для повышения в мышцах концентрации КрФ используют в качестве пищевых добавок препараты глицина и метионина. Креатинфосфатный путь ресинтеза АТФ характеризуется следующими величинами принятых количественных критериев:

Максимальная мощность составляет 900 – 1100 кал/мин×кг, что в три раза выше соответствующего показателя для аэробного ресинтеза [28]. Такая большая величина обусловлена высокой активностью фермента креатинкиназы и, следовательно, очень высокой скоростью креатинфосфатной реакции.

Время развёртывания всего 1 – 2 секунды. Исходных запасов АТФ в мышечных клетках хватает на обеспечение мышечной деятельности как раз в течение 1 – 2 с, и к моменту их исчерпания креатинфосфатный путь образования АТФ уже функционирует со своей максимальной скоростью. Такое малое время развёртывания объясняется действием механизмов регуляции активности креатинкиназы, позволяющих резко повысить скорость этой реакции.

Время работы с максимальной скоростью всего лишь 8 – 10 с, что связано с небольшими исходными запасами креатинфосфата в мышцах.

Главными преимуществами креатинфосфатного пути образования АТФ являются очень малое время развёртывания и высокая мощность, что имеет крайне важное значение для скоростно-силовых видов спорта. Главным недостатком этого способа синтеза АТФ, существенно ограничивающим его возможности, является короткое время его функционирования. Время поддержания максимальной скорости всего 8 – 10 с, к концу 30-й его скорость снижается вдвое [30]. А к концу 3-й минуты интенсивной работы креатинфосфатная реакция в мышцах практически прекращается.

Исходя из такой характеристики креатинфосфатного пути ресинтеза АТФ, следует ожидать, что эта реакция окажется главным источником энергии для обеспечения кратковременных упражнений максимальной мощности. Креатинфосфатная реакция может неоднократно включаться во время выполнения физических нагрузок, что делает возможным быстрое повышение мощности выполняемой работы, развития ускорения на дистанции и финишный рывок.

1.4. ИНСУЛИН И ОБМЕН ГЛЮКОЗЫ

Поджелудочная железа, по сути дела, представляет собой два разных органа, объединённых в единую морфологическую структуру. Её ацинарная часть выполняет экзокринную функцию, секретируя в просвет двенадцатиперстной кишки ферменты и ионы, необходимые для процессов пищеварения. Эндокринная часть железы состоит из 1 – 2 млн. островков Лангерганса, на долю которых приходится 1 – 2% всей массы поджелудочной железы. Островки в поджелудочной железе были обнаружены в 1860 году. Лангерганс, которому принадлежит это открытие, не представлял себе, что удаление поджелудочной железы ведёт к сахарному диабету. Это было доказано в 1921 году Бантингом и Бестом. Экстрагировав подкисленным этанолом ткань поджелудочной железы, они выделили некий фактор, обладающий мощным гипогликемизирующим действием. Этот фактор был назван инсулином. Вскоре было установлено, что инсулин, содержащийся в островках поджелудочной железы крупного рогатого скота и свиней, активен и у человека. Инсулин во многих отношениях может служить моделью пептидных гормонов. Он первым из гормонов этой группы был получен в очищенном виде, кристаллизован и синтезирован химическим путём и методами генной инженерии [3,26]. Исследование путей биосинтеза привело к созданию концепции пропептидов.

Молекула инсулина полипептид, состоящий из двух цепей, А и В, связанных между собой двумя дисульфидными мостиками, соединяющими остаток А7 с остатком В7 и остаток А20 с остатком В19. Третий дисульфидный мостик связывает между собой остатки 6 и 11 А-цепи. Локализация всех трёх дисульфидных мостиков постоянна, а А- и В-цепи у представителей большинства видов имеют по 21 и 30 аминокислот соответственно. Молекулярная масса человеческого инсулина 5734. В обеих цепях во многих положениях встречаются замены, не оказывающие влияние на биологическую активность гормона, однако наиболее часты замены по положениям 8,9 и 10 А-цепи. Из этого следует, что данный участок не имеет критического значения для биологической активности инсулина. Однако некоторые участки и области молекулы инсулина обладают высокой консервативностью. К ним относятся 1) положения трёх дисульфидных мостиков 2) гидрофобные остатки в С-концевом участке В-цепи 3) С- и N-концевые участки А-цепи. Использование химических модификаций и замен отдельных аминокислот шести этих участков помогает идентифицировать сложный активный центр.

Синтез инсулина и его упаковка в гранулы происходит в определённом порядке. Проинсулин синтезируется на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума. Затем в цистернах этой органеллы происходит ферментативное отщепление лидерной последовательности, образование дисульфидных мостиков и складывание молекулы. После этого молекула инсулина переносится в аппарат Гольджи, где начинается протеолиз и упаковка в секреторные гранулы. Созревание гранул продолжается по мере продвижения по цитоплазме в направлении плазматической мембраны.

Поджелудочная железа человека секретирует 40 – 50 ед. инсулина в сутки, что соответствует 15 – 20% общего количества гормона в железе. Секреция инсулина – энергозависимый процесс, происходящий с участием системы микротрубочек и микрофиламентов островковых В-клеток и ряда медиаторов.

Повышение концентрации глюкозы в крови – главный физиологический стимул секреции инсулина. Пороговой для секреции инсулина является концентрация глюкозы натощак 80 – 100 мг%, а максимальная реакция достигается при концентрации глюкозы 300 – 500 мг%. Секреция инсулина в ответ на повышение концентрации глюкозы носит двухфазный характер. Немедленный ответ, или первая фаза реакции, начинается в пределах 1 минуты после повышения концентрации глюкозы и продолжается в течение 5 – 10 мин. Затем наступает более медленная и продолжительная вторая фаза, обрывающаяся сразу после удаления глюкозного стимула [14]. Согласно существующим представлениям, наличие двух фаз ответной реакции инсулина отражает существование двух различных внутриклеточных пулов инсулина. Абсолютная концентрация глюкозы в плазме – не единственная детерминанта секреции инсулина. В-клетки реагируют и на скорость изменения концентрации глюкозы в плазме.

Внутриклеточная концентрация свободной глюкозы значительно ниже её внеклеточной концентрации. Большинство имеющихся данных свидетельствуют о том, что скорость транспорта глюкозы через плазматическую мембрану мышечных и жировых клеток определяет интенсивность фосфорилирования глюкозы и её дальнейший метаболизм. D-глюкоза и другие сахара с аналогичной конфигурацией проникают в клетки путём облегчённой диффузии, опосредованной переносчиком. Во многих клетках инсулин усиливает этот процесс, что обусловливается увеличением числа переносчиков, а не повышением сродства связывания [12]. В жировых клетках это происходит путём мобилизации переносчиков глюкозы из неактивного их пула в АГ с дальнейшим направлением их к активному участку плазматической мембраны.

Инсулин оказывает влияние на внутриклеточную утилизацию глюкозы различными путями. В норме примерно половина поглощённой глюкозы вступает на путь гликолиза и превращается в энергию, другая половина запасается в виде жиров или гликогена. В отсутствие инсулина ослабевает интенсивность гликолиза и замедляются анаболические процессы гликогенеза и липогенеза. Действительно, при дефиците инсулина всего лишь 5% поглощённой глюкозы превращается жир.

Инсулин усиливает интенсивность гликолиза в печени, повышая активность и концентрацию ряда ключевых ферментов, таких как, глюкокиназа, фосфофруктокиназа и пируваткиназа. Более интенсивный гликолиз сопровождается более активной утилизацией глюкозы и, следовательно, косвенно способствует снижению выхода глюкозы в плазму. Инсулин, кроме того, подавляет активность глюкозо-6-фосфатазы – фермента, обнаруживаемого в печени, но не в мышцах [33]. В результате глюкоза удерживается в печени, так как для глюкозо-6-фосфата плазматическая мембрана непроницаема.

В жировой ткани инсулин стимулирует липогенез путём 1) притока ацетил-СоА и NADFH, необходимых для синтеза жирных кислот, 2) поддержания нормального уровня фермента ацетил-СоА-карбоксилазы, катализирующего превращение ацетил-СоА в малонил-Соа, и 3) притока глицерола, участвующего в синтезе триацилглицеролов. При инсулиновой недостаточности все эти процессы ослабляются и в результате интенсивность липогенеза снижается.

Механизм влияния инсулина на утилизацию глюкозы включает в себя и другой анаболический процесс. В печени и в мышцах инсулин стимулирует превращение глюкозы в гл-6-ф, который затем подвергается изомеризации в гл-1-ф и в таком виде включается в гликоген под действием фермента гликогенсинтазы. Это действие имеет двойственный и непрямой характер. В результате высвобождение глюкозы из гликогена снижается [5,34].

Влияние инсулина на транспорт глюкозы, гликолиз и гликогенез проявляется за считанные секунды или минуты, поскольку первичные реакции этого влияния сводятся к активации или инактивации ферментов путём их фосфорилирования или дефосфорилирования. Более продолжительное влияние инсулина на содержание глюкозы в плазме крови связано с ингибированием глюконеогенеза. Образование глюкозы из предшественников неуглеводной природы осуществляется в результате ряда ферментативных реакций, многие из которых стимулируются глюкагоном, глюкокортикоидными гормонами и в меньшей степени ангиотензином и вазопрессином. Инсулин же подавляет данные ферментативные реакции.

Результирующее действие всех перечисленных выше эффектов инсулина сводится к снижению содержания глюкозы в крови. Этому действию инсулина противостоят эффекты целого ряда гормонов, что, несомненно, отражает один из важнейших защитных механизмов организма, поскольку длительная гипогликемия способна вызвать несовместимые с жизнью изменения в мозге и, следовательно, её нельзя допускать.

1.5. ГЛИКОЛИТИЧЕСКИЙ ПУТЬ РЕСИНТЕЗА АТФ

Этот путь ресинтеза, так же как и креатинфосфатный, относится к анаэробным способам образования АТФ. Источником энергии, необходимой для ресинтеза АТФ, является мышечный гликоген, концентрация которого в саркоплазме колеблется в пределах 0,2 – 3%. При анаэробном распаде гликогена от его молекулы под воздействием фермента фосфорилазы поочерёдно отщепляются концевые остатки глюкозы в форме гл-1-ф. Далее молекулы гл-1-ф через ряд последовательных стадий превращаются в молочную кислоту. В процессе гликолиза образуются промежуточные продукты, содержащие фосфатную группу с макроэргической связью, которая легко переносится на АДФ с образованием АТФ. Все ферменты гликолиза находятся в саркоплазме мышечных клеток.

Регуляция скорости гликолиза осуществляется путём изменения активности двух ферментов: фосфорилазы и фосфофруктокиназы. Фосфорилаза катализирует первую реакцию распада гликогена отщепление от него гл-1-ф. Этот фермент активируется адреналином, АМФ и ионами кальция, а ингибируется гл-6-ф и избытком АТФ. Второй регуляторный фермент гликолиза – фосфофруктокиназа – активируется АДФ и особенно АМФ, а тормозится избытком АТФ и лимонной кислотой. Наличие таких регуляторных механизмов приводит к тому, что в покое гликолиз протекает очень медленно, при интенсивной мышечной работе его скорость резко возрастает и может увеличиваться по сравнению с уровнем покоя почти в 2000 раз.

Количественные критерии гликолитического пути ресинтеза АТФ:

Максимальная мощность 750 – 850 кал/мин×кг, что примерно вдвое выше соответствующего показателя тканевого дыхания [18]. Высокое значение максимальной мощности гликолиза объясняется содержанием в мышечных клетках большого запаса гликогена, наличием механизмов активации ключевых ферментов, приводящих к значительному росту скорости гликолиза, отсутствием потребности в кислороде [3].

Время развёртывания – 20 30 с. Это обусловлено тем, гликоген и ферменты находятся в саркоплазме миоцитов, а также возможностью активации ферментов гликолиза. Фосфорилаза фермент, запускающий гликолиз, - активируется адреналином, который выделяется в кровь непосредственно перед началом работы [13]. 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 минуты. Существуют две основные причины такой небольшой величины этого критерия. Во-первых, гликолиз протекает с высокой скоростью, что быстро приводит к уменьшению в мышцах концентрация гликогена и, следовательно, к последующему снижению скорости его распада. Во-вторых, в процессе гликолиза образуется молочная кислота, накопление которой приводит к повышению кислотности внутри мышечных клеток [35]. В условиях повышенной кислотности снижается каталитическая активность ферментов, в том числе ферментов гликолиза, что также ведёт к уменьшению скорости данного пути ресинтеза АТФ.

Гликолитический способ образования АТФ имеет ряд преимуществ перед аэробным путём. Он быстрее выходит на максимальную мощность (20-30 с), имеет более высокую величину максимальной мощности (в 2 раза больше) и не требует участия митохондрий и кислорода [24].

Однако у этого пути есть существенные недостатки. Этот процесс малоэкономичен. Распад до лактата одного остатка глюкозы, отщеплённого от гликогена, даёт только 3 молекулы АТФ, тогда как при аэробном окислении гликогена до воды и углекислого газа образуется 39 молекул АТФ в расчёте на один остаток глюкозы. Такая неэкономичность в сочетании с большой скоростью быстро приводит к исчерпанию запасов гликогена [33]. Другой серьёзный недостаток гликолитического пути – образование и накопление лактата, являющегося конечным продуктом этого процесса. Накопление лактата в мышечных клетках существенно влияет на их функционирование [36]. В условиях повышенной кислотности, вызванной нарастанием концентрации лактата, снижается сократительная способность белков, участвующих в мышечной деятельности, уменьшается каталитическая активность белков-ферментов, в том числе АТФазная активность миозина и активность кальциевой АТФазы, изменяются свойства мембранных белков, что приводит к повышению проницаемости биологических мембран. Кроме того, накопление лактата в мышечных клетках ведёт к набуханию этих клеток вследствия поступления в них воды, что в итоге уменьшает сократительные возможности мышц. Можно также предположить, что избыток лактата внутри миоцитов связывает часть ионов кальция и тем самым ухудшает управление процессами сокращения и расслабления, что особенно сказывается на скоростных свойствах мышцы.

Известные в настоящее время биохимические методы оценки использования при физической работе гликолитического пути ресинтеза АТФ основаны на оценке биохимических сдвигов в организме, обусловленных накоплением молочной кислоты. Одним из показателей, отражающих накопление в кровяном русле молочной кислоты, является водородный показатель крови (рН). В покое этот показатель равен 7,36 – 7,40, а после интенсивной работы он снижается до 7,2 – 7,0 [22].

 Ещё один метод оценки скорости гликолиза, фиксирующий последствия образования и накопления молочной кислоты – это определение щелочного резерва крови. Щелочной резерв крови – это щелочные компоненты всех буферных систем крови. При поступлении во время мышечной работы в кровь молочной кислоты она вначале нейтрализуется путём взаимодействия с буферными системами крови, и поэтому происходит снижение щелочного резерва крови.

Также может быть использовано определение лактатного кислородного долга. Лактатный кислородный долг – это повышенное потребление кислорода в ближайшие 1 – 1,5 часа после окончания мышечной работы. Этот избыток кислорода необходим для устранения молочной кислоты, образовавшейся при работе. Наибольшие величины лактатного кислородного долга определяются после физических нагрузок продолжительностью 2 3 минуты, выполняемых с предельной интенсивностью. У хорошо тренированных спортсменов величина лактатного кислородного долга может достигать 20 л [38].

Самым основным методом оценки гликолитического пути образования АТФ является определение после физической нагрузки концентрации лактата в крови (см. гл. 3).

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Материалы исследования

Кровь является одним из наиболее важных объектов биохимических исследований, так как в ней отражаются все метаболические изменения в тканевых жидкостях и лимфе организма. По изменению состава крови  или плазмы крови можно судить о гомеостатическом состоянии внутренней среды организма или изменении его при спортивной деятельности [9].

Пробы крови отбирались из локтевой вены до нагрузки и непосредственно после остановки тредбана.

Испытуемые составили две группы:

1) бегуны на средние дистанции квалификации мастера спорта и мастера спорта международного класса в возрасте 18-25 лет; 2) добровольцы того же возраста без заболеваний, связанных с изменением основного метаболизма. Каждую группу делилась на две подгруппы – до нагрузки и на максимальной нагрузке.

2.2.   Создание ступенчато повышающейся физической нагрузки

Нагрузку 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, на которой испытуемый бежал до состояния полного утомления [11].

2.3.     Определение уровня инсулина

Уровень инсулина определяли иммуноферментным методом ELISA [23] в сыворотке крови. Для получения сыворотки кровь центрифугировали 30 мин при 4000 об/мин.

2.4. Определение уровня лактата и глюкозы

Уровень глюкозы и лактата определяли с помощью ферментных электродов на автоматическом анализаторе Roche Omni S 6.

2.5.     Статистическая обработка результатов исследования

Для оценки достоверности различий между значениями физиологической нормы и значениями после физической нагрузки использовали t-критерий Стьюдента [8]. Это параметрический критерий, используемый для проверки гипотез о достоверности разницы средних при анализе количественных данных с нормальным распределением и одинаковой вариантой.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Уровень инсулина в сыворотке крови спортсменов экстра-класса и здоровых людей до и после максимальной физической работы

Результаты нашего исследования показывают, что до физической нагрузки спортсмены экстра-класса и здоровые люди фактически не отличались по показателям концентрации инсулина в крови. На максимальной же физической нагрузке уровень инсулина у спортсменов поднимался на 90% по сравнению с исходным, в то время, как у не спортсменов уровень инсулина не отличался от исходного (рис 1).

  Рис.1. Уровень инсулина до и после максимальной физической работы.

  Здесь:       - спортсмены;         - здоровые люди

* - сравнение с состоянием покоя: * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001

  + - сравнение со здоровыми людьми: + - р<0,05; +++ - p<0,01;+++ - р<0,001

3.2. Уровень глюкозы в сыворотке крови спортсменов экстра-класса и здоровых людей до и после максимальной физической работы

В результате проведённого исследования было выявлено, что до нагрузки спортсмены и контрольная группа добровольцы не отличались по исследуемому показателю. Результаты исследований показывают, что при нагрузке происходит мобилизация гликогена печени и выброс глюкозы в кровь, что отражается на её содержании в крови здоровых людей (рис. 2). Однако возрастающий уровень инсулина способствует поглощению глюкозы работающими тканями и нормализации уровня глюкозы в крови. 

 Рис.2. Уровень глюкозы до и после максимальной физической работы.

 Здесь:       - спортсмены;         - здоровые люди

* - сравнение с состоянием покоя: * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001

+ - сравнение со здоровыми людьми: + - р<0,05; +++ - p<0,01;+++ - р<0,001

3.3. Уровень лактата в сыворотке крови спортсменов экстра-класса и здоровых людей до и после максимальной физической работы

 Из результатов исследования видно, что спортсмены и здоровые люди не отличались по уровню лактата до проведения ими физической работы (рис. 3). У спортсменов повышенный захват глюкозы работающими мышцами приводит к значительному повышению концентрации лактата (до 20±4 ммоль/л), в то время как у контрольной группы добровольцев концентрация лактата повышалась до 11±3 ммоль/л.

Рис.3. Уровень лактата до и после максимальной физической работы.

Здесь:       - спортсмены;         - здоровые люди

* - сравнение с состоянием покоя: * - р < 0,05; ** - р < 0,01; *** - р < 0,001

+ - сравнение со здоровыми людьми: + - р<0,05; +++ - p<0,01;+++ - р<0,001

ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Биохимические сдвиги, возникающие после выполнения стандартной нагрузки, обычно тем больше, чем ниже уровень тренированности спортсмена. Поэтому одинаковая по объёму стандартная работа вызывает выраженные биохимические изменения у слабо подготовленных испытуемых и мало влияет на биохимические показатели у спортсменов высокой квалификации. После выполнения максимальной нагрузки биохимические изменения чаще всего пропорциональны степени подготовленности спортсменов. Это объясняется тем, что спортсмены экстра-класса выполняют максимальную работу большего объёма и их организм менее чувствителен к возникающим биохимическим и функциональным сдвигам.

В результате проведённого исследования получили следующие данные: до нагрузки спортсмены экстра-класса и контрольная группа добровольцев не отличались по исследуемым показателям. При максимальной физической работе уровень инсулина у спортсменов высокой квалификации поднимался на 90% по сравнению с исходным, в то время как у не спортсменов уровень инсулина при нагрузке не отличался от исходного. Данный факт позволяет объяснить наблюдаемые изменения в концентрации глюкозы при физической нагрузке.

Повышенный уровень инсулина позволяет спортсменам сохранять стабильный уровень глюкозы при физической работе. Изменение концентрации глюкозы в крови во время работы характеризуется фазностью. В начале работы уровень глюкозы в крови возрастает. Это объясняется тем, что в начале работы в печени имеются большие запасы гликогена и глюкогенез протекает с высокой скоростью. С другой стороны, в начале работы мышцы тоже обладают значительными запасами гликогена, которые они используют для своего энергообеспечения, и поэтому не извлекают глюкозу из кровяного русла. По мере выполнения работы снижается содержание гликогена как в печени, так и в мышцах. В связи с этим печень направляет всё меньше и меньше глюкозы в кровь, а мышцы наоборот, начинают в большей мере использовать глюкозу крови для получения энергии.

В покое, до работы содержание лактата в крови равняется 1 – 2 ммоль/л. После работы «до отказа» у контрольной группы добровольцев концентрация лактата повышалась до 8 – 14 ммоль/л, в то время как у высокотренированных спортсменов этот рост может достигать 18 – 28 ммоль/л. Наибольший подъём уровня лактата в крови отмечается при выполнении физических нагрузок в зоне субмаксимальной мощности, так как в этом случае главным источником энергии для работающих мышц является анаэробный гликолиз, приводящий к образованию и накоплению молочной кислоты.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что резкое возрастание уровня лактата в крови после максимальной нагрузки говорит о высоких возможностях гликолитического пути ресинтеза АТФ и о резистентности организма к повышению кислотности. Незначительный  же подъём содержания молочной кислоты в крови, наоборот, указывает на слабое развитие гликолиза и на слабую резистентность организма к накоплению лактата. В связи с этим у добровольцев состояние полного утомления при выполнении максимальной работы наступает раньше, что находит отражение в объёме проделанной работы и глубине возникающих в организме сдвигов. При этом наблюдается низкий спортивный результат.

ВЫВОДЫ

1. В физиологическом состоянии спортсмены и контрольная группа характеризовались одинаковым уровнем обмена глюкозы.

2. При максимальной физической нагрузке у спортсменов высокой квалификации наблюдается экономизация потока глюкозы за счёт повышения уровня инсулина. Вероятно, это является одним из факторов, позволяющих показывать высокий результат.

3. Экономизация потока глюкозы позволяет ускорить ее распад в мышцах и достигнуть высокой концентрации лактата у спортсменов экстра-класса.

ЛИТЕРАТУРА

1.         Михайлов С.С. Спортивная биохимия // Издательство Советский спорт. – 2004. – С. 149 – 170.

2.         Р. Марри, Д. Греннер, В. Родуэлл. Биохимия человека. Том Ι // Мир. – 1993. – С. 221 – 223.

3.         A. Уайт, Ф. Хендлер, Э. Смит, Р. Хилл. Основы биохимии. Том ΙΙΙ // Мир. – 1981. С. 1417 – 1432.

4.         А. Ленинджер. Основы биохимии. Том ΙΙ // Мир. – 1985. С. 442 – 443.

5.         Л. Страйер. Биохимия. Том ΙΙ // Мир. – 1985. С. 128 – 131.

6.         Р. Марри, Д. Греннер, В. Родуэлл. Биохимия человека. Том ΙΙ // Мир. – 1993. – С. 248 – 260.

7.         Cohen, B., D. Novick, and M. Rubinstein. Modulation of insulin activities by leptin // Science. 1996. N 274, Р. 1185-1188.

8.         Borghouts LB, Keizer HA. Exercise and insulin sensitivity: a review // International J Sports Med. – 2000. N 12, Р. 12 16.

9.         Sato Y, Oshida Y, Ohsawa I, Sato J, Yamanouchi K. Biochemical determination of training effects using insulin clamp and microdialysis techniques // Medicine and Sport Science. – 1992. N 37, Р. 193–200.

10.       Kitamura I, Takeshima N, Tokudome M, Yamanouchi K, Oshida Y, Sato Y.   Effects of aerobic and resistance exercise training on insulin action in the  elderly // Geria Gerontol Int. - 2003. N 11, P. 47–52.

11.       Balon TW, Nadler JL. Evidence that nitric oxide increases glucose transport     in skeletal muscle // J Appl Physiology. – 1997. N 4, Р. 359 – 363.

12.       Perseghin G, Price TB, Petersen KF. Increased glucose transport-phosphorylation and muscle glycogen synthesis after exercise training in insulin resistance subjects // N England J Med. – 1999. N 3, Р. 1357–1362.

13.       Craig BW, Everhart J, Brown A. The influence of high-resistance training on glucose tolerance in young and elderly subjects // Mech Ageing Dev. – 2003. N 6, Р. 147–157.

14.       Miller WJ, Sherman WM, Ivy JL. Effect of strength training on glucose tolerance and post-glucose insulin response // Med Science Sports Exerc. – 2000. N 16, Р. 539–543.

15.       Goodpaster BH, Thaete FL, Simoneau JA, Kelley DE.  Subcutaneous abdominal fat and thigh muscle composition predict insulin sensitivity independent // Medicine. – 1999. N 12, Р. 1579–1585.

16.       DeFronzo RA, Tobin JD, Andres R.  Glucose clamp technique: a method for quantifying insulin secretion and resistance // Am J Physiology. – 2003. N 11, Р. 214–233.

17.       Segal KR, Edano E, Abalos A, et al.  Effects of exercise training on insulin sensitivity and glucose metabolism in lean, obese and diabetic men // J Appl Physiology. – 2001. N 12, Р. 2402–2411.

18.       Tonino RP. Effect of physical training on the insulin resistance of aging // Am J Physiol. – 2003. N 7, Р. 352–356.

19.       Trovati M, Carta Q, Cavalot F, et al. Influence of physical training on blood glucose control, glucose tolerance, insulin secretion, and insulin action // Metabolism. – 2004. N 5, Р. 133 – 137.

20.       Goodyear LJ, Hirshman MF, Valyou PM, Horton ES.  Glucose transporter number, function and subcellular distribution in rat skeletal muscle after exercise training // Metabolism. - N 41, Р. 1091–1099.

21.       Ebeling P, Bourey R, Koranyi L, et al. Mechanism of enhanced insulin sensitivity in athletes // J Clin Invest. – 2001. N 92, Р. 1623–1631.

22.       Smutok MA, Reece C, Kokkinos PF.  Effects of exercise training modality on glucose tolerance in men with abnormal glucose regulation // International J Sports Med. – 2002. N 15, Р. 283 – 289.

23.      Eriksson J, Turminen J, Valle T. Aerobic endurance exercise or circuit-type resistance training for individuals with impaired glucose tolerance // Horm Metabolism Res. – 2001. N 30, Р. 37–43.

24.      Short KR, Vittone JL, Bigelow ML. Impact of aerobic exercise training  changes in insulin sensitivity and muscle oxidative capacity // Medicine. - 2003. N 5, Р. 88 – 96.

25.      Jensen J, Ruzzin J, Jebens E. Improved insulin-stimulated glucose uptake and glycogen synthase activation in rat skeletal muscles after adrenaline infusion: role of glycogen content // Acta Physiology Scand. – 2004. N 3, Р. 121 - 130. 

26.      Tischler ME, Satarug S, Aannestad A. Insulin attenuates atrophy of unweighted soleus muscle by amplified inhibition of protein degradation // Metabolism. 2005. N 4, Р. 11 – 21.

27.      Rhéaume C, Waib PH, Kouamé N. Effects of intense and prolonged exercise on insulin sensitivity and glycogen metabolism // Circulanion. 2003. N 2, Р. 225 – 229.

28.      Kumar N, Dey CS. Metformin enhances insulin signaling in insulin-dependent and independent pathways in insulin resistant muscle cells // Br J Pharmacology. – 2002. N 11, Р. 329–236.

29.      Björntorp, P, Berchtold, P, Grimby, G. Effects of physical training on glucose tolerance, plasma insulin and lipids and on body composition in men after myocardial infarction // Acta Med Scand. – 2004. N 192, Р. 439 – 443.

30.      Mourier A, Gautier JF, De Kerviler E, Bigard AX, Villette JM, Garnier JP, Duvallet A, Guezennec CY, Cathelineau G. Mobilization of visceral adipose tissue related to the improvement in insulin sensitivity in response to physical training in NIDDM // Medicine. – 2001. N 10, P. 211 – 213.

31.      Best JD, Kahn SE, Ader M, Watanabe RM, Ni T-C, Bergman RN. Role of glucose effectiveness in the determination of glucose tolerance // Metabolism. – 2004. N 2, P. 110 – 119.

32.      Taniguchi A, Nakai Y, Fukushima M, Imura H, Kawamura H, Nagata I, Florant GL, Tokuyama K. Insulin sensitivity, insulin secretion, and glucose effectiveness in subjects with impaired glucose tolerance: a minimal model analysis // Metabolism. 2005. N 4, P. 311 – 314.

33.      Kahn SE, Larson VG, Beard JC, Cain KC, Fellingham GW, Schwartz RS, Veith RC, Stratton JR, Cerqueira MD, Abrass IB. Effect of exercise on insulin action, glucose tolerance, and insulin secretion in aging // Am J Physiology. – 2001. N 3, P. 15 – 25.

34.      Tokuyama K, Higaki Y, Fujitani J, Kiyonaga A, Tanaka H, Shindo M, Fukushima M, Nakai Y, Imura H, Nagata I, Taniguchi A. Intravenous glucose tolerance test–derived glucose effectiveness in physically trained humans // Am J Physiology. – 1993. N 18, P. 31 – 34.

35.      Brun JF, Guintrand-Hugret R, Boegner C, Bouix O, Orsetti A. Influence of short-term submaximal exercise on parameters of glucose assimilation analyzed with the minimal model // Metabolism. – 2000. N 8, P. 45 – 47.

36.      Pestell RG, Ward GM, Galvin P, Best JD, Alford FP. Impaired glucose tolerance after endurance exercise is associated with reduced insulin secretion rather than altered insulin sensitivity // Metabolism. – 1998. N 10, P. 121 – 128.

37.      Finegood DT, Tzur D. Reduced glucose effectiveness associated with reduced insulin release: an artifact of the minimal-model method // Am J Physiology. – 1996. N 1, P. 31 – 35.

38.      Garetto LP, Richter EA, Goodman MN, Ruderman NB. Enhanced muscle glucose metabolism after exercise in the rat: the two phases // Am J Physiology. - 2002. N 7, P. 87 – 90.

39.      Baron AD, Brechtel G, Wallace P, Edelman SV. Rates and tissue sites of non-insulin- and insulin-mediated glucose uptake in humans // Am J Physiology. – 1991. N 2, P. 104 – 107.

40.      Henriksson J. Influence of exercise on insulin sensitivity // J Cardiov Risk. – 1995. N 6, Р. 12 – 14.

41.      Koivisto VA, Yki-Jarvinen H, DeFronzo RA. Physical training and insulin sensitivity // Diabetes Metabolism. – 1999. N 5, P. 445 – 441.