Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема повышения физической работоспособности и ускорения протекания восстановительных процессов после значительных физических напряжений всегда относилась к одной из наиболее актуальных проблем физиологии и биохимии спорта. Вместе с тем, в силу целого ряда социальных причин она затрагивает широкий круг и других сфер человеческой деятельности (медицина, армия, космонавтика и т.п.).
Особую актуальность эта проблема приобретает в спорте высших достижений в связи с бурным ростом спортивных результатов, дальнейшим усилением конкуренции на международной спортивной арене и все возрастающими физическими нагрузками (В.Н. Платонов, 1986, 1988). Выполнение таких нагрузок часто сопряжено с предельной мобилизацией функциональных возможностей организма спортсмена и с вероятностью возникновения патологических состояний, приводящих иногда к летальному исходу (М. Jaeger, 1990).
В связи с проводимыми в этом направлении исследованиями особое внимание заслуживают описанные G. Selye (1936) неспецифические реакции организма на воздействие экстремальных факторов, получившие в последнее время дальнейшее уточнение на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях. Среди этих проявлений особая роль отводится феномену активизации свободнорадикального окисления липидов клеточных и субклеточных мембран (перекисное окисление липидов, ПОЛ) как показателя первичного метаболического ответа организма на разнообразные экстремальные воздействия (Ю.А. Владимиров и А.И. Арчаков, 1972, Ф.З. Меерсон и М.Г. Пшен-никова, 1988; Н.М. Alessio, 1993).
В нормально функционирующих клетках концентрация свободных радикалов, скорость образования и концентрация гидроперекисей, регуляция распада этих соединений поддерживается на относительно постоянном уровне благодаря работе сложного механизма саморегуляции — антиоксидантной (АО-) системы, выполняющего, по сути, роль своеобразного буфера. Главными компонентами этой системы являются антиоксидантные энзимы, а также присутствующие в тканях жирорастворимые и водорастворимые антиоксиданты (Ю.А. Владимиров., А.И. Арчаков, 1972; О.Н. Воскресенский, 1975; В.Н. Бобырев и др., 1994).
Нарушение механизмов защиты от чрезмерного усиления процессов ПОЛ приводит к разрушению мембранных структур, модификации клеточных белков и развитию ряда патологических состояний (A.L. Tappel, 1973). В этой связи логично предположить, что изучение состояния АО-системы организма в условиях напряженной мышечной деятельности, а также установление возможностей коррекции этого состояния с помощью анти-оксидантов и активаторов антиоксидантных ферментов создает предпосылки для обоснования одного из возможных путей коррекции физической работоспособности.
Имеющиеся в научной литературе данные, свидетельствующие о возможности использования антиоксидантов для повышения устойчивости организма к напряженной мышечной деятельности, носят фрагментарный, а иногда и противоречивый характер, что не позволяет создать четкое представление с возможности обоснованной для этих целей фармакологическое коррекции состояния АО-системы организма (P.M. Clarkson, 1995) .
з Рабочая гипотеза. Анализ литературных данных позволяет предположить, что:
а) изменение активности свободнорадикального окисления
в организме в условиях напряженной мышечной деятельности и
вызванное этим изменение состояния его АО-системы имеют
тканевоспецифические особенности, зависят от характера мы
шечной работы и являются одним из факторов, определяющих
физическую работоспособность;
б) изучение особенностей функционирования антиокси
дантних механизмов в различных тканях и при различных по
характеру энергообеспечения физических нагрузках может по
служить обоснованием для выбора среди антиоксидантов и ак
тиваторов антиоксидантных ферментов средств фармакологиче
ской коррекции состояния АО-системы и разработки соответст
вующих рекомендаций по их применению для повышения устойчи
вости организма к напряженной мышечной деятельности.
Цель и задачи исследования. Сформировавшаяся рабочая гипотеза определила цель работы: выявить особенности функционирования антиоксидантных механизмов при напряженной мышечной деятельности и на основании полученных данных обосновать возможность фармакологической коррекции их состояния для повышения устойчивости организма к физическим нагрузкам.
В соответствии с целью исследований были определены следующие задачи:
-
Изучить влияние различных по характеру энергообеспечения физических нагрузок на интенсивность процессов ПОЛ в тканях животных.
-
На основании изучения общей антиоксидантной активности (ОАА) тканей животных, исследования содержания в кро-
ви спортсменов витаминов-антиоксидантов, определения в тканях животных и крови человека активности основных антиоксидантних ферментов и общего содержания сульфгидрильных групп, а также на основании изучения баланса в организме животных металлов - кофакторов антиоксидантних ферментов охарактеризовать влияние различных по интенсивности физических нагрузок на функциональное состояние отдельных звеньев АО-системы.
-
Произвести первичную оценку влияния ряда экзогенных антиоксидантов и активаторов антиоксидантных ферментов на физическую работоспособность экспериментальных животных.
-
Исследовать влияние тиолового антиоксиданта сукцимера на процессы окислительного фосфорилирования в изолированных митохондриях тканей животных при физической нагрузке.
-
Изучить влияние токоферола на выполнение лабораторными животными (крысами) стандартизированных двигательных задач.
-
Обосновать целесообразность и разработать рекомендации по применению фармакологических средств коррекции состояния АО-системы, относящихся к экзогенным антиоксидантам и активаторам антиоксидантных ферментов, для повышения устойчивости организма спортсменов к напряженной мышечной деятельности.
Основные положения, выносимые на защиту
I. Напряженная мышечная деятельность преимущественнс как анаэробного, так и аэробного энергообеспечения вызываем усиление процессов ПОЛ в скелетных мышцах, печени и сердце экспериментальных животных, что рассматривается как один и: важных факторов, лимитирующих физическую работоспособность.
-
Различные по характеру энергообеспечения физические нагрузки изменяют функциональное состояние антиоксидантных механизмов: эти изменения зависят от интенсивности и продолжительности мышечной деятельности и характеризуются специфическим для каждой ткани доминированием отдельных ферментативных механизмов антиоксидантной защиты, изменением содержания металлов-кофакторов антиоксидантных ферментов и баланса SH-rpynn.
-
Выявление показателей функционального состояния АО-системы позволяет использовать их в качестве маркеров для осуществления соответствующей коррекции состояния АО-системы в целях повышения устойчивости организма спортсменов к напряженным тренировочным и соревновательным нагрузкам.
-
Экспериментально обоснованный выбор комплекса фармакологических средств коррекции состояния АО-системы
(тиолового антиоксиданта - сукцимера, токоферола, кофакторов антиоксидантных ферментов — Se, Zn и Си) и схема его применения позволяют использовать эти средства для повышения устойчивости организма спортсменов к напряженным физическим нагрузкам, повысить эффективность их тренировочного процесса и предупредить возможность отрицательного влияния на организм неадекватных для него значительных мышечных напряжений .
Научная новизна. Впервые в экспериментах на животных при выполнении ими модельных физических нагрузок преимущественно анаэробного или аэробного энергообеспечения установлено повышение интенсивности процессов ПОЛ одновременно в скелетных мышцах, сердце и печени, что рассматривается как один из факторов, лимитирующих физическую работоспособность .
Впервые установлена динамика общей антиоксидантной активности тканей экспериментальных крыс (скелетных мышц, сердца, печени и крови) при выполнении ими модельных физических нагрузок разной интенсивности. Показано, что наиболее "уязвимым" органом в отношении к снижению уровня общей антиоксидантной активности, вызванной физическими нагрузками, является сердце. Изучение функцонального состояния отдельных звеньев АО-системы позволило впервые выявить как тканевоспецифические особенности этих зеньев, так и их особенности, обусловленные характером мышечной деятельности.
Экспериментально обоснован выбор способов фармакологической коррекции состояния АО-системы, позволяющих повысить устойчивость организма к физическим нагрузкам.
Теоретическое значение работы. Предложено новое направление в спортивной физиологии и спортивной медицине, связанное с изучением роли процессов ПОЛ при напряженной мышечной деятельности. Полученные данные и изложенная концепция о роли свободнорадикального окисления и АО-системы в проявлении физической работоспособности открывают новые возможности целенаправленного применения фармакологических средств, повышающих эффективность работы антиоксидантных механизмов, для повышения устойчивости организма к значительным физическим напряжениям.
Результаты проведенных исследований позволили расширить уже известные и получить новые представления о механизмах адаптации организма к напряженной мышечной деятельности и обосновать возможность и пути их коррекции для повышения физической работоспособности.
Практическая значимость и реализация работы. Полученные при проведении настоящей работы данные открывают новые
возможности для управления физической работоспособностью, в частности, для управления тренировочным процессом в спорте.
Предложен научно-обоснованный профилактический подход к использованию антиоксидантных средств защиты морфологических структур и факторов метаболизма от повреждающего влияния активации свободнорадикального окисления в тканях при чрезмерных физических нагрузках.
Полученные данные о состоянии процессов ПОЛ и АО-системы в организме при мышечной деятельности могут быть использованы для оценки функциональных возможностей организма спортсменов, а также для коррекции его устойчивости к тренировочным и соревновательным нагрузкам.
Разработанные рекомендации нашли свое применение в практике подготовки сборных команд Украины по современному пятиборью, гребному спорту и альпинизму.
Фактический материал исследования и сделанные на его основе выводы включены в лекционный курс по медико-биологическим основам спорта в Университете физического воспитания и спорта, а также на факультетах повышения квалификации преподавателей ВУЗов и тренеров ДСО и ведомств Украины.
Связь работы с основной тематикой НИР. Тема диссертационной работы является разделом темы 2.3.1.01 "Функциональные резервные возможности аэробной производительности спортсменов как объект направленных воздействий в процессе адаптации к высоким тренировочным и соревновательным нагрузкам" Сводного плана НИР по физической культуре и спорту в Украине на 1991—1993г,г. {№ госрегистрации 910026125), а также частной темы НИР кафедры спортивной физиологии и спортивной медицины "Повышение устойчивости ор-
8 ганизма к напряженной мышечной деятельности путем фармакологической коррекции состояния его антиоксидантной системы", выполняемой в соответствии со Сводным планом НИР Не 1996-2000 годы.
Конкретный личный вклад автора в выполнение диссертационной работы состоял в разработке теоретических основ и научного подхода к решению вопросов, связанных с темой диссертации, организации и проведении экспериментальных исследований, получении фактического материала, теоретическом анализа полученных данных, а также разработке рекомендаций по коррекции состояния антиоксидантной системы для повышения устойчивости организма спортсменов к напряженной мышечной деятельности.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на шести научных конференциях Украинского государственного университета физического воспитания и спорта, ш двенадцати республиканских конференциях и съездах физиологов, на девяти всесоюзных конференциях и на двух международных (Киев, 1993; Абердин, 1994).
Публикации. По теме дисертационной работы опубликованс 33 научных работы, в том числе 8 статей объемом 0,2-0,5 печатных листа каждая, получено одно авторское свидетельстве на изобретение. Издана (под редакцией) одна монография.
Методология, методы исследований предмета и объекта. Научной основой для проведения исследований явились позиции методологии системного подхода (П.К. Анохин, 1975), современные представления о физиологических механизмах утомления и факторах, определяющих физическую работоспособность, г также научно обоснованные подходы к изысканию средств и методов управления физической работоспособностью (А.П. Викто-
ров и др., 1978; Ю.Г. Бобков и др., 1984; В.Н. Платонов, 1988).
Предметом наших исследований явился процесс управления физической работоспособностью, а объектом - антиоксидантная система организма спортсменов и экспериментальных животных и фармакологические способы ее коррекции.
Экспериментальным материалом для изучения состояния отдельных звеньев АО-системы при физических нагрузках, а также изучения возможности коррекции этого состояния с целью повышения устойчивости организма к напряженной мышечной деятельности были клинически здоровые беспородные стадного разведения половозрелые лабораторные животные (крысы и мыши), содержание которых в виварии соответствовало общепринятым правилам лабораторного животноводства (И.П. Западнкж и др., 1974). Всего в исследовании использовано 665 животных.
В качестве экспериментальных моделей физических нагрузок и утомления использовали общепринятые плавательные нагрузки крыс и мышей (Ю.Г. Бобков и сотр., 1984) . При этом мы посчитали целесообразным смоделировать такие условия физических нагрузок, которые сопровождались бы усилением протекания преимущественно аэробных или же анаэробных процессов энергообеспечения. В наших опытах такими моделями для крыс явились 15-минутная интенсивная плавательная нагрузка и 5-часовое плавание умеренной интенсивности (Р.И. Ленкова, 1970). Интенсивность и продолжительность нагрузки варьировали величиной подвешенного груза.
При изучении влияния на физическую работоспособность факторов, повышающих эффективность функционирования отдельных звеньев АО-системы, к исследованиям привлекались спортсмены' (мужчины) — студенты УГУФВиС и спортсмены ДСО и ве-
домств (возраст 19...26 лет), специализировавшиеся в циклических видах спорта, имевшие спортивную квалификацию не ниже 1 спортивного разряда и которые, согласно данным календарных диспансерных обследований, были практически здоровы. Всего обследовано 82 спортсмена.
В исследованиях, проведенных на спортсменах, использовали как велоэргометрические (модельные и тестирующие) физические нагрузки, так и специфические для определенного вида спорта физические нагрузки и педагогические тесты, характеризующие состояние отдельных качественных сторон двигательной деятельности спортсменов.
Для оценки влияния физических нагрузок на интенсивность процессов ПОЛ и состояние отдельных звеньев аьтиокси-дантной системы организма экспериментальных животных и спортсменов .использовали комплекс биохимических и физиологических методов исследований и, в частности, определение содержания в тканях малонового диальдегида (МДА; Ю.А. Владимиров,А.И. Арчаков, 1972), определение общей антиокси-дантной активности тканей в модельной системе желточных ли-попротеидов (Г.И. Клебанов и др., 1988), определение содержания в крови витаминов-антиоксидантов (Ю.Б. Филиппович и др.,1988), определение содержания в тканях SH-групп методой амперометрического титрования, определение методом эмиссионного спектрального анализа содержания—в—тканях—и—экскрет ментах лабораторных животных металлов - кофакторов антиоксидантних ферментов; определение в тканях активности ключевых антиоксидантних ферментов - супероксиддисмутазы (СОД, КФ 1.15.1.1; Е.Е. Дубинина, 1988), глутатионпероксидазь (ГПО,КФ 1.11.1.9; глутатионредуктазы, ГР, КФ 1.6.4.2;
и R. Pinto and W. Burtley, 1969) и каталазы (Кат, КФ 1.11.1.6; М.А. Королюк и др.,1988).
Анализ научной литературы, а также результаты предварительных собственных экспериментальных исследований влияния напряженной мышечной деятельности на функциональное состояние отдельных звеньев АО-системы предопределили выбор ряда биологически активных веществ для изучения их воздействия на устойчивость человека и животных к физическим нагрузкам. Такими веществами, в частности, явились: соли - CuCl2, ZnCl2, МпСІг, FeCl3 ,Na2SeC>3; основные жироростворимый и водорастворимый ви-тамины-антиоксиданты - соответственно сс-токоферол-ацетат и аскорбиновая кислота, церулоплазмин и тиоловый антиоксидант -сукцимер (динатриевая соль т-димеркантоянтарной кислоты; все - отечественного производства).
При изучении комплексного применения средств коррекции состояния АО-системы для повышения устойчивости организма спортсменов к физическим нагрузкам использовали минералови-таминный комплекс - "Пленил" ("Plenyl", производство лаборатории UPSA, Франция), содержащего такие важные в плане проводимых нами исследований компоненты как Си, Zn, Se, витамины С, Е, А и PP. Для изучения влияния антиоксиданта на эффективность процессов окислительного фосфорилирования использовали полярографическое определение интенсивности дыхания и фосфорилирования изолированных митохондрий тканей экспериментальных животных.
Решение поставленных в настоящей работе задач потребовало изучения степени токсичности некоторых биологически активных металлов-кофакторов антиоксидантных ферментов. Это бьшо связано с необходимостью обоснования применения для первичной оценки влияния на физическую работоспособность эксперимен-
тальных животных исследованных веществ в условно терапевтических дозах, составляющих 1% и 10% ЛД5о: (дозы, вызывающей гибель 50% животных). Для установления таких дозировок (при отсутствии в литературе соответствующих сведений) нами применен метод, предложенный В.Б. Прозоровским и сотр. (1978).
Для выяснения способности антиоксидантов влиять на устойчивость к выполнению выработанных двигательных поведенческих реакций нами совместно с В. Б. Литвиновым была использована предложенная им методика изучения высшей нервной деятельности лабораторных крыс (197 6) .
Об эффекте применения средств коррекции состояния АО-системы у спортсменов судили как по результатам педагогических тестирований, так и по показателям динамики концентрации мочевины в крови, взятой у спортсменов утром натощак (Л.Н. Вознесенский и др., 1976), а также по показателям индекса напряжения миокарда (ИН)(А.С. Батуев, 1986).
Регистрацию биохимических показателей производили на спектрографе "Specord Uv Vis" (производство фирмы " Karl Zeiss").
Обработку экспериментального материала осуществляли на персональном компьютере IBM PC АТ-486 ДХ-50 с помощью стандартных компьютерных программ.
Структура и объем работы. Работа изложена на 306 страницах машинописного текста, состоит из введениям—5—главу выводов и приложения. В работе использованы 390 литературных источников, из них 169 отечественных и 221 зарубежных авторов. Материалы исследований иллюстрированы 34 рисунками и 21 таблицей.
