Temat: Markery stosowane w ocenie reakcji organizmu i stopnia adaptacji do wysiłków fizycznych.

Biochemiczna diagnostyka pozwala ocenić proces adaptacji na poziomie komórkowym, tkankowym oraz narządowym. Monitoring pozwala dokonać oceny o aktualnym poziomie wydolności organizmu oraz ocenić ewentualną gotowość organizmu do podjęcia pracy związanej z kosztem energetycznym. Zmiany stężenia metabolitów we krwi, osoczu, surowicy, moczu, potu pozwalają ocenić stan zaburzenia homeostazy organizmu, a na jej podstawie stopień ciężkości wykonywanej pracy (obciążenie organizmu). Wysiłek zarówno jednorazowy jak i regularny wpływa na całą gospodarkę metaboliczną ustroju m.in. na zmiany objętości osocza, co obserwujemy na postawie hematokrytu (Ht) czy stężenia hemoglobiny (Hb). Przykład mogą stanowić wysiłki hipotensyjne tj. wysokogórskie w warunkach obniżonego ciśnienia parcjalnego tlenu co wzmaga proces erytropoezy przyczyniając się do wzrostu masy erytrocytarnianej i wzrostu objętości osocza. Do oceny wpływu wysiłku fizycznego na organizm służą najczęściej pomiary stężeń metabolitów tj.: kwas mlekowy, amoniak, mocznik, kwas moczowy, kreatynina oraz stężenie niektórych enzymów tj.: kinaza keratynowa, dehydrogenaza mleczanowa.

Powszechnie stosowanym markerem jest oznaczenie stężenia kwasu mlekowego (lactate LA) we krwi. LA w spoczynku wynosi ok. 1,5 mmol/l osocza. Powstaje zawsze i w różnych ilościach w zależności od wielu czynników tj. od intensywności wysiłku (zapotrzebowania pracujących mięśni na ATP) i drogi syntezy ATP (beztlenowa, tlenowa). W spoczynku, czy podczas regeneracji (odbudowy homeostazy), LA jest substratem do budowy glukozy (proces glukoneogenezy w wątrobie), która dostarcza substrat - glukozę na zapotrzebowanie energetyczne ATP do skurczów mięśni. Największe jego stężenie następuje na drodze glikolizy beztlenowej (tj. przemiany glukozy w pirogronian, który w warunkach małej dostępności tlenu przekształcany jest w LA, a enzymem katalizującym odwracalną reakcję jest dehydrogenaza mleczanowa LDH) , czyli podczas wysiłków maksymalnych (90% VO2maks) powyżej progu przemian beztlenowych ( za granicę PPB uważa się stężenie LA powyżej 4 mmol/l osocza ). Tak powstały LA kumuluje się w komórkach mięśniowych, a w wyniku jego dysocjacji następuje wzrost stężenia H⁺, co z kolei obniża pH środowiska (co ma bezpośredni wpływ na aktywność wielu enzymów). Wartość pH mięśni może obniżyć się z 7,0 do 6,5 a nawet do 6,3, a pH krwi z 7,4 do 7,0 a nawet i 6,8 co jest bardzo niebezpieczne hamując aktywność enzymów wielu istotnych życiowych funkcji. Prawdopodobnie wzrost stężenia H⁺ drażni zakończenia nerwowe w obrębie połączeń nerwowo- mięśniowych, co powoduje ból związany z tzw. zakwasami i niemożność kontynuowania wysiłku. Sportowcy wysokiej klasy, osiągają wysokie wyniki nawet przy stężeniu LA 25 mmol /kg mokrej masy mięśniowej, co świadczy o wysokiej tolerancji H⁺. Podczas regeneracji szybkość usuwania LA zależy od wielu czynników tj. stężenia H⁺, rodzaju włókien mięśniowych, kapilaryzacji, ilości mitochondriów czy stopnia adaptacji. LA na drodze przemian tlenowych (maratończycy, długodystansowcy wykonujący długotrwałą pracę poniżej progu przemian beztlenowych, zachowując przy tym umiejętnie homeostazę ustrojową ze względu na włókna wolnokurczliwe, dużą kapilaryzację, dużą ilość mitochondriów) jest substratem utylizowanym przekształca się do pirogronianu, który w warunkach dostępności tlenu jest przekształcany do Acetylo - CoA – substrat cyklu Krebsa. Wysokiej klasy zawodnicy aerobowi charakteryzują się wysoką tolerancją zaburzeń homeostazy. U osób o słabej tolerancji zaburzeń homeostazy (amatorzy sportu), są w stanie wykonywać pracę do ok. 9 mmol/l. Na postawie ilości stężenia LA oceniamy stopień adaptacji organizmu, rodzaj wykonywanej pracy, gotowość organizmu do podjęcia wysiłku, oraz możemy ocenić do jakiego rodzaju wysiłków organizm się przystosowuje.

Kolejnym istotnym markerem molekularnym jest enzym katalizujący reakcję odwracalną resyntezy ATP z hydrolizy fosfokreatyny (PCr) sprzężonej z ADP zgodnie z reakcją: PCr + ADP + H⁺ ↔ Cr + ATP - kinaza kreatynowa. Wyróżnia się trzy podstawowe formy kinazy kreatynowej obecnej we krwi: a) CK – BB ( mózgowa, która ze względu na barierę krew- mózg jest stężona we krwi w niewielkich ilościach ok. 2%); b) CK – MB (obecna w m. sercowym stężona w ok. 30%); c) CK- MM (obecna w mięśniach szkieletowych, stężona w ok. 70%). Normy dla kobiet od 40 do 285 U/l; dla mężczyzn od 55 do 370 U/l. U zdrowych osób stężenie CK osiąga wartość poniżej 190 U/l. Wśród amatorów sporu (niski stopień tolerancji zaburzeń powysiłkowych) kinaza kreatynowa osiąga wartości nawet powyżej 2000 U/l. Oznaczenie kinazy kreatynowej we krwi pozwala na kontrolę bieżącą, lub przedłużoną. Diagnoza świadczy przede wszystkim o stopniu uszkodzenia tkanki mięśniowej mięśni pracujących. Stężenia CK powyżej normy świadczą o ewentualnych kontuzjach, nadmiernym wysiłku fizycznym, chorobach O.U.N., czy napadach epileptycznych. Wzrost CK oznacza wzrost przepuszczalności błon komórek mięśniowych lub ich uszkodzenie, co może być spowodowane również przez wzrost liczby wolnych rodników, wzrost Ca²⁺, wzrostem LA i H⁺. Wysokie stężenie CK może sugerować stosowanie dużych ilości kreatyny czy steroidów anabolicznych. Najczęściej wzrost CK obserwuje się kilka godzin po wysiłku, ale zdarza się, że po kilku dniach, który wspólnie z występującym bólem powysiłkowym mogą sugerować stan zapalny. Szybkość eliminacji CK świadczy o wyższym stopniu tolerancji. Prawdopodobnie jednorazowe badanie CK jest mało przydatne, regularny monitoring pozwala na lepszą diagnozę o stanie tolerancji zaburzeń przez organizm.

Amoniak jest końcowym produktem dezaminacji aminokwasów. W dużych ilościach jest toksyczny dla organizmu (np. doping, skrajnie intensywne wysiłki). Po pierwszych sekundach wysiłku maksymalnego, gdzie źródłem ATP jest reakcja rozpadu PCr włączane są kolejne dwie katalizowane przez miokinazę: ADP + ADP ↔ ATP + AMP oraz AMP + H₂O → IMP + NH₃. Amoniak powstaje na skutek dezaminacji glutaminianu, z dezaminacji puryn (adenina, guanina) jako NH₃ . Wytwarzanie w dużych ilościach mleczanu i amoniaku pod wpływem skrajnie intensywnych wysiłków może przekraczać dla LA w mięśniach 35 mmol/kg mokrej masy mięśniowej lub 27 mmol/l we krwi. Normy amoniaku dla kobiet wynoszą od 10 – 40 umol/l; dla mężczyzn od 20-55 umol/l. Amoniak w wysiłkach np. 30’’ o maksymalnej intensywności wzrasta z wartości spoczynkowej 29,1 umol/l do 94,0 umol/l, w szóstej minucie intensywnego wysiłku nawet do 156,9 umol/l. Wzrost amoniaku można zaobserwować wśród zawodników stosujących diety nisko węglowodanowe i małą ilością glikogenu, a jego niedobór nasila degradację białek (dezaminację aminokwasów), jednym słowem wskazuje na duże straty białkowe. Również może być przydatny w modyfikacji diety i jej suplementacji. Amoniak w stężeniu powyżej normy wskazuje również na odwodnienie, niedobór K, Na.

Dehydrogenaza mleczanowa jest enzymem cytoplazmatycznym komórek mięśniowych, katalizującym przekształcenie (reakcja odwracalna) pirogronianu w warunkach beztlenowych do mleczanu. Znajduje się w mięśniu sercowym, mięśniach szkieletowych, czerwonych ciałkach krwi, białych ciałkach, trombocytach, tkance mózgowej, hepatocytach. W tkankach i w surowicy występuje w pięciu postaciach izoenzymów. Norma < 4800 U/l. W wysiłkach fizycznych wzrasta stężenie w węzłach chłonnych i wątrobie. W wysiłkach o charakterze ekscentrycznym LDH wzrasta do ok. 164 – 351 U/l, w maratonie kolarskim do 217 U/l. Wyższym stężeniem LDH (reakcja odwracalna) charakteryzują się zawodnicy z wyższą wydolnością aerobową (kolarze), którzy lepiej tolerują zmiany powysiłkowe związane chociażby z usuwaniem LA w trakcie kontynuowania pracy tlenowej (łańcuch oddechowy, cykl Krebsa w mitochondriach) w sposób ekonomiczny na stałym poziomie. Co pozwala na wykonywanie dużej pracy mięśniowej z większą intensywnością o dłuższym czasie trwania wysiłku.

Kolejnym markerem służącym do oceny wykonywanej pracy przez organizm jest ilość mocznika w surowicy krwi. Norma stężenia tego produktu waha się w granicach 2,5 – 6,6 mmol/l. Powstaje w hepatocytach na skutek degradacji białek, a w jego skład wchodzi amoniak, według reakcji: CO2 + NH4 + 3ATP + Asparaginian + 2H2O → mocznik + 2ADP + 2Pi + AMP + PPi + Fumaran. Wysokie stężenie obserwuje się wśród osób stosujących wysokobiałkową dietę oraz osób chorujących na patologiczne nasilenie katabolizmu białek, czemu towarzyszy nierzadko odwodnienie. Zmniejszone stężenie mocznika w surowicy, obserwuje się z kolei wśród osób stosujących dietę niskobiałkową. Wzrost stężenia mocznika dotyczy sportowców uprawiających wysiłki długodystansowe, ze względu na nasilony katabolizm białek mięśniowych. Wysokie stężenie mocznika jest skutkiem diurezy (wzmożonej filtracji kłębuszków nerkowych). W wysiłkach krótkotrwałych zwiększa się nie istotnie, ponieważ produkowany wtedy mleczan hamuje aktywność enzymów cyklu mocznikowego w wątrobie.

Innym istotnym miernikiem pozwalającym ocenić stopień degradacji nukleotydów purynowych (pochodnych adeniny tj. AMP, ATP, ADP i guaniny tj. GTP, GDP) jest kwas moczowy. W skrócie jak szybko następuje rozkład ATP u osób trenujących. Norma dla kobiet < 1,1 mg/dl; dla mężczyzn < 1,3 mg/dl. Wśród osób trenujących wzrasta do ok. 6,8 mg/dl, wśród nietrenujących ok. 5,1 mg/dl , a wśród długodystansowców nawet do 12,3 mg/dl. W 70% usuwany jest z moczem, w 30% przez przewód pokarmowy.

Kolejnym istotnym markerem jest stężenie kreatyniny (Cr). Normy dla kobiet < 48 umol/l; dla mężczyzn < 55 umol/l. W głównej mierze pozwala dokonać diagnozy pracy nerek także pod wpływem wysiłku fizycznego. Kreatynina powstaje w wyniku nieenzymatycznej reakcji – dehydratacji fosfokreatyny wg: PCr → Cr + Pi. Ok. 1-2% PCr przekształcane jest do Cr. Jej stężenie zależy od filtracji nerek, ilości przekształconej PCr w mięśniach, od stanu nawodnienia organizmu, diety bogatej w białko. Wysiłki powodują wzrost stężenia kreatyniny w surowicy, głównie na skutek rozpadu fosfokreatyny na rosnące zapotrzebowanie na ATP oraz jest konsekwencją obniżonej filtracji nerek (wchłanianie zwrotne).

Kolejnym markerem do oceny stanu organizmu jest badanie składu moczu. Przez nerki przepływa 1000 – 1200 ml krwi/ 1min (RBF) , a przesączeniu ulega 120 ml osocza (GFR). Regulacja GRF odbywa się na drodze neuro - hormonalnej (wazopresyna, angiotensyna II, noradrenalina). Wysiłek zmienia skład moczu, a jego badanie pozwala ocenić stopień zaburzenia homeostazy, charakter oraz przebieg zmian adaptacyjnych. Badanie moczu obejmuje: właściwości fizyczne (barwa, zapach, gęstość, os molarność, pH), skład chemiczny (białko, glukoza, kreatynina, urobilinogen), ocenę mikroskopową osadu (RBC, WBC, bakterie). Pod wpływem wysiłku obniża się osmolarność osocza, tracimy wodę z organizmu (pocenie się, wzrost temperatury, prze płuca), co wzmaga wydzielanie wazopresyny. Na skutek wysiłku wzrasta ciśnienie krwi obwodowe, w związku z czym obniża się przepływ krwi przez nerki i obniża się diureza. Wysiłki na poziomie 40%VO2maks redukują GRF ze 120 do 110 ml/1min oraz RBF z 1330ml/1min do 1100 ml/1min. Wysiłki ok. 80% VO2maks redukują GRF z 120 do 80 ml/1min oraz RBF nawet do 990 ml/1min. Istotę stanowi pomiar stężenia białka w moczu. W warunkach fizjologicznych stężenie białek nie przekracza 100mg/l tzn. 150mg/dobę. Jeżeli przekroczy tzn. >100 mg/l to oznacza proteinurię. Jednym słowem badanie moczu daje świetny obraz aktualnego stanu fizjologicznego i pozwala wprowadzić wiele czynników modyfikujących.

Ważnym wskaźnikiem na podstawie, którego można ocenić stopień adaptacji organizmu czy stopień przetrenowania jest stosunek stężenia testosteronu do kortyzolu. Powyższy stosunek pozwala określić jak aktualnie wygląda stosunek procesów anabolicznych (wszelka synteza) do procesów katabolicznych (rozpad związków). Testosteron jako hormon anaboliczny (sprzyja syntezie wielu chociażby białek) natomiast kortyzol jako kataboliczny hormon wpływa na rozpad wielu związków budulcowych.

Jest jeszcze wiele innych markerów biochemicznych pozwalających ocenić aktualny stan organizmu, kierunek adaptacji, zaburzenia homeostazy wewnątrz organizmu i jej tolerancję. We krwi obwodowej znajdują się składniki upostaciowane tj. RBC (red blood cells), których większa ilość świadczy o wyższym poziomie hemoglobiny (hemu i żelaza) i większych umiejętnościach wiązania tlenu i dostarczania go pracującym komórkom na zapotrzebowanie energetyczne ich ilość może być stymulowana treningiem w warunkach hipoksji tj. trening wysokogórski. WBC (wite blood cells), których ilość pod wpływem już jednorazowego wysiłku diametralnie wzrasta, między innymi powodem jest wzrost przepuszczalności zarówno z wewnątrz jak i do wewnątrz czynników pochodzenia zewnętrznego traktowanych przez WBC jako „intruzy” np. zwiększona dyfuzja gazów w pęcherzykach płucnych i napływ zewnętrznych szkodników stymulujących działanie układu immunologicznego i wzmożoną produkcję WBC. We krwi włośniczkowej dokonać można oznaczeń gazometrycznych pO2 i pCO2 (pozwalających ocenić umiejętność zużywania i wydalania O2 i CO2 przez organizm). Można również dokonać pomiaru stężenia elektrolitów tj. Na+, K+, Ca2+, Mg2+. Powyższe elektrolity odgrywają istotną rolę w przewodnictwie nerwowo-mięśniowym, co za tym idzie szybkości skracania sarkomerów, co za tym idzie mają wpływ na szybkość generowania mocy przez mięśnie co jest istotne z punktu widzenia sprawności fizycznej organizmu. Bardzo istotną rolę odgrywają oznaczenia hormonów. Adrenalina, noradrenalina odgrywają ważną rolę stymulując działanie współczulnego i przywspółczulnego układu nerwowego (przede wszystkim oddziaływując na automatyzm najsilniejszego i najważniejszego mięśnia organizmu jakim jest mięsień sercowy). Pod wpływem wysiłku adrenalina wzmaga (antagonistycznie w stosunku do insuliny) reakcję lipolizy, co jest istotnie szczególne w treningu długodystansowym (jako, że substratem - chyba w największej mierze, zasilającym energetyczne zapotrzebowanie są tłuszcze – WKT i glicerol). Glukagon, kortyzol, somatotropina, insulina (jedyny hormon podnoszący poziom cukru we krwi) wywierają istotny wpływ na utrzymanie homeostazy stężenia glukozy we krwi. Bardzo ważnym hormonem jest albumina. Jej rola dotyczy utrzymania fizjologicznego ciśnienia onkotycznego, jest transporterem WKT, leków, hormonów, witamin. Kolejnym istotnym hormonem jest erytropoetyna, która w ostatnich czasach stała się powszechniejsza ze względu na rozpowszechniony doping wśród sportowców i jego śmiertelne skutki tj. zawał mięśnia sercowego w wieku dwudziestu paru lat. Stopień adaptacji i jej kierunek można ocenić na podstawie biopsji np. określenia stosunku włókien wolnokurczliwych do szybkokurczliwych. Oba rodzaje włókien bardzo różnią się w zależności od charakteru stosowanych środków treningowych wykonywanej dyscypliny sportowej. Wysiłki również powodują wzrost ilości wolnych rodników, które uszkadzają błony komórkowe, a skutki mogą prowadzić do apoptozy komórki. Można byłoby jeszcze wiele wymienić, z pewnością nie wymieniłem też innych ważnych.

PIŚMIENNICTWO:

Górski J. „Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego”; Wyd. PZWL; Warszawa 2006.

Zatoń M., Jastrzębska A. „Testy fizjologiczne w ocenie wydolności fizycznej”; Wyd. PWN; Warszawa 2010.

Borkowski J. „Bioenergetyka i biochemia tlenowego wysiłku fizycznego”; AWF Wrocław 2003.

Traczyk W. Z. „Fizjologia człowieka w zarysie”; Wyd. PZWL; Warszawa 2007.

Hübner - Woźniak E. „Ocena wysiłku fizycznego oraz monitorowanie treningu sportowego metodami biochemicznymi”; Studia i Monografie; AWF Warszawa 2006.